工程案例
業務范圍
瀑河水庫庫區防滲處理設計方案
發布時間：2014-08-09
【摘 要】針對瀑河水庫滲漏嚴重的問題，為保證大壩滲流穩定和減小滲漏量，通過分析庫區地質資料，推薦采用土工膜水平防滲處理方案。根據庫區天然鋪蓋等厚度圖分析和必要的滲流計算，確定了庫區土工膜水平防滲的范圍。 該方案可以基本解決大壩存在的問題。保證大壩安全。【關鍵詞】滲流穩定；滲漏量；防滲處理；土工膜
1 工程概況
瀑河水庫位于海河流域大清河水系的瀑河中游，壩址座落在河北省保定市徐水縣解村村北0.5 km處，距徐水縣城25 km。水庫控制流域面積263km2。
瀑河水庫總庫容為0.975億m3,洪水標準為100年一遇洪水設計、2000年一遇洪水校核,是一座以防洪為主兼顧灌溉的中型水利樞紐工程.
2 工程存在的主要問題
長期以來，由于壩基滲漏嚴重，致使工程不能正常發揮應有的效益。 壩后曾多次出現管涌和大面積沼澤化現象，大壩存在滲透破壞的危險。經過多年的運用觀測表明：當水庫蓄水時，壩下游地下水隨庫水位的增高變化明顯， 說明壩基滲透強烈。1973年10月蓄水后，庫水位達到39.4m，至1974年3月庫水位已下降到36m，總滲漏量1300萬 m3；當庫水位高于38m時，庫水滲漏明顯加劇。水庫實際運用過程中也曾發生過多次管涌破壞，1960年6月，當庫水位達40m時， 水庫下游3～4 km處的戶木、南城村一帶，出現嚴重沼澤化。主壩后發生管涌,河灘出現涌泉，井水外流，戶木村局部住房地面滲水。
1963年8月8日，當庫水位達45.18m時， 樁號1+050處壩后反濾溝出現管涌13處，冒出帶泥沙的渾水。
1977年8月27日，當時庫水位40.38m，在樁號0+406的壩后反濾溝溝頭，距壩軸線58.75 m，高程33.83m的位置，發生管涌。為保大壩安全，采取放水降低庫水位措施，使集中滲流有所減少。但在一個月后，即9月25日，庫水位40.05m，上述位置再次出現管涌。1978年和1979年為了渡汛安全，用濾料對管涌部位進行臨時處理,并將反濾溝改為盲溝。1979年8月20日～12月10日4個月內,庫水位保持在40.13～40.40m之間，壩后未發生管涌現象，但壩后地下水位明顯升高，與上游庫水位幾乎同步變化，水位最高達到38.56m。
3 水庫滲漏和發生管涌原因分析
3.1 地質條件
根據工程地質資料，樁號0＋100～0＋380 段河床砂卵石與下部卵礫石層連通，下部卵礫石層不僅厚度大，而且分布在庫區下部、壩基和庫外的廣大范圍內，形成庫內外的連通，因此形成良好的滲漏通道。
樁號2＋080～3＋220段表層黃土狀壤土中所夾粗砂層，層厚4～6m；埋深3～11m，頂板高程32～39.5m,與河漫灘砂卵石層相通，庫內外亦連通。在枯水年，該砂層無水，當庫水位上升時，該段成為水平集中滲漏段。
樁號4＋200～5＋700段，砂卵石層埋深為2～10m，頂板高程34．6～44m，與河漫灘卵礫石層相通,庫內外亦連通。該層厚度大且與樁號4+200段以前的深層卵礫石層為一層。庫水位一旦上升，這里將成為集中滲漏帶，其滲漏量將比樁號2+080～3+220段滲漏量還大。
范村村北地表以下6～7m,廣泛分布有粗砂層透鏡體,回水淹沒后易形成水平滲漏。1985年勘探時,在樁號0+500～0+800段發現埋深8.0m,厚0.8m的透水砂帶，按其走向和高程分析，此砂帶從壩前延伸至壩外，副壩壩后管涌與該透水砂帶有關。
水庫水平防滲重點應放在庫區上游段現代河床和二級階地以下砂層出露或埋深較小地段， 其它部位要視天然鋪蓋分布厚度考慮。防滲的目的是要最大限度地減小壩基滲漏量和壩下卵礫石層的滲壓水頭。
