平原水庫防滲土工膜氣脹問題探討

何興民，張榮慶，劉建營

（聊城市茌平區水利局，山東 聊城 252100）

1 工程概況

南水北調東線一期工程茌平縣續建配套工程（東邢水庫工程）位于聊城市茌平區西部，賈寨鎮東南、馬頰河右側。該工程建設的主要任務為：調蓄南水北調東線水量，向茌平區城區居民及工業供水，解決引水時空分配矛盾，提高各用水戶的用水保證率。

水庫特性指標見表1。

表1 東邢水庫主要技術指標表

東邢水庫圍壩為土工膜防滲體斜墻壩，壩頂設有M10漿砌石防浪墻，墻頂高程35.4 m。圍壩軸線總長5.126 km，壩頂高程34.3 m，庫底高程24.0 m，水庫平均挖深6.3 m，地面以上圍壩平均高度4.0 m。圍壩上、下游壩坡坡度均為1∶3；壩頂寬6.0 m；上游護坡采用預制混凝土板護坡，下游坡采用草皮護坡形式。水庫防滲采用全庫底鋪設土工膜防滲，即自上而下分別為回填土、一層針刺無紡200 g/m2土工布、兩層0.2 mm厚PE膜、一層針刺無紡200 g/m2土工布、8 cm厚中砂墊層，庫底鋪膜面積為82萬m2。

2 技術設計與實施

為有效應對平原水庫防滲土工膜氣脹問題，本項目采用膜下抽排氣施工技術。設計要求：土工膜膜布分置、雙膜結構、充分錯縫、節點補強；膜下布置排氣系統，采用高效射流泵裝置強制性針對膜下實施抽排氣作業；為有效監控膜下狀態，膜下布置空氣補償式孔隙水氣壓傳感器。

2.1 膜下抽排氣綜合技術設計

1）庫底土工膜設計。水庫防滲采用全庫底鋪設土工膜防滲,土工膜膜布分置、雙膜結構、充分錯縫、節點補強。即自上而下分別為回填土、一層針刺無紡200 g/m2土工布、兩層0.2 mm厚PE膜、一層針刺無紡200 g/m2土工布、8 cm厚中砂墊層。要求：上下兩層膜獨自熱熔焊接且上下兩層膜焊縫間距不小于1.5 m；土工膜所有“十”“丁”字形節點和人工焊縫處采用不小于3.0 m×3.0 m土工膜置于兩層膜之間補強處理；土工布采用縫合連接；中砂墊層中粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不超過5%。

2）膜下排氣系統設計。全庫底防滲面積為82萬m2。結合鋪膜施工實際情況，全庫底共劃分9個單元，單元之間設施工排水溝兼做土工膜閉氣溝，使得各單元獨自形成氣密區間。在膜下砂層以下，設排氣暗溝。排氣暗溝內置φ80軟式透水管并回填反濾砂。排氣暗溝節點及節點間連接φ75PVC-U排氣管道并與射流泵裝置銜接。全庫底共設置97臺套射流泵裝置，對應97個排氣點。采用高效射流泵裝置強制排除膜下氣體，控制膜下真空度10～80 kPa，以消除土工膜防滲工程的氣脹威脅。

3）膜下監測系統設計。膜下設置水（氣）壓檢測、監測系統。膜底高程為23.0 m。檢測、監測分9個單元，每個單元設大氣補償式孔隙水（氣）壓傳感器7～15組，總計97組。傳感器讀數儀設置在壩頂防浪墻臨水側的專用儀表箱內。

膜下監測系統采用現地巡檢儀采集數據，可實時掌握膜下水氣壓分布。全單元壓力有效降低，即可破壞土工膜氣脹條件；通過膜下真空度分布及壓力水平，可對土工膜整體性進行數值化評估。

2.2 膜下抽排氣系統鋪裝

1）透水管與排氣管的鋪裝。φ80軟式透水管和φ75PVC-U排氣管的鋪裝位置是在中砂墊層以下，高程為22.95 m。

φ80軟式透水管按照設計經（垂直壩軸）緯（平行壩軸）鋪設。由于閉氣溝把庫底分成9個獨立的單元，因此每個單元φ80軟式透水管的尾端均放置在各單元對應的閉氣溝內。每個單元內的φ80軟式透水管鋪裝在膜下砂層以下挖設好的排氣暗溝內，然后回填反濾砂。經向的Φ80軟式透水管連接緯向，每段長30～50 m。緯向Φ80軟式透水管的鋪裝根據開挖工程的組織管理安排，進行分段鋪裝，每段長7 m左右。經緯鋪裝交叉點處φ80軟式透水管通過五通進行連通。

