所梅樂水庫防滲方案設計

高文強，鄧 燕

（中水北方勘測設計研究有限責任公司）

1 巖溶地區水庫防滲技術現狀

針對巖溶地區水庫滲漏問題，根據不同的地質和地形情況，采用不同的方法進行防滲處理，巖溶地區水庫綜合防滲方法概括起來就是避、堵、隔、圍、鋪、截、導（排）、觀八種。一般在壩址區多采用堵、鋪、截、導（排）的方法，在水庫庫區多采用堵、隔、圍的方法。具體方法包括鋪蓋法、堵塞法、圍井法、帷幕灌漿等。

2 水庫防滲設計

2.1 水庫概況

所梅樂水庫是南盤江左岸一級支流足馬河流域的一座注入式小（1）型水庫，總庫容231.76 萬m3，壩址位于所梅樂村旁天然溶蝕盆地。所梅樂水庫主要建筑物由粘土斜墻風化料壩、導流泄洪輸水隧洞及庫區防滲工程組成。壩頂寬5.00 m，長238.70 m，最大壩高40.60 m。

2.2 庫區巖溶發育及特征

所梅樂水庫庫區、壩區大部被第四系殘坡積土層覆蓋，左岸有大面積泥質粉砂巖、砂巖分布；右岸及河床部位以白云質灰巖為主，鉆揭露白云質灰巖中含有泥質粉砂巖、砂巖夾層。地表岀露白云質灰巖及鉆孔揭露白云質灰巖巖芯有溶蝕現象，主要以小型溶孔、溶隙、溶槽為主，溶蝕率3.80%～20.00%。鉆孔鉆進過程中，未見掉鉆、卡鉆等現象，未揭露有溶洞發育。

3 巖溶處理設計

3.1 防滲方案選擇

根據地勘資料，所梅樂水庫主要以溶隙滲漏為主，采用水平防滲方案和垂直防滲兩種方案進行比較。

3.1.1 水平防滲

3.1.1.1 粘土鋪蓋防滲材料

粘土鋪蓋防滲屬于傳統的防滲方法，鋪蓋的厚度視壓實后粘土滲透系數和允許水力坡降而定，對于天然土料，《水利水電巖溶工程地質》給出的建議值為人工壓實后，其厚度一般相當水庫水頭的1/10～1/15。所梅樂水庫粘土鋪蓋厚度庫盆按3.00 m 設計，庫岸防滲厚度由3.00 m 漸變到1.50 m，土料壓實度不低于0.95。斜坡段采用預制混凝土護坡，厚度12.00 cm。

根據《碾壓式土石壩設計規范》要求，該方案需要滲透系數＜1.00×10-5cm/s 的土料。對于有優質粘性土的地區具有投資省、施工方便的特點，并且有利于生態交換，相對于土工膜鋪蓋，不需要設置復雜的排水排氣系統；缺點是土方工程量大，鋪蓋厚度按3.00 m計算，需要土方63.00萬m3。由于需要粘土土料較多，并且防滲的粘土必須有較小的滲透系數，需尋找專門的土料場，土料場距離工程區6.00 km，需要征地，粘土開挖后場地恢復工作量大；征地工作協調難度較大，填筑壓實要求較高，施工過程中，采用分層碾壓，控制最大干容量和最優含水量，工期較長，防滲體易出現裂縫和邊界連接易滲漏等缺點，考慮到本工程水源為遠距離引水，年允許漏失水量僅為22.10萬m3，對工程不太適合。

3.1.1.2 混凝土面板防滲材料

采用混凝土面板防滲，厚度按照水頭的1/70計算，混凝土板厚度庫底厚50.00 cm，岸坡混凝土厚度由50.00 cm自下而上變為30.00 cm，單塊面板尺寸5.00 m×5.00 m，為提高面板對基礎不均勻沉降的適應性，在庫岸變坡、與大壩和隧洞相接處等應力應變集中區，適當減少分縫尺寸。混凝土防滲鋪蓋的主要缺點是澆筑混凝土板易產生裂縫，混凝土板容易因不均勻沉降而產生裂縫，并且板間分縫較多，存在滲漏通道，一旦產生漏水現象，很難處理，且混凝土澆筑量大，澆筑混凝土時需支設模板，表層需配置防裂鋼筋，施工速度較慢，養護復雜，工期較長，該方案工程投資6 558.00萬元。

3.1.1.3 復合土工材料

防滲鋪蓋材料主要有復合土工膜和天然鈉基膨潤土防滲毯兩種。復合土工膜根據無紡土工布的層數分為一布一膜和兩布一膜，土工膜抗拉、抗滲、抗撕裂、頂破（CBR）等物理力學性能指標高。天然鈉基膨潤土防水毯又名GCL，其防滲性能優于壓實黏土而低于土工膜，吸附和生態性能優于土工膜，低于粘土。在防滲要求較高或者地形、地質條件復雜的場地，GCL不能替代土工膜。如采用單一復合土工膜防滲，復合土工膜之間采用焊接，土工材料本身及焊縫不可避免的存在質量缺陷問題，會產生滲漏現象；膨潤土防水毯具有自愈功能，適用于地基變形較大和存在蘆葦等植物可能對防滲層造成破壞以及對防滲要求不高的場所，防滲投資比復合土工膜要高。由于本工程地質條件復雜，采用單一防滲措施防滲效果無法保證。工程實踐已經證明，土工膜常因制造和施工因素造成缺陷（漏水的孔洞或縫）成為滲漏的主要通道，若在此種土工膜下增加一個滲透性較小的土層，則可大大減少滲漏量。因此，只使用優質的土工膜來達到優異的防滲效果在現實中是行不通的，GCL作為次防滲層在整個防滲系統中發揮重要作用。

