王慶坨水庫防滲方案分析

蔡 俠，陳華鴻，王 程

（天津市水務規劃勘測設計有限公司，天津 300204）

1 工程概況

王慶坨水庫位于天津市武清區，是天津市本世紀以來唯一新建的中型平原水庫，是一座以調節供水為主、安全備用為輔的水庫。水庫是南水北調配套工程的重要組成部分，通過同期建設的輸水箱涵實現了水庫與南水北調中線一期工程天津干線連通，此工程建設進一步提高了天津城市供水的可靠性和安全性。水庫位于天津市的王慶坨鎮西南，東靠王二淀村，南至榮烏高速公路，西至津冀交界，北至津同公路，總占地面積3.92 km2。水庫總庫容2 000 萬m3，圍壩軸線長度6.57 km。考慮到工程的重要性，水庫為Ⅱ等工程，主要建筑物包括圍壩，泵站、輸水箱涵（含榮烏高速穿越）、分水口、退水閘等。水庫設計最大壩高10.5 m，壩頂高程14.6 m（大沽高程，下同），壩頂寬度8 m，庫底高程4.20 m，死水位6.47 m，設計水位11.90 m。在土地資源稀缺的情況下，水庫采用挖填平衡的建庫方案，圍壩填筑土料全部利用庫區土。無論是從保障工程安全的角度還是從節約寶貴的長江水來講，水庫的防滲工作都顯得非常重要。

2 地質勘察情況

庫區地形平坦開闊，地面高程多在3.60～6.50 m。庫區及圍壩地層巖性基本一致，主要為第四系上更新統Ⅲ陸相沉積層、第四系全新統Ⅱ陸相沖積層、第四系全新統Ⅰ海相沉積層、第四系全新統上部湖沼相沉積層、第四系全新統Ⅰ陸相沖積層、人工堆積層（Qml）。巖性主要由黏土、粉質黏土和粉土組成，局部夾淤泥質土（淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土）和少量粉砂透鏡體。

場區地下水為第四系孔隙潛水，主要賦存于粉土及粉質黏土層中。勘察期間，地下水埋深一般0.30～4.30 m（平均約2.10 m），高程一般2.64～6.17 m。庫區地下水位總體是東部、東北部高于西南部、西部。

庫區鉆孔揭露地層多為上粉土—中黏性土—下粉土多層結構，部分地段為上粉土—下黏性土雙層結構，如圖1—2所示。

圖1 庫區上粉土中黏性土下粉土多層結構典型地質剖面

按照挖填平衡建庫方案，根據地質勘察成果，庫底設計高程4.2 m以下庫區土層分布統計情況，詳見表1。

表1 庫區土層分布統計

庫區表層3.0 m內多分布厚度不等、埋深不一的1 層粉土，垂直滲透系數建議值為7.6×10-4m/s，屬中等透水性土層，分布連續。粉土層下部為黏土，垂直滲透系數建議值為5.1×10-6～8.0×10-5m/s，具弱透水性，黏土層的厚度較大，可形成連續分布的相對不透水層，空間分布連續，厚度差別不大。

3 壩型選擇

圍壩填筑利用庫區土，采用挖填平衡的建庫方案。料場的天然土料總體上黏粒含量偏少，塑性指標偏小，滲透性強，場區土質分布不均，差異性大。根據地質勘查成果，扣掉無用層后，土料擊實后的指標與規程對比，作為防滲體土料，其黏粒含量、塑性指數及水平滲透系數均不符合要求；作為均質壩筑壩材料，其土料平均值指標符合規范要求，但含水率偏高。

圖2 庫區上粉土下黏性土雙層結構典型地質剖面

鑒于王慶坨水庫鄰近市區，地勢相對較高且距離村鎮、高速公路較近以及不利的地質條件和相對較高的蓄水水位，考慮到本工程的重要性、安全性和可靠性，為消除筑壩土料不均產生的不利影響，圍壩需采取防滲措施。

