地下水漏斗區平原水庫防滲方案分析

王金山

（山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014）

臨清市地處黃泛平原，城區用水幾乎全靠地下水供給，隨著開采量的逐年增加，導致地下水位持續下降，形成大面積漏斗區。為了有效扼制這種狀況持續發展，保障臨清市城區工業和生活用水，調整南水北調第一期工程臨清市分配水量，決定興建張官屯水庫作為臨清市南水北調配套工程的調蓄平原水庫，兼顧調蓄黃河水。

張官屯水庫樞紐工程包括入庫泵站、出庫泵站、水庫圍壩、入庫閘、排水溝等。水庫總庫容為2 293.0萬m3，年充庫水量5 999.0萬m3。

水庫庫區揭露地層主要為第四系全新統沖積堆積土層，各層從上至下依次為①層砂壤土（Q）、①-1層裂隙黏土（Q）、②層粉砂（Q）、③層黏土（Q）、④層砂壤土（Q）、④-1層壤土（Q）、⑤層粉細砂。各土層均具中等透水性，水力聯系密切，勘探深度內沒有穩定、統一、連續的相對隔水層。

1 防滲方案研究

1.1 水庫無防滲方案

根據本工程地質和水文地質條件，結合選定的水庫圍壩設計斷面，對水庫不設防滲體工況，進行水庫滲流分析計算。從水庫滲漏損失水量以及水庫運行經濟合理性方面進行防滲方案比選。

本文采用基于非飽和土力學有限元方法的Geo studio SEEp/W模塊來進行滲流分析。根據壩段地形特點、壩基地質等情況，選用一個典型斷面進行計算。庫內水位取平均水位28.58m，庫外水位取多年平均地下水位18.28m。壩基各土層滲透系數計算采用值見表1。

表1 各土層滲透系數計算采用值

根據壩體結構和壩基地質情況等資料，在不采取防滲措施情況下，經計算，水庫滲漏量為1 183.54萬 m3/a。

在無防滲措施情況下，水庫年滲漏水量約為1 183.54萬m3，占水庫總庫容的51.61%，占水庫總充庫水量的19.73%，滲漏嚴重。按照國家核定的南水北調山東平均供水價格1.54元/m3，計算水庫滲漏年直接經濟損失為1 822.65萬元。為有效減少水庫滲漏量，確保水庫安全運行，提高水庫經濟效益，水庫必須采取可靠的防滲措施。

1.2 水庫垂直防滲方案

水庫防滲方案分兩大類：一類是垂直截滲，一類是水平防滲。垂直防滲的方法較多，主要有垂直鋪膜、深層攪拌樁、混凝土連續防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻等。

1.2.1 各垂直防滲方案特點及適用性分析

根據本工程地質條件分析，截滲深度較小的垂直鋪塑方案及深層攪拌防滲墻方案不適用。高壓噴射灌漿防滲墻方案適用范圍較廣，但易出現開叉、搭接不嚴等現象，對不同土層的施工工藝參數難以把握，施工質量可控性差，本工程不宜采用。

混凝土連續防滲墻方案：成墻完整連續，質量有保證，有豐富成熟的施工經驗，防滲墻滲透系數可達1×10-7cm/s，防滲效果較好。缺點是需要優質泥漿固壁，如遇流砂、漂石等地層，會增加施工難度，工程造價較高。

結合本工程實際情況及垂直防滲方案適用性分析，本工程選擇混凝土防滲墻方案作為垂直截滲方案，進行防滲方案比選。

1.2.2 垂直截滲效果分析

混凝土防滲墻截滲深度為壩基以下30 m，厚度采用60 cm，防滲墻滲透系數取1×10-7cm/s，進行水庫垂直截滲方案滲流分析計算。滲流計算工況及方法與不設防滲體情況相同，滲流量為924.26萬m3/a。

由計算結果可知，在水庫采用垂直防滲措施情況下，平均蓄水位年滲漏量為924.26萬m3，占水庫總庫容的40.3%，占水庫年充水量的15.41%。按防滲墻500元/m2）計算，水庫垂直截滲深度30m工程投資約為10 941.55萬元。可見，由于壩基土層滲透性太強，垂直截滲效果不明顯，不滿足技術經濟要求，方案不可行。

