南水北調大屯水庫全庫盤水平鋪膜防滲關鍵技術

焦璀玲，于 云，張東霞，郭曉翠

(南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250013)

水庫滲漏會影響到水庫的正常運行，并有可能影響大壩安全，平原水庫更易出現滲漏問題，因此需要采取工程措施[1]。平原水庫防滲一般有垂直防滲和水平防滲，垂直防滲主要指采用截滲墻防滲，水平防滲主要是指全庫盤鋪膜防滲。

目前國內外關于鋪膜防滲的技術很多，如《土工膜水庫庫盤防滲技術及應用》[2]以阜康市上游水庫為例，介紹了土膜厚的計算選擇、施工注意事項等；《塑膜焊接工藝在楊安鎮水庫防滲施工中的應用》[3]《南水北調工程渠道防滲復合土工膜施工工藝》[4]主要探討了PE膜焊接技術及針對土工膜焊接不密實現象，探討復合土工膜施工工藝的內容；《南水北調安陽段穿漳工程引水渠道防滲檢測》[5]闡述了復合土工膜防滲施工、檢測方法和施工檢測中應注意的問題；《淺談復合土工膜在人工湖防滲工程中的應用及施工》[6]介紹了土工膜在人工湖防滲中的施工；《Geomembraneseamnondestructivetests:Constructionqualitycontrol(CQC)perspective》[7]從施工質量控制的角度探討了壓力、真空、電阻率等常用土工膜接縫無損檢測方法的內容。但這些文獻都沒有系統地給出平原水庫全庫盤鋪膜的關鍵點及施工中應注意的問題，但沒有形成一套施工指導體系。

1 工程概況

南水北調工程沿線建有大量的調蓄水庫，由于平原水庫壩基可能發生滲透變形，透水的壩基可能引起下游沼澤化，次生鹽漬化和農田浸沒，因此需采取防滲技術。另外，采用防滲技術還可以有效地減少南水北調沿線調水滲漏損失，力求以最低的經費投入，長期保持將所調江水盡量多的、安全快速地輸送到需水區。

南水北調山東段大屯水庫位于山東省德州市武城縣恩縣洼東側，距德州市德城區25km，是南水北調東線第一期工程山東境內的調蓄水庫之一。水庫圍壩軸線總長8913.99m，總占地面積9732.9畝。設計最高蓄水位29.80m，相應庫容5209萬m3，調節庫容4464萬m3。主要任務是引江水經水庫調蓄后向德州市德城區和武城縣城區城市居民和工業供水，保障南水北調東線魯北輸水工程完成供水目標，年供水總量12502萬m3。庫區地下水位以上土層平均飽和度86.9%～94.0%。地下水位類型為第四系孔隙潛水，貯存于砂壤土、裂隙黏土的裂隙和粉細砂、中細砂的孔隙中，地下水埋深一般1.1～1.8m，庫內最大變幅達3～4m。壩址各土層滲透系數0.089～13.6m/d，屬于中等-強透水性，無相對不透水層。

大屯水庫采用了全庫盤水平防滲鋪膜防滲方案，庫盤防滲采用膜布分置，防滲面積501萬m2，是迄今為止國內鋪膜防滲面積最大的水平鋪膜防滲設計的平原水庫，具有代表性。

2 存在的主要技術問題

大屯水庫全庫盤水皮鋪膜在設計、施工階段面臨眾多的技術問題，主要有：

(1)膜下氣場問題。膜下非飽和土被土工膜封閉后，在水庫運行中，受一些因素影響，膜下氣壓可能會增大，直至超過膜上壓重。導致土工膜被托起，甚至頂破土工膜，最終導致庫盤防滲失效，水庫無法正常運營。在山東省內多個采用庫盤鋪膜防滲方案的平原水庫，已經發現存在上述膜下氣場問題。由于對該問題缺乏研究，常常在這些水庫的設計和施工前難以進行針對性的處理，一旦出現問題，就會給工程維護帶來極大的困難并增加工程運行維護成本。