3.2滲漏和管涌原因分析
通過以上現象和地質條件分析可知，壩基滲漏基本上是沿庫區現代河床以及二級階地的砂層出露部位， 滲入下部的深厚砂卵石層，通過深厚的砂卵石層排泄到庫外的。由于存在良好的滲流通道，因此滲漏嚴重。
由鉆探剖面可知，發生管涌范圍上游在高程33.5m左右夾有薄層砂層呈條帶狀分布區域，走向幾乎與該段壩軸線平行,分布寬度約70m，厚度一般0.2～0.7m。砂層的存在是壩后管涌形成的基本條件，反濾溝將砂層切割形成臨空面是誘發管涌的外在原因。由管涌發生時庫水位分析，砂層與庫區上游二級階地所夾砂層特別是與某處階地坎壁出露的砂層相連通。當庫水位升高， 庫水進入階地坎壁出露砂層形成滲流時，滲透坡降增大，流速增強，在反濾溝內的臨空出逸點附近形成較集中的滲流，且對與砂層接觸的土層產生接觸沖刷， 并攜帶細顆粒出逸，造成管涌現象的發生。
4 庫區防滲處理方案比較
通過對2000年和2002年在下庫庫區進行的地勘資料及天然鋪蓋等厚度圖分析，除沖溝以外,壩前200m范圍內的天然壤土鋪蓋較為連續，厚度達4～15m，具有弱～中等透水性，因此，通過這部分滲漏的水量不會很大。一級階地和右側二級階地以及主河床部位， 大面積的土層較薄，厚度不足3m，甚至小于2 m，而且還存在局部砂層、砂卵石層出露的現象，這些部位出露的高程大多在38m以上。這也是庫水位在38m以上壩基滲漏加劇的原因。雖然這些部位距壩體較遠，但由于其下的卵石層連續性較好，厚度較大，滲透性強，滲漏量還是相當大的。
大壩壩基的地質勘探資料表明，壩基的地質條件和水文地質條件十分復雜， 卵礫石層厚度大、分布范圍廣，滲透性強，基巖埋深最大83.6m，河床寬度大，施工難度大,而且費用高。如果為了達到徹底解決滲漏問題,保證壩基不發生滲透破壞和下游不再發生沼澤化的效果，可以采用深入基巖的垂直防滲墻。另外，如果本著上堵下排的原則， 也可以采用上游加強防滲與下游排滲減壓相結合的防滲措施，采用水平防滲方案。
針對瀑河水庫的地層分布情況及水庫滲漏的特點，分別對水平防滲和垂直防滲方案進行了分析比較。提出以下3個設計方案進行比選。
4.1土工膜水平防滲方案
根據工程地質資料分析，水庫大壩附近的壤土覆蓋層平均厚度為5～20 m；也就是說，主壩前的人工鋪蓋及副壩前的天然鋪蓋較好，不是主要的垂直入滲的部位。
在庫區沿原河道部位，存在一條天然鋪蓋薄弱帶，且在河道二級階地部位，有砂層或者砂卵石出露， 為主要的垂直入滲部位，是造成滲漏的主要原因。因此對庫區弱透水層較薄部位和砂層出露部位，采用土工膜水平防滲處理。
土壩水平防滲處理的原則是上堵下排，以保證大壩滲流穩定。從庫區天然鋪蓋等厚度圖可以明顯看出， 壩前壤土層的厚度較大，垂直入滲量不大，而現代河床部位弱透水層很薄，局部砂層出露直接與深層砂卵石層相通， 主要垂直入滲部位為現代河床，因此水平防滲重點為庫區大面積的現代河床位置。對于局部的采砂坑和范村舊址的坑圈井窖導致局部的滲漏通道,也進行封堵處理。在主壩和靠近主壩的部分副壩，也就是曾經發生管涌的位置，需增加壩體排水。
根據計算成果分析，當砂卵石層滲透系數與上層壤土滲透系數相差100倍以上時，庫區滲漏量與上層壤土的厚度和滲透系數有直接的關系。當壤土的滲透系數為1.0×10-4cm/s,上層壤土的厚度較大時，砂卵石層的滲漏量有大幅度降低,或者當上層壤土厚度較小，但是滲透系數也較小時，達到1.0×10-6cm/s，滲漏量也會有大幅度的降低。由滲流計算可知，當壤土厚度達到3.0m時，滲透系數達到1.0×10-5cm/s,當水位為40m的情況下,水庫滲漏量為0.28m3/d?m;當水位為46.59m時,水庫滲漏量為1.92m3/d?m。基本可滿足防滲要求.而土工膜的滲透系數為1.0×10-14cm/s，根據達西定律可知，滲漏量與滲透系數成正比關系，所以土工膜防滲可滿足防滲要求。