1.3 水庫水平防滲方案

水平防滲方案主要有黏土鋪蓋防滲、復合土工膜防滲、膨潤土復合防水毯防滲等，根據張官屯水庫地質條件，無足夠黏土形成一定厚度的黏土鋪蓋；膨潤土復合防水毯因造價高不適用大面積防滲應用。復合土工膜防滲方案投資節省、施工方便，故采用復合土工膜防滲。

土工膜鋪設方案分別考慮水平鋪設距壩腳100m、200m、300m及全庫鋪設4種方案，復合土工膜考慮一定量缺陷綜合滲透系數取5×10-10cm/s，分別計算各方案滲漏量，結果見表2。

根據上表可知，100m、200m、300m長防滲長度時，在平均水位情況下，年滲漏損失仍然較大，防滲效果不理想，采用全部鋪設，考慮土工膜缺陷的情況下，水庫年滲漏量為184.69萬m3，占總庫容的8.07%，占總充庫水量的3.08%，滲漏減少較為明顯。

表2 不同防滲長度防滲效果比較表

根據以上計算分析，由于壩基滲透性太強，采用懸掛式垂直截滲方案和部分鋪設土工膜水平防滲方案截滲效果不理想，因此本工程采用全庫鋪設復合土工膜防滲方案，防滲效果較好。

2 水庫防滲設計

2.1 防滲方案設計

水庫庫底及壩坡均采用土工膜防滲，土工膜上、下層設200 g/m2土工布，PE膜采用0.5mm厚。庫底防滲土工膜采用膜布分置方案，壩坡土工膜采用復合土工膜方案。

針對張官屯水庫土工膜鋪設面積大，地下水埋藏深，水庫蓄水后地下水位抬升易產生氣漲的問題，采用排氣盲溝及壓重組合措施。庫底復合土工膜下的排氣盲溝間距按50.0m布置，在距壩腳20.0m處設一道環形盲溝與庫底盲溝聯通；壩坡盲溝垂直壩軸線布置，壩坡盲溝一直通到防浪墻底，在防浪墻處設φ50PPR管將膜下氣體排出。盲溝尺寸30 cm×30 cm，盲溝內布置一條φ100的軟式透水管，管周回填0.5～1.0 cm碎石，碎石外包一層300 g/m2的短絲土工布。

2.2 水庫防滲后滲漏量計算

庫底全鋪膜滲漏量分為土工膜滲漏和缺陷滲漏兩部分。土工膜的滲漏量按滲流有限元進行計算；缺陷滲漏量根據《土工合成材料工程應用手冊》提供公式計算，土工膜缺陷取每4 000m2出現一個孔徑為3.5mm進行缺陷滲漏量計算。

1）土工膜的施工缺陷引起的缺陷滲漏量計算公式：

式中：μ為流量系數，取μ＝0.70；A為土工膜上孔的面積，m2；Hw為土工膜上、下水頭差，m；g為重力加速度，取9.81m/s2。

2）滲漏量計算結果。根據水庫興利調算水位，以水庫月末水位為月平均水位計算單月滲漏量，計算結果見表2。全庫鋪設土工膜方案滲漏量為 184.69 萬 m3。

表2 滲流量計算結果

2.3 防滲效果

張官屯水庫工程已于2016年12月通過水庫蓄水驗收，2017年5月開始蓄水，第一次充庫水量500萬m3，最高蓄水位25.85m；2018年4月，水庫第二次蓄水，充庫水量1 500萬m3，最高蓄水位31.30m，經過近9個月觀測，水庫滲漏損失低于計算滲漏損失量，全庫鋪復合土工膜防滲效果較好。

3 結語

地下水漏斗區地下水位埋深較大，水庫蓄水后庫水位與地下水位水頭差較大，水庫滲漏以垂直滲漏為主，如庫區無連續深厚隔水層，水庫采用垂直防滲方案效果不明顯。本文以南水北調山東段臨清市張官屯水庫工程為例，介紹了地下水漏斗區平原水庫防滲方案比選確定、全庫鋪設復合土工膜防滲方案設計、水庫滲漏量的有限元計算方法等。通過蓄水觀測表明，采用全庫底鋪設復合土工膜的方法對平原水庫防滲效果良好，可在同類地區水利工程，特別是井灌區水庫防滲中應用。