土工合成材料防滲壩，在平原水庫中被普遍采用，在投資和防滲效果上優勢明顯。若防滲心墻位于壩體中間，施工極不方便。對于新筑土壩而言，土工防滲材料位于上游壩坡，土工膜鋪設與壩體填筑互不干擾，施工方便，運用期檢修更換方便，因而更具有適用性[1]。因此，王慶坨水庫工程采用土工合成材料防滲斜墻壩的壩型方案。

4 庫區防滲

王慶坨水庫采取挖填平衡筑壩方案，庫底設計高程4.2 m，設計庫底高程以上清除表土后將上層土作為筑壩土方，取土后庫區表層壓實，利用庫區內連續分布的相對不透水的黏土層黏土）作為庫區防滲，并對庫區內坑塘、水井等采取回填、封堵措施。

5 圍壩防滲

5.1 筑壩土料及填筑技術要求

根據地質勘查成果，扣除無用層后，按照挖填平衡方案，筑壩土料為粉土，黏粒含量平均值為13.6%，塑性指數平均值為9.2。27組粉土數據有25組含水率大于（15.6+2）%，占92.6 %；5 組粉土土料擊實后水平滲透系數平均為1.10×10-5cm/s。

筑壩要求土料壓實度不低于98%，設計干密度不低于1.59 g/cm3，施工填筑含水率控制在最優含水率的-2%～+3%以內，因此土料含水量偏高部分采取翻曬處理。

5.2 壩坡防滲方案

用于防滲的土工合成材料主要有復合土工膜和天然鈉基膨潤土防水毯（GCL）。

GCL 膨潤土防水毯作為防滲材料，在干濕交替的環境中容易開裂，雖然局部具備自愈能力，但通過本水庫運行情況來看，不便于維修。根據其鋪設工藝，相鄰防水毯接口處容易形成滲漏通道。該材料適用于地基變形較大或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[2]。通過對國內平原水庫的調研，GCL 膨潤土防水毯并不適合水位遠高于周圍地面高程的平原水庫工程。

復合土工膜在最近20 a 的堤防、平原水庫工程中作為防滲材料，技術已經非常成熟，有很多成功的案例，山東、河北等地最近建設的平原水庫大部分采用復合土工膜作為防滲材料。復合土工膜的土工織物可起到加筋和保護作用，具有較大的抗拉強度和延伸率，能夠承受水壓和適應變形，適應地質不均勻沉降，應變力強，能承受不同的施工條件和工作應力，防滲性能突出[3]。

因此，王慶坨水庫采用復合土工膜進行壩坡防滲，塑膜厚度取值為0.5 mm，膜兩側土工布為300 g/m2，復合土工膜外側設碎石上墊層和現澆混凝土板防護層，里側設中粗砂作為下墊層。

5.3 壩基防滲

5.3.1 方案比較

壩基防滲比較了以下幾種常用的壩基防滲方案，詳見表2。

表2 常用壩基處理方案比較

本工程水頭較低，透水層深度較小，采取高壓噴漿或混凝土防滲墻方案將浪費大量投資。如采取振動沉膜防滲板墻，部分墻體坐落于原有渠道堤坡上，土質較堅硬，同時可能存在拋石等原有防沖刷措施的問題，造成振動擠壓成槽困難。并且防滲墻墻段之間銜接以及防滲墻頂部與圍壩壩坡防滲的復合土工膜銜接如處理不好，將形成整個防滲體系的薄弱環節。因此，垂直鋪塑方案較為適合本工程。

5.3.2 壩基防滲深度計算

采用AutoBank7.0（河海大學工程力學研究所）軟件，對進入黏土層的垂直防滲深度進行了計算。取樁號4+500 作為典型斷面計算正常運行工況，上游設計水位11.90 m，下游地下水位3.0 m（截滲溝溝底高程），計算深度至壩基以下30 m。復合土工膜滲透系數一般為1.0×10-12～1.0×10-11cm/s，考慮施工存在的缺陷及運行過程中可能產生的破壞情況，計算取值1.0×10-10cm/s，結果如圖3—4 所示。根據計算結果，垂直防滲體進入黏土層深度超過2.5 m后繼續加大深度效果不顯著，因此確定防滲深度為垂直防滲進入黏土層2.5 m。