根據地質資料發現，對于水庫的滲流穩定問題， 主要原因應為存在滲流通道導致庫區滲漏嚴重，而壩體下游較單薄的壤土層，不能承受幾乎沒有消減的上游水頭,使土體承受的水力坡降大于土體允許的出逸坡降，發生管涌等滲透破壞。因此通過在上游滲流通道進口采取防滲措施，消減水頭，使下游土體承受的水頭減小，達到解決大壩滲流穩定的目的。
根據滲流計算分析，庫區天然鋪蓋厚度小于3.0m時，滲漏將加劇；當天然鋪蓋厚度大于3.0 m時，滲漏量相對較小。因此，水平防滲處理范圍為天然鋪蓋厚度小于3.0m的部位，主要分布在現代河床部位。
4.2 壤土水平防滲方案
對天然鋪蓋厚度小于3.0m的部位,先進行平整,用壤土進行鋪蓋補強。與土工膜水平防滲方案不同的是防滲體由土工膜改為壤土.因此，要求作為防滲鋪蓋的壤土必須有較小的滲透系數。
施工過程中，采用分層碾壓，控制最大干容量和最優含水量。土料壓實標準要根據當地土料用擊實儀進行擊實試驗來決定。
壤土平均補強厚度為2.0m，要求土料粘粒含量不少于20%，壓實度不低于0.93。
該方案要到庫區以外尋找料場，運輸到庫區。防滲鋪蓋占用部分庫容。
4.3 垂直防滲方案
根據地質勘察資料可知，壩前天然鋪蓋厚度不均，具中等透水性，大范圍的垂直入滲較強烈；庫區河床靠上游段壤土層較薄， 局部卵礫石層出露，壩基卵礫石層厚度較大，且分布連續廣泛，并與河床卵石層相通，導致庫水垂直入滲后通過卵礫石層向庫外排泄,造成壩基滲漏嚴重。由于局部地段卵礫石層與上部土層直接接觸，卵礫石層粗粒含量較高，缺少砂粒填充，透水性強， 高水頭作用下易產生層間接觸沖刷，潛蝕作用會影響壩基滲透穩定。為解決壩基嚴重滲漏與壩基滲透穩定， 對深厚的砂卵石地基采用混凝土防滲墻防滲是行之有效的措施。
混凝土防滲墻布置在壩軸線上游壩腳位置。防滲墻頂端埋入壩腳，下端要求穿透深層的砂卵石層,打入相對不透水層。壩基為粘性土、砂性土、碎石土及堅硬巖多層結構，其中砂卵石層下分布有較連續的粘土層， 滲透系數較小，可作為相對隔水層，為減少工程量及施工難度，在粘土層較厚部位，防滲墻下端打入粘土層內不小于2.0m，粘土層較薄的部位要求防滲墻嵌入基巖。防滲墻平均深度為62m，墻體厚度0.8m，混凝土強度為C10。
4.4 方案比較
經比較分析可知：①垂直防滲方案。防滲效果好，但是防滲墻深度大，壩線長，防滲墻總面積達32萬m2，施工難度大，工期長達4年。工程總投資最高，達46371萬元。 ②壤土水平防滲方案。施工較易，但防滲處理效果不如土工膜水平防滲方案，總投資為13998萬元，比土工膜水平防滲方案大。施工用的粘壤土要到庫區或庫外較遠的地方運土， 對庫容有一定減小。施工時要嚴格控制碾壓質量，對施工要求嚴格。③土工膜水平防滲方案。施工容易，防滲效果好于壤土防滲方案，總投資為5983.99萬元，是3個方案中最小的。 施工條件優越，施工方法簡單，土工膜埋于地下，不存在老化而導致的防滲失效，耐久性較好。
通過綜合分析比較，采用土工膜水平防滲補強方案。
5 土工膜水平防滲方案設計
5.1 天然鋪蓋滲透穩定分析
庫區最低點的高程為33.5 m，校核洪水位為46.83 m，因此黃土狀壤土層所承受的最大水頭為13.33m。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）規定，斜墻的容許滲透梯度為5，心墻的容許滲透梯度為4。實際上,防滲體的容許滲透梯度視土的性質不同而異，輕壤土為3～4，壤土為4～6，粘土為6～8。通常控制防滲體的容許梯度為5～6。因此，從滲透穩定考慮，庫區較低部位，天然鋪蓋小于3.0 m的部位需要做防滲處理，才能保證防滲層的滲透穩定。
