莘州水庫壩基防滲方案比選

王懷國

(聊城市水利局，山東 聊城 252000)

1 莘州水庫工程概況

莘州水庫是南水北調東線一期工程魯北段莘縣續建配套工程的重要組成部分，水庫圍壩為平原碾壓式土壩，水庫工程包括圍壩、穿壩涵洞、出庫泵站及安全泄水洞等。

水庫位于山東省莘縣南外環路以南、范莘干溝以西、劉莊和十里塢以北、范莊和雙廟村以東。水庫工程平面布置大致成矩形，占地面積2100畝。

莘州水庫總庫容787.60萬m3，設計水位39.80m；水庫死庫容140.70萬m3，死水位33.50m；設計庫底高程32.00m，設計蓄水深7.80m，其中地面以下6m，地面以上1.80m。圍壩迎、背水面壩坡坡比均為1∶2.75。壩頂高程41.00m，壩頂設防浪墻。

2 工程水文氣象

區域內多年平均年降水量557.9mm，多年平均年蒸發量1218mm。多年平均氣溫為13.2℃，極端最高氣溫41.7℃。年平均風速3.2m/s，冬季多偏北風，其他季節多偏南風。

3 工程地質

3.1 水文地質特性

庫區屬魯西黃河沖積平原分布區，該處水資源相對貧乏，地下水埋深平均約5.0m，地下水位平均標高33.05m。場區地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于砂壤土及粉細砂土層中。

3.2 庫區土層分布

庫區位于黃河沖積平原上，地形起伏不大，地勢低平，地面高程38.00m左右，地下水徑流滯緩。在勘探深度內，自上而下分述如下：

3.3 土層的滲透系數

壩體及壩基各層土的滲透系數見表1。

表1 壩體及壩基土層滲透系數一覽表

4 壩體防滲型式

為節約投資和便于施工，根據平原水庫經驗做法，本工程圍壩壩體防滲型式為復合土工膜防滲體壩。

5 壩基天然狀態下滲流計算

5.1 壩基相對隔水層分析

根據壩基土層分布，①、③、④、⑥層砂壤土，②層粉砂、⑦層細砂均具中—強透水性；⑤、⑧層黏土具中等透水性。

相對隔水層必須滿足三個條件，一是滲透性小，具弱-微透水性，其滲透系數小于上覆土層滲透系數的1/100；二是厚度較大，否則越流補給量過大，造成滲漏；三是必須連續分布，不能出現滲漏“天窗”。

第⑤層土(黏土)為庫區隔水性相對較好的土層，但裂隙較為發育，滲透系數較大。綜合分析認為，庫區揭露土層透水性均較強，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。

5.2 天然狀態下滲流計算

在天然狀態、壩基不采取任何截滲措施情況下進行滲流計算及滲透穩定分析。根據土層巖性，選取圍壩樁號0+900、1+900、3+400斷面為典型計算斷面，采用河海大學autobank軟件進行計算。

5.2.1計算水位

庫內設計蓄水位39.80m，壩后截滲溝水位36.50m。

5.2.2滲漏量計算

(1)水庫典型斷面等勢線及浸潤線如圖1—圖3所示。

圖1 天然狀態水庫0+900斷面設計水位等勢線及浸潤線圖

圖2 天然狀態水庫1+900斷面設計水位等勢線及浸潤線圖

圖3 天然狀態水庫3+400斷面設計水位等勢線及浸潤線圖

(2)水庫天然狀態滲漏量及出逸比降計算結果見表2。

5.3 天然狀態下滲流結果分析

由以上圖表分析可知，水庫壩基不采取截滲措施情況下，運行穩定期設計蓄水位情況下平均年滲漏量253.01萬m3，占調蓄庫容的39.10%，滲漏嚴重，需采取可靠的防滲方案。

表2 水庫天然狀態滲漏量及出逸比降表

6 水庫壩基防滲方案比選

平原水庫壩基防滲一般有兩種方式：一是垂直防滲，二是水平防滲。

6.1 垂直防滲方案

6.1.1垂直防滲型式選擇

壩基無相對不透水層，垂直防滲為懸掛式防滲方式。垂直防滲的具體方法較多，主要有垂直鋪塑、深層攪拌樁、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、振動切槽防滲板墻等。按防滲體形成原理不同，可分為防滲材料置換式和介入式。置換式是指利用防滲材料代替原狀地基材料，如薄混凝土防滲墻、垂直鋪塑等，一般需采取機械成槽后，再施工防滲體。因此，對槽孔穩定性要求較高，墻底易出現落淤，影響墻體與相對不透水層的銜接可靠性。介入式是指采用防滲材料對原狀地基直接改良使之具備防滲功能，如高噴板墻、深層攪拌樁等。

結合國內類似工程經驗，并根據本工程實際情況，垂直防滲選取薄混凝土防滲墻方案參與防滲方案比選。混凝土防滲墻成墻完整連續，質量有保證，其滲透系數小，防滲效果較好，有豐富成熟的施工經驗，缺點是需要優質泥漿固壁，遇流砂需加強施工管理。