(2)逆止閥與土工膜連接強度及質量檢測問題。通過對現有工程經驗和教訓的學習，在工程運行過程中，最容易受損或出現問題的是逆止閥與土工膜的連接處，這是一個薄弱環節。因此，從設計到施工，土工膜與逆止閥的連接是一個主要技術難點和關鍵點，為了更好的保證整個水庫防滲體系的安全可靠行，必須確保土工膜與逆止閥連接可靠、防滲止水完好。

(3)全庫盤鋪膜施工及質量控制問題。平原水庫土工膜防滲施工及檢測技術國內尚無指導具體工作的相關規定，且調蓄水庫大面積防滲施工中缺乏材料使用和施工質量檢測方面的統一標準。

3 采取措施

3.1 膜下氣場

大屯水庫水平鋪膜防滲面積達501萬m2，是目前國內全庫盤水平鋪膜防滲最大的，為了保證鋪膜質量，針對膜下氣場問題，開展了現場試驗及理論研究。現場試驗先后進行了3個階段試驗，進行了不同庫水位條件下，地下水位快速上升工況下的試驗模擬，對膜下氣場問題發生機理及相關規律進行了研究[8]。

試驗結果及采取措施：在庫底鋪設土工膜，水庫蓄水后，水滲入土工模底部的土層中，將土孔隙的空氣置換出來，氣體對土工膜頂托，如果沒有排氣或壓重措施，則土工膜將被頂破。水庫蓄水后，庫水位降落，而土工膜下的滲水不能很快排出，則滲透水壓將對土工膜頂托一致頂破或漂浮。因此需采取可靠的工程措施。

大屯水庫土工膜鋪設具有鋪設面積大，地下水埋藏較淺的特點，針對該特點采用了排水排氣盲溝、逆止閥及壓重組合措施。

(1)排水排氣系統：在土工膜底部設置排水排氣盲溝，間距按照75m布設，尺寸為30cm×30cm。

(2)逆止閥，在盲溝交點位置，設逆止閥排氣排水，間距為150m。

(3)膜上壓重，為了防御風浪淘刷、冰凍損壞以及氣體滲水頂托破壞等，復合土工膜上部需設置保護層，根據大屯水庫工程實際情況，保護層選用填土壓重；填土壓重厚度主要受地下水水位變化、膜下氣體壓力、風浪、施工機械等因素控制，大屯水庫地下水位埋深1.10～1.60m，庫內筑壩取土深約為2.0m，復合土工膜下水頭0.9～0.4m，本著經濟合理、就地取材的原則，膜上填土壓重土料從庫內取土，復合土工膜鋪設深度、同時承擔的水頭也隨之加大，綜合考慮以上因素，確定膜上填土壓重的厚度為1.0m。

庫區膜下排水排氣設計、現場試驗成果等理論和實踐經驗的長期積累，使大屯水庫氣脹機理方面的研究處于國際領先地位，以氣脹機理研究為基礎的膜下排水排氣系統設計、施工方法方面的研究具備良好的理論與實踐基礎。可為現有平原水庫防滲設計提供借鑒。

3.2 逆止閥與土工膜連接質量及檢測

3.2.1采用法蘭螺栓連接方式

針對關鍵性技術難題逆止閥與土工膜連接質量控制和檢驗，開展了試驗研究。針對原設計逆止閥與土工膜連接的膠接法不可靠的情況，通過考察調研，并對多種方案進行現場、實驗室試驗對比，通過優選確定了土工膜與逆止閥法蘭螺栓連接方式，并進行了試驗檢驗。試驗結果如圖1所示。

