大紅泉水庫壩體土工膜防滲層方案比選與滲漏計(jì)算

劉英杰，韓秀娟，厙永慧，劉艷霞

(1.酒泉市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，甘肅 酒泉 735000；2.酒泉市三木工程設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 酒泉 735000；3.酒泉市水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理站，甘肅 酒泉 735000)

1 概述

隨著甘肅河西地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對區(qū)域水資源優(yōu)化配置的需要，近年來該地區(qū)陸續(xù)興建了數(shù)座水源調(diào)蓄工程，其中酒泉市循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)水源調(diào)蓄工程大紅泉水庫作為玉門市近年來投資規(guī)模最大、供水最集中、帶動性最強(qiáng)、產(chǎn)生效益最高的水利綜合性樞紐項(xiàng)目，不僅解決了酒泉市循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)現(xiàn)有企事業(yè)單位的用水問題，也保證了玉門市工業(yè)經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。大紅泉水庫位于甘肅省玉門市老市區(qū)境內(nèi)，工程設(shè)計(jì)年引水量881.45萬m3，年供水量695萬m3，總庫容為350萬m3，其中調(diào)蓄庫容340萬m3，死庫容10萬m3，是一座以工業(yè)供水為主的小(1)型水庫。

大紅泉水庫坐落于甘肅河西走廊山前洪積扇地段，該地段屬砂礫石覆蓋層厚度極大、滲透性強(qiáng)烈的垂直滲漏區(qū)，在此修建水庫如不采取可靠的防滲措施勢必會出現(xiàn)水庫庫區(qū)或壩基滲漏等問題，從而導(dǎo)致水資源浪費(fèi)和水庫不能充分發(fā)揮效益，綜合考慮到上述原因，在設(shè)計(jì)階段決定對大紅泉水庫進(jìn)行全庫盤復(fù)合土工膜防滲。本文主要以大紅泉水庫為例，通過計(jì)算不同類型土工膜防滲層的滲漏量來合理確定全庫盤防滲水庫防滲層方案，以期為本地區(qū)同類型全庫盤土工膜防滲水庫防滲層選擇提供較為實(shí)用的參考價(jià)值。

2 壩體土工膜防滲層方案比選

2.1 土工膜防滲層比選方案簡介

眾多土工膜試驗(yàn)與工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)沿用達(dá)西定律時(shí)，滿足不透水要求的土工膜滲透系數(shù)一般要達(dá)到10-13～10-15m/s之間。在工程實(shí)際中，常認(rèn)為滲透系數(shù)k<10-10m/s的黏土為不透水防滲材料，由此也可以推斷土工膜亦為不透水防滲材料。但是實(shí)際上工程中常用的防滲土工膜厚度遠(yuǎn)小于黏土防滲體，因而在相同水頭差作用下土工膜的水力梯度遠(yuǎn)大于黏土防滲體，土工膜的不透水性其實(shí)是相對的。同時(shí)，在土工膜施工過程中或多或少會產(chǎn)生各種類型的土工膜缺陷，如土工膜接縫焊接時(shí)局部粘結(jié)不實(shí)產(chǎn)生的具有一定長度的窄縫缺陷，又如施工機(jī)械和工具造成的土工膜刺破現(xiàn)象。因此本文認(rèn)為，在全庫盤土工膜防滲水庫防滲層選擇時(shí)，應(yīng)著重以不同類型土工膜防滲層的滲透性產(chǎn)生的滲漏量和施工中產(chǎn)生的缺陷滲漏量為依據(jù)，確定土工膜防滲層方案。常用全庫盤防滲水庫土工膜防滲層一般包括單層土工膜防滲層和在土工膜下鋪設(shè)一層低滲透性土層的土工膜復(fù)合防滲層，本工程即采用這2種土工膜防滲層方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，以確定合理的土工膜防滲層方案。

根據(jù)大紅泉水庫設(shè)計(jì)方案，方案一為單層土工膜防滲層方案，該方案防滲層順?biāo)鳚B透方向依次為：100mm厚C25F300W4預(yù)制砼護(hù)坡、300mm厚砂礫石墊層(粒徑5～50mm)、100mm上部細(xì)砂保護(hù)層、300g/0.4mm/300g二布一膜復(fù)合土工膜、100mm下部細(xì)砂保護(hù)層、夯填砂礫石壩體(Dr≥0.80)，如圖1所示。方案二為土工膜復(fù)合防滲層，該方案防滲層順?biāo)鳚B透方向依次為：100mm厚C25F300W4預(yù)制砼護(hù)坡、300mm厚砂礫石墊層(粒徑5～50mm)、100mm厚上部細(xì)砂保護(hù)層、300g/0.4mm/300g二布一膜復(fù)合土工膜、300mm厚粘土防滲層、夯填砂礫石壩體(Dr≥0.80)，如圖2所示。

圖1 單層土工膜防滲層方案(方案一)

圖2 土工膜復(fù)合防滲層(方案二)

2.2 土工膜滲漏水量計(jì)算

在土工膜的滲漏水量時(shí)可以沿用土體孔隙介質(zhì)滲流理論，即按以下進(jìn)行計(jì)算。土工膜的滲漏水量也可以把厚度為的土工膜按滲透/kg轉(zhuǎn)化成為厚度為Te、滲透系數(shù)為ke(膜后均質(zhì)土壩的滲透系數(shù))的均質(zhì)土壩計(jì)算確定其滲漏量。

(1)

式中，Q—土工膜的滲漏水量，m3/s;kg—土工膜的滲透系數(shù)，本次計(jì)算取為1.0×10-13m/s;Hw—土工膜上、下的水頭差，本次計(jì)算取為10.0m;A—土工膜的滲透面積，本次計(jì)算取為425200m2；ts—土工膜的厚度，本次計(jì)算取為0.4mm。