防滲墻采用塑性混凝土，墻體厚度選用30cm。防滲墻混凝土滲透系數不大于5.0E-7cm/s，抗壓強度不小于3.0MPa，彈性模量不大于1000MPa。

垂直防滲墻軸線設在壩內距壩腳3.0m處，防滲墻頂高程37.00m，平均深度13.00m。壩坡迎水面設復合土工膜防滲，壩坡復合土工膜與壩基垂直防滲墻頂部錨固。

6.1.2垂直防滲滲流計算

(1)滲流計算參數

水庫大壩壩體及壩基各層土料滲透系數見表1，復合土工膜滲透系數K=5.00E-10cm/s，混凝土防滲墻滲透系數K=5.00E-07cm/s。

(2)計算水位組合

庫內設計蓄水位39.80m，壩后截滲溝水位36.50m。

(3)各典型斷面等勢線及浸潤線如圖4—圖6所示。

圖4 水庫0+900斷面垂直防滲方案等勢線及浸潤線圖

圖5 水庫1+900斷面垂直防滲方案等勢線及浸潤線圖

圖6 水庫3+400斷面垂直防滲方案等勢線及浸潤線圖

(4)水庫垂直防滲方案滲漏計算成果見表3。

6.2 水平防滲方案

6.2.1水平防滲型式選擇

水平鋪塑防滲方案，適用于新建水庫壩基相對不透水層較深或無相對不透水層的情況。為減少水庫滲漏損失水量，水平防滲方案擬采用庫盤全鋪塑方案參與水庫防滲方案比選。庫盤鋪塑方案的優點是滲漏損失小，缺點是工程投資較大，鋪膜施工時需降低地下水水位，施工難度較大，解決蓄水運行初期的排氣排水問題比較關鍵。

表3 水庫垂直防滲方案滲漏量成果表

初擬庫盤水平鋪塑采用復合土工膜(兩布一膜，PE膜厚0.5mm，土工布為長絲紡粘針刺非織造土工布，上層為200g/m2，下層為300g/m2)，復合土工膜覆土壓重厚度0.8m，膜下設排水排氣盲溝和逆止式排水排氣閥。

6.2.2水平防滲滲流量計算

(1)滲流計算參數

水庫大壩壩體及壩基各層土料滲透系數見表1，復合土工膜滲透系數K=5.00E-10cm/s。

(2)計算水位組合

庫內設計蓄水位39.80m，壩后截滲溝水位36.50m。

(3)水平防滲后等勢線及浸潤線圖如圖7—圖9所示。

圖7 水庫庫盤鋪塑后0+900斷面等勢線及浸潤線圖

圖8 水庫庫盤鋪塑后1+900斷面等勢線及浸潤線圖

圖9 水庫庫盤鋪塑后3+400斷面等勢線及浸潤線圖

(4)水庫水平鋪塑方案滲漏計算成果見表4。

6.3 兩種防滲方案效果分析

由以上表中數據分析可知，水庫分別采用垂直防滲墻和水平鋪塑方案，設計蓄水位情況下年滲漏量分別為145.42萬m3和43.54萬m3，占調蓄庫容的比例分別為22.48%和6.73%。相對于垂直防滲，水平鋪塑方案防滲效果更明顯。

7 兩種防滲方案投資比較

采用水利工程概算定額，對兩個方案進行投資比較。垂直防滲墻方案概算投資2275萬元，水平鋪塑方案概算投資3231萬元，兩種方案工程投資情況詳見表5、表6。

8 方案比選結論

根據滲流計算結果可以看出，混凝土垂直防滲墻方案滲漏量較大，防滲效果較差，水庫運行穩定期設計蓄水位情況下比庫盤鋪塑方案滲漏量每年增加101.88萬m3。經過概算投資比較，水平庫盤鋪塑方案較混凝土垂直防滲墻方案投資增加約1000萬元。

根據項目初步設計階段的經濟評價和水價分析，水庫綜合供水單價為3.6元/m3，庫盤鋪塑方案比垂直防滲墻方案一年的滲漏水量少101.88萬m3，相當于每年少損失367萬元，相對于施工期增加的1000萬元固定投資來說，經濟效益明顯。綜合以上經濟技術比較，設計推薦采用水平防滲即庫盤鋪塑防滲方案。

壩基防滲方案選擇是水庫設計中的重要環節，直接關系到水庫功能的正常發揮。在壩基無相對隔水層的情況下，更應慎重對待，應在滲漏量、工程投資以及施工難易程度等諸多方面進行比較、分析。莘州水庫壩基采用水平庫盤鋪塑防滲方案，水庫蓄水后經過2年多的滲流觀測，防滲效果良好，達到了設計要求。但水平庫盤鋪塑方案，在施工期應注意加強施工管理，降低地下水，同時須妥善解決蓄水初期的膜下排水排氣問題，并且有待進一步研究降低投資的可能性。

表4 水庫水平鋪塑方案滲漏量成果表

表5 垂直防滲墻方案概算投資表

表6 水平鋪塑方案概算投資表