φ75PVC-U排氣管鋪裝按工序先后順序分為3個環節：庫區閉氣溝內部徑向鋪裝、庫區閉氣溝外部緯向鋪裝和上壩鋪裝。

庫區閉氣溝內部φ75PVC-U排氣管鋪裝也是在膜下砂層以下挖設好的排氣暗溝內，然后回填反濾砂。庫區閉氣溝內部的φ75PVC-U排氣管都是沿徑向鋪裝的，依據設計要求相鄰排氣管間距離為50 m左右。它通過三通或五通與φ80軟式透水管連通。

庫區閉氣溝外部緯向φ75PVC-U排氣管鋪裝同樣是在膜下砂層以下挖設好的排氣暗溝內，然后回填反濾砂，此部分的鋪裝涉及到排氣管的合并。為了符合設計的排氣要求，排氣管由徑向變成緯向時不允許出現90°轉角，而是由兩次145°彎轉實現管道走向的改變。緯向管道的鋪裝的終點是各自單元預設好的上壩口處，并在這個過程中按設計進行管道合并。

2）孔隙水（氣）壓傳感器的鋪裝。孔隙水（氣）壓傳感器鋪裝分為3個部分：傳感器埋設、電纜埋設和顯示器安裝。

傳感器的埋設點位于膜下砂層以下，開挖設計要求的坑槽然后用中砂回填，傳感器以45°傾角埋設在中砂內的高程為22.89 m，具體坐標由GPS定位確定。顯示器放置在防撞墻內的控制箱內，控制箱鑲嵌在防撞墻預留口內。

3）排氣管與射流泵銜接安裝。φ75PVC-U排氣管與射流泵由牛筋管（后期變更為耐高溫橡膠鋼絲管）進行連接，連接時必須保證排氣順暢，確保與排氣管連接處及水箱的連接處密封。

2016年12月5日開始膜下排氣系統與觀測系統鋪裝，2017年4月15日起陸續安裝射流泵排氣裝置，2017年4月17日完成初始數據采集，膜下抽排氣系統鋪裝工作基本完成，具備抽排氣條件。膜下抽排氣工程施工主要工程量統計見表2。

表2 東邢水庫膜下抽排氣主要工程量統計表

2.3 膜下抽排氣作業

膜下抽排氣作業以水庫開始蓄水為節點，分為蓄水前期、蓄水過程兩個階段。

蓄水前期作業于2017年4月17日開始，作業目標為初步形成各單元膜下真空度，直觀觀察膜下排出的氣水混合流狀態，附加控制膜下壓力，解決施工過程中抗浮問題。射流泵裝置啟動3～6 h，膜下水氣壓力傳感器即顯示膜下壓力開始下降，且低于膜上荷載，表明施工過程中土工膜抗浮問題已解決。射流泵裝置出流由初始以氣態流為主向氣水混合流轉變，逐步形成以水流為主間有氣體排出。本階段發現的局部土工膜氣鼓現象，通過抽排氣有效消除。

5月8日，水庫開始蓄水，抽排氣作業進入關鍵的蓄水過程氣脹控制階段。該階段為土工膜氣脹高危期，本階段作業目標為維持膜下真空度，破壞土工膜氣脹條件，防止土工膜氣脹與氣脹破壞。截至5月28日，射流泵裝置出流以水流為主間有少量氣體排出。膜下壓力與膜上蓄水壓力相關，膜上、下相對壓力差穩定，消除土工膜氣脹條件的核心目標完全達成，滿足設計要求。

2.4 膜下壓力觀測

1）觀測頻率。庫底設計所有觀測項目的測點在安裝、埋設完畢后，進行初始數據的采集。監測項目初始值連續觀測3次，取其均值作為初始值。監測頻率見表3。

表3 東邢水庫工程庫底防滲項目監測頻率表

2）數據采集。2017年4月17日～5月28日所有傳感器完成3次初始數據采集，以其平均值作為初始值。以后每天按照實施細則規定的采集頻率要求進行采集并及時分析。

3 效果評價

1）運行效果評價。現水庫自開始蓄水至今已經運行了2年多的時間，壩后截滲溝內水位（0.6 m深左右）受庫水位變化影響不大；壩后截滲溝附近土地又恢復了耕種。圍壩全長5 126 m，沿水庫圍壩共布置3排觀測斷面，每排設4根測壓管。上游壩肩、下游壩肩、下游壩腳、截滲溝處各設1根，觀測斷面位于圍壩柱號：0+400、2+218、3+535處。對每月水庫水位的測壓管管內水位高差進行了調查，管內水位高差均值-0.095 m左右，截滲溝外的地下水位無明顯上升現象。根據觀測和出入庫水量分析，扣除蒸發損失，單位壩長滲漏量僅0.32 m3/(m·d），滲漏量很小，說明該工程的防滲措施效果顯著。

2）社會經濟效益效果評價。東邢水庫防滲工程結算金額共計5 601.2萬元，效益估算金額約1 120萬元；使用膜下抽排氣綜合技術，有效解決土工膜抗浮問題，提高抗滑性，抗震性和防滲水性效果，增加工程使用壽命，從后期運營成本來看，將產生巨大的社會效益與經濟效益。