通過計(jì)算，全庫由土工膜的滲透引起防滲層的滲漏水量方案一和方案二均為91.84m3/d。

2.3 土工膜缺陷滲漏水量計(jì)算

2.3.1方案一缺陷滲漏水量計(jì)算

由于施工中產(chǎn)生的缺陷存在較大偶然性，因此只能依靠國內(nèi)外類似工程滲漏水量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，施工所產(chǎn)生的土工膜缺陷，約每4000m2發(fā)現(xiàn)一個(gè)。其中接縫不實(shí)等形式形成的缺陷，可以換算成圓孔等效孔徑一般為1～5mm，某些偶然因素產(chǎn)生的缺陷等效孔徑可以換算為10mm，因此孔的大小與施工條件密切相關(guān)。當(dāng)施工條件較差時(shí)，可取缺陷的等效孔徑為10mm(或稱大孔)；施工條件較好時(shí)，可取缺陷等效孔徑為2～5mm(或稱小孔)。

當(dāng)土工膜膜下土層的滲透系數(shù)>10-3m/s時(shí)，可以假設(shè)為無限透水，通過土工膜破損孔洞的滲漏量可用孔口自由出流公式計(jì)算。當(dāng)按每4000m2出現(xiàn)一處缺陷考慮時(shí)，425200m2土工膜內(nèi)將可能存在約100處施工缺陷，計(jì)算時(shí)按照缺陷為小孔和大孔分別計(jì)算。當(dāng)缺陷為小孔時(shí)，取等效孔徑d=2mm；當(dāng)缺陷為大孔時(shí)取，等效孔徑d=10mm。

(2)

式中，Q—缺陷滲漏量，m3/s；A—缺陷孔的面積總和，當(dāng)缺陷為小孔時(shí)取為0.0003m2，當(dāng)缺陷為大孔時(shí)取為0.008m2；g—重力加速度，取9.81m/s2；Hw—土工膜上、下水頭差，取為10m，μ—流量系數(shù)，一般可按μ=0.60～0.70，本次計(jì)算取0.60。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)施工條件較好即缺陷為小孔時(shí)，單層土工膜防滲層缺陷滲漏水量為218m3/d；當(dāng)施工條件較差即缺陷為大孔時(shí)，單層土工膜防滲層缺陷滲漏水量為5809m3/d。

2.3.2方案二缺陷滲漏水量計(jì)算

復(fù)合防滲層是由土工膜和膜下滲透系數(shù)<1×10-5m/s～1×10-9m/s的低滲透性土組合而成。根據(jù)膜下土層的相對厚度和膜與膜下土層接觸是否良好，可按下列公式計(jì)算復(fù)合防滲層單個(gè)孔洞的缺陷滲漏量。

(1)對于土工膜與膜下土層接觸良好的工況，土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(2)對于土工膜與膜下土層接觸較差的工況，土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(3)對于圓形孔洞缺陷，平均水力坡降可按下式計(jì)算：

(7)

式中，Ja—平均水力坡降;R—土工膜缺陷孔下土層內(nèi)滲透區(qū)的半徑，m;a—土工膜缺陷等效孔的面積，m2;r1—土工膜缺陷等效圓孔的半徑，m;Hw—作用在土工膜上的水頭，取10.0m;Hs—土工膜下低滲透性土層厚度，取0.5m;ks—土工膜下低滲透性土的滲透系數(shù)，取1×10-8m/s。

根據(jù)以上公式計(jì)算土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量，結(jié)果見表1。

表1 土工膜復(fù)合防滲層缺陷滲漏水量計(jì)算成果表

2.4 土工膜防滲層比選結(jié)論

將方案一和方案二的滲漏量計(jì)算結(jié)果匯總于表2。從表2可以看出，質(zhì)量較差的單層土工膜防滲層的滲漏水量高達(dá)5900.84m3/d，施工質(zhì)量較好的為309.84m3/d。而土工膜復(fù)合防滲層的滲漏水量則分別為176.24～108.34m3/d和153.72～103.95m3/d。由此可見，單層土工膜防滲層的缺陷滲漏量受缺陷尺寸大小的影響十分明顯，因此采用土工膜復(fù)核防滲層方案要明顯優(yōu)于單層土工膜防滲層方案。

3 結(jié)語

(1)水庫單層土工膜防滲層的缺陷滲漏量受缺陷大小的影響相當(dāng)明顯，而對于土工膜復(fù)合防滲層的影響則相對較小。因此從減小水庫土工膜防滲層滲漏量的角度出發(fā)，采用土工膜復(fù)合防滲層的防滲效果要明顯優(yōu)于單層土工膜防滲層。

表2 滲漏量計(jì)算結(jié)果比較

(2)隨著土工膜膜上水頭的增加，缺陷滲漏量也會相應(yīng)增大，二者基本呈線性關(guān)系。但是對于土工膜復(fù)合防滲層來說，缺陷滲漏量受低滲透性土層厚度的影響較小，這就表明土工膜下部低滲透性土層無需太厚，但是缺陷滲漏量受低滲透性土的滲透系數(shù)影響較大，因此在選擇膜下低滲透性土層時(shí)可選用厚度較薄、滲透系數(shù)較低的防滲土料。

(3)土工膜與下部土層的接觸情況、土工膜缺陷的大小、數(shù)量均受施工水平、施工質(zhì)量等因素的影響，因此精心施工是保證土工膜發(fā)揮良好防滲作用的重要基礎(chǔ)與保障。