圖3 不同垂直防滲深度出逸比降計算成果

圖4 不同垂直防滲深度單寬流量計算成果

5.3.3 壩基防滲方案

根據地質資料，圍壩清基線下土層為粉土，同時大部分為液化土層。粉土層下全區分布相對不透水的黏性土層，本工程的粉土液化處理方案為粉土開挖后按筑壩控制指標回填。本工程防滲深度不深，僅深入黏土層2.5 m，因此壩基防滲可結合粉土液化處理方案，將傳統的開槽機開槽的鋪塑方案調整為明挖錨固槽垂直鋪塑的壩基防滲方案，將壩坡防滲和壩基防滲有效銜接形成一個整體。該方案施工簡便，土工膜的長度搭接在錨固槽內便于實施，能夠保障土工膜的焊接質量。

具體方案為挖除表層粉土層后開挖錨固槽，埋入復合土工膜，待壩坡防滲復合土工膜鋪設后連接一起，錨固槽槽深2.5 m、底寬度4.0 m，復合土工膜折疊埋入槽內，預留出變形余量，槽內采用人工回填黏土。圍壩及壩基防滲示意，如圖5所示。

圖5 圍壩及壩基防滲示意

5.4 截滲溝設計

為了防止平原水庫蓄水后引起周邊地下水位升高，導致土地沼澤化和土地鹽漬化，惡化附近地區生態環境，在距圍壩背水側坡腳約20 m 設置截滲溝，攔截水庫滲水、控制水庫周圍地下水位，溝底寬1.5 m、深度3.0 m。在水庫東南側，截滲溝與水庫退水渠聯通，水位高時通過退水渠排除。截滲溝處最大出逸比降大于黏土允許水力比降，需進行反濾排水，在截滲溝底部及邊坡設置干砌石防護，干砌石以下按反濾要求設置碎石墊層以及土工布防止滲透破壞。

6 主要施工技術要求

（1）壩坡復合土工膜鋪設前，應按施工圖紙要求完成支持層施工，支持層應密實平整，錨固槽開挖后應對槽底及槽坡進行密實平整，驗收合格后方可鋪設。

（2）施工前，應進行復合土工膜的接頭工藝試驗。

（3）土工膜采用熱熔焊接，按照確定的施工工藝，嚴格控制土工膜焊接溫度、速度等，施工中注意對復合土工膜的保護，鋪設過程中作業人員不得穿硬底鞋及帶釘鞋。不準在復合土工膜上卸放護坡塊體，不準用帶尖頭的撬動工具，不準進行可能引起復合土工膜損壞的施工作業。除設計圖紙預留褶皺（長度約200 mm）外，還應留有足夠余幅（約1.5%），以便拼接和適應氣溫變化。

（4）按工程隱蔽部位的驗收要求，對復合土工膜施工質量進行以下項目的檢驗和驗收：先采取目測法，觀察有無漏接，接縫是否燙損、褶皺，是否拼接均勻等。然后對全部焊縫進行檢測，采用充氣法檢查有無漏接、接縫燙損和折皺等缺陷；焊縫為雙條，兩條之間留有約10 mm的空腔，將待測段兩端封死，插入氣針，充氣大于0.15 PM，靜觀1.0 min 以上，觀察真空表，如氣壓不下降，表明不漏、接縫合格，否則應及時修補。每1 000 m 取1 個試樣，作拉伸強度試驗，要求接縫處強度不低于母材的80%，且試件斷裂不得在接縫處，防止接縫不合格。

（5）土工膜焊接檢測合格后，將膜與布之間存留的浮土清理干凈后，方可縫合上層土工布，土工布縫合應采用高強滌綸絲線，縫合針距6 mm 左右，連接面松緊適度，自然平順，確保膜與織物聯合受力。

7 結語

防滲方案是平原水庫設計工作的關鍵問題，做好防滲體銜接是防滲工作成功的必備條件。王慶坨水庫工程中采取的各項防滲措施，保障了工程安全，減少了水量損失。施工時，需嚴格控制施工質量，加強薄弱環節的質量控制，特別是土工膜連接過程質量控制，以取得較為理想的防滲效果。