3.1.1.4 復合土工材料防滲材料

復合土工材料防滲鋪蓋的缺點是復合土工材料下需要設置復雜的排水排氣設施，對施工質量要求高。從水平防滲材料來說，本工程推薦天然鈉基膨潤土（GCL）防水毯+HDPE 土工膜。該方案工程投資5 036.00萬元。

3.1.2 垂直防滲

所梅樂水庫地層以細小裂隙為主，垂直防滲沿庫區周邊和壩基進行帷幕灌漿，其中庫區帷幕灌漿線平面布置沿等高線1 992.00 m 布置，單排孔，孔距1.50 m，分三序孔施工，防滲平面總長度2 105.00 m。庫區帷幕鉆孔最大深度90.23 m，最小深度16.43 m，平均深度55.38 m，總鉆孔長度77 718.00 m；灌漿深度按深入5Lu 線5.00 m 控制。壩基帷幕防滲灌漿線沿壩軸線布置，與庫區帷幕灌漿連接。工程總投資5 278.00萬元。

3.1.3 優缺點比選

相對于水平防滲方案，帷幕灌漿的優點主要有：不會產生地下水及地下巖溶管道氣體對鋪蓋的頂托刺破現象而造成防滲失效現象。不必對庫區內外巖溶管道進出口作封堵或反濾設計，不必對庫區內淤泥（不良地基土）作換填或挖除等方式處理，不必對庫區覆蓋層進行開挖，減少開挖土石方量。

相對于鋪蓋方案，帷幕方案的缺點主要有：會改變工程區地下水現狀運移規律，防滲深度大。需準確查明滲漏斷面及漏水通道的邊界條件，帷幕灌漿孔較深，特別是巖溶管道和溶隙深層發育時，注漿量大且工程量不易控制。防滲帷幕體因被沖蝕、淋濾或管涌而出現局部破壞或老化，從而導致滲漏量的增加，因此在水庫運行若干年后，要進行防滲處理補強。

3.1.4 防滲方案選擇

所梅樂水庫水平防滲和垂直防滲兩種方案工程投資相差不多，施工工期、工程占地相近，兩方案均存在一定風險，所梅樂水庫庫盆滲漏幾乎是發生在整個庫盆區，滲漏位置通道呈面狀分布，完全調查清楚難度很大，若采取水平防滲，鋪蓋面積17.35萬m2，盡管該方案設置了完善的排水排氣系統，仍存在鋪蓋局部被擊穿的風險和地下巖溶管道氣體對鋪蓋的頂托現象而造成水庫滲漏，增加運行管理風險。如果采取垂直防滲處理措施，由于巖溶地質條件的復雜性，鉆探資料很難查清所有的溶洞大小、位置、深度等參數，會造成后期工程量變化大，存在較多的設計變更，對控制工程投資不利。結合現有地勘資料與垂直防滲相比，水平防滲風險相對較小，因此推薦膨潤土防水毯+土工膜復合防滲防滲鋪蓋。

3.2 防滲方案設計

庫盆經整平并清除較大粒徑后鋪設4 000.00 g/m2GCL 防水毯作為次防滲層，為方便施工過程中監測HDPE 膜是否破損，主防滲層采用膜布分離方式，即先鋪設0.80 mm 厚HDPE膜，然后再在膜上鋪設300.00 g/m2無紡布保護層，最后覆蓋60 cm厚風化料護面；對于邊坡，經修整后，鋪設20.00 cm厚砂石混合墊層，然后鋪設4 000.00 g/m2GCL防水毯次防滲層，防水毯上上鋪設一布一膜，規格型號為0.80 mm厚HDPE膜和300.00 g/m2，土工布和膜采用弱連接；為保證邊坡上主防滲層膜穩定，選用加糙膜；一布一膜上鋪設0.30 m厚砂、碎石混合墊層上墊層，上墊層上采用12.00 cm厚C15混凝土護面，庫區防滲體系與原壩坡粘土斜墻及岸坡連接，庫尾與庫底防滲相連。所梅樂水庫土工膜膜下設排水排氣系統，排氣系統由排水管道、次排水盲溝和順坡排水排氣盲溝組成。膜下水通過膜下礫石墊層排到順坡排水排氣盲溝和次排水盲溝，再由順坡排水排氣盲溝和次排水盲溝排到排水管道，最終由排水管道排到排水輸水隧洞。膜下產生的氣體通過膜下礫石墊層排到順坡排水排氣盲溝，再由順坡排水排氣盲溝頂部的排氣管排出外部。

4 結語

所梅樂水庫巖溶發育范圍在庫區普遍存在，并且庫盆不大，通過方案比選，對庫區防滲采用GCL+土工膜復合防滲是較優方案，但施工時仍需要保證施工質量，如嚴格控制土料質量及壓實度標準、保證膨潤土防水毯和土工膜材料的質量、施工時避免對防滲層造成破壞、對于土工復合材料的搭接應嚴格控制，防止產生施工和制造質量缺陷等，才能達到防滲處理效果。

對于溶洞和溶隙發育的地質條件下水庫的防滲設計，一直是水利工程中的熱點和難點問題，國內處理類似工程經驗不多。所梅樂水庫作為灌區水源工程，水庫蓄水前應制定詳細的蓄水方案，初次蓄水時，建議水位上升高度 2.00 m/d，同時應密切監測水庫周邊水量滲漏情況。