圖1 土工膜與逆止閥連接不同情況下拉伸試驗過程與受力情況變化圖

通過對法蘭盤與土工膜的連接咬合力采用拉伸儀器進行拉伸試驗檢測，土工膜穿過螺栓情況下，拉力峰值27MPa>0.2MPa；土工膜不穿過螺栓情況下，峰值25MPa>0.2MPa，土工膜力學破壞出現在逆止閥連接邊緣。且逆止閥連接部分內部的土工膜均未發生破壞，沒有產生變形和位移，強度能夠滿足規范要求。

3.2.2研制了逆止閥與土工膜連接質量檢測的便攜式檢測設備

為了對逆止閥與土工膜連接部位密封性能進行檢測，研制了便攜式檢測設備[9]，如圖2所示。該設備是結合法蘭螺栓連接情況，專門研究定制的，可現場檢測逆止閥連接部位的密封性，填補了非規則連接部位現場檢測的空白，方法簡便、實用，保證了土工膜與逆止閥連接的質量，確保了防滲效果，具有很好的推廣應用價值。

圖2 逆止閥土工膜連接質量便攜式檢測設備

該設備手動進水加壓裝置與密閉筒相連，通過手動進水加壓裝置向密閉筒內加水的方式增加密閉筒內的壓強，使其達到設計水位水深及以上的壓強。通過實驗室、現場試驗土工膜與逆止閥連接部位在設計要求10m水深(壓強0.1MPa)及20m水深(壓強0.2MPa)情況下，加壓穩定后持續5min，土工膜與逆止閥連接處及逆止閥與法蘭盤連接處兩薄弱部位，均未發生滲漏，滿足相關規范要求。

3.3 全庫盤鋪膜施工及質量控制

針對平原水庫土工膜防滲施工及檢測技術國內尚無統一的指導文件，缺乏統一的監測標準等問題，對全庫盤鋪膜施工及質量檢測開展相關研究。

確定了全庫盤鋪膜施工工序：主要材料的采購與管理→施工準備→排水排氣系統施工→土工膜攤鋪→土工布連接→土工膜焊接→土工膜與建筑物等特殊部位連接→逆止閥施工→上保護層施工→土工膜鋪設驗收。明確細化了每一施工工序的相關規定、施工要求、質量控制與檢驗、質量評定等相關流程。如：主要材料的采購與管理主要從原材料的選擇，駐廠監造等方面進行質量控制，有效的保障了原材料的質量；施工準備主要從基面準備、場地條件、現場試驗、相關規章制度保障等方面進行了規定，為鋪膜施工做好充分準備，保障鋪膜施工順利進行；土工膜鋪設、焊接施工是全庫盤鋪膜防滲的關鍵環節，該環節主要對土工膜不同焊接方法、設備、質量檢測方法等進行了詳細的研究，通過試驗確定適合當地氣候的焊接參數，并形成了一套完整的、用于指導土工膜焊接施工的指導文件，保證了土工膜浦和及焊接的質量等。

通過研究最終形成一套完整的用于指導全庫盤鋪膜施工的技術體系，規范和指導了大屯水庫全庫盤鋪膜的施工管理，對推進大屯水庫全庫盤鋪膜防滲施工建設、保證工程施工質量，起到了很好的指導作用。

4 結語

通過研究，很好地解決了平原水庫全庫盤鋪膜在設計、施工中存在的關鍵技術問題，形成了一套完整的平原水庫全庫盤鋪膜技術體系。研究成果已經成功地應用到南水北調東線大屯水庫土工膜防滲施工中，不僅保證了大屯水庫的工程質量，而且大大推進了鋪膜施工進度。2014—2017年，經后期蓄水運行庫內水位監測結果顯示，在設計蓄水位時，年平均滲漏量約為322萬m3，遠小于設計值714萬m3，防滲效果良好。該研究成果對南水北調沿線平原水庫以及其他類似的鋪膜防滲工程具有重要的技術指導意義和借鑒作用，具有很好的推廣應用前景。研究成果提高了我國平原水庫全庫盤鋪膜建設的理論和技術水平。