5.2 庫區處理前后滲漏量分析
在確定土工膜防滲的范圍時，需要從投資和防滲效果兩個方面考慮。處理范圍小，則不能達到預期的防滲效果； 處理范圍過大，將會使投資量大。
當只對天然鋪蓋厚度小于2m的區域鋪設土工膜防滲后，正常蓄水位情況下，總滲漏量仍達10.46萬m3/d，顯然滲漏量太大，防滲效果不明顯；對天然鋪蓋厚度小于3.0m的區域鋪設土工膜防滲，需要土工膜面積為207.57萬m2，滲流量為205萬m3/d；當鋪設土工膜的范圍擴大為天然鋪蓋厚度小于4.0m的區域時，滲流量為1.71m3/d，但是鋪設土工膜面積增大為327.9萬m2。
在正常蓄水位41.0m的情況下，庫區鋪設土工膜防滲后，滲漏量仍很大，達3.7萬m3/d。但是考慮到水庫達到41.0m的情況較少，且持續時間很短。而庫水位大多數情況下維持在40m以下。在庫水位40.0m和39.0m時,滲漏量分別為1.74萬m3/d和7438m3/d。庫水位低于39.0m，滲漏量更小。庫區鋪設土工膜的防滲處理后，可滿足蓄水運用要求。因此推薦處理范圍為：高程40m以下，天然鋪蓋厚度小于3.0m的區域。對于局部水頭較高的部位，適當擴大到天然鋪蓋厚度3.0～4.0m的區域。
5.3 土工膜設計
5.3.1 材料選擇
選用聚乙烯（PE）膜，土工膜厚度選取為0.5mm。
選用材料物理力學性能指標應符合下列要求：密度不應低于900kg/m3，破壞拉應力不應低于12MPa，斷裂伸長率不應低于300%，彈性模量（E）在5℃不應低于70MPa，抗凍性（脆性溫度）不應低于-60℃， 聯接強度應大于母材強度；撕裂強度應大于等于40N/mm，抗滲強度應在1.05MPa水壓下48h不滲水，滲透系數應小于10-11cm/s。
同時，根據環境保護要求，土工膜應滿足飲水工程和其它衛生性能要求，其所用材料均符合國家現行有關環保標準的規定。
5.3.2 結構設計
土工膜防滲結構設計，包括膜上保護層、支持層和土工膜防滲層。
膜上保護層的主要作用是減緩土工膜的老化、 防御水流和波浪對土工膜的沖刷、人蓄破壞、冰凍損害以及作為壓重抵抗膜下水氣壓力的浮起等。材料為原地壤土壓實。 同樣要檢查與膜直接接觸的壤土中不能有尖銳材料。考慮水深、流速、日曬和冰凍等因素，選定膜上保護層厚度為60cm。靠近水面部位，考慮波浪沖刷，局部加厚為100cm。
膜下支持層為地基土，平整好場地后，上鋪設土工膜，根據庫區地質資料，膜下為黃土狀壤土， 沒有尖銳的石子等物，所以可以直接鋪設土工膜，但同時也要注意檢查局部可能有的尖銳材料刺破土工膜；對于砂卵石出漏部位，在砂卵石上部要鋪設10 cm厚壤土，再鋪設土工膜。
根據庫區防滲的特點，采用埋壓式PE土工膜防滲。根據土工膜與膜上保護層之間的摩擦系數，經過計算控制邊坡系數為5。
5.3.3 聯接設計
土工膜聯接好壞直接影響防滲的效果。 土工膜周邊與相對不透水的天然鋪蓋緊密聯接，形成封閉的不透水結構體。因此，在周邊設錨固槽，槽深度為膜下50cm，槽底寬50cm，將土工膜錨固于槽內。膜與膜之間搭接寬度應滿足焊接工藝要求，取為10cm。
通過對瀑河水庫除險加固工程初步設計，提出了土工膜水平防滲設計方案。通過論證分析該方案科學合理可行。
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