西夏水库扩容工程土工膜防渗系统设计方案研究.pdf

Dam and Safety 20233http:/0 引 言库区渗漏是水库建设的重点问题，尤其是场地存在透水性大的地层时，设计合适的防渗结构层是水库建设成败的关键。自20世纪80年代土工膜防渗技术用于解决库区渗漏问题以来，水库工程防渗设计技术进入新阶段。目前已有多个国家建成多座土工膜防渗水库，如美国、奥地利、新西兰、法国和中国等1。国内如山东省大屯水库、新疆胜利水库和甘肃省夹山子水库，均采用了库底土工膜防渗方案，且水库运营状态良好2。库底土工膜防渗技术具有效果好、施工简易、速度快和费用低等特点，可应用于原先投资或技术上存在重大困难的病库、漏库重建3，极大造福了当地人民群众。1 工程概况原西夏水库于2009年3月建成蓄水。由于水库渗漏严重，致使附近农户房屋和农田等被淹，虽经多次修复施工，但一直无法正常使用。根据已建土工膜防渗水库的设计和施工经验，拟在西夏水库扩容改造工程中采用土工膜防渗系统，但不能简单照搬某个工程或部分工程的设计成果，否则难以确保工程安全。与其他土工膜防渗水库工程相比，西夏水库扩容改造工程因其地层和地形的不同，具有自身特点：（1）库区场地内分布厚层、透水性较强的角砾和细砂层。场地土体孔隙比、饱和度、渗气和渗水特性、变形模量的差异性均会影响土工膜下气场的聚散性和气胀程度。（2）地形坡度对膜下气场的影响。本工程地处西夏水库扩容工程土工膜防渗系统设计方案研究袁俊平1，2，曹雪山1，吴琦3，廖志彬3，丁国权1，2（1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京，210024；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京，210024；3.银川中铁水务集团有限公司，宁夏 银川，750004）摘要：平原水库建设场地存在厚层、强透水地层，采用土工膜防渗技术可有效解决水库渗漏问题。以西夏水库扩容工程为例，对库底防渗结构为300 g长丝针刺无纺土工布0.8 mm厚PE膜300 g长丝针刺无纺土工布的分离式防渗方案进行了PE膜厚度分析、方案比选和渗漏估算，可为今后平原水库土工膜防渗技术在类似工程中的应用提供借鉴和参考。关键词：平原水库；土工膜；防渗系统Title:Study on design scheme of geomembrane seepage prevention system for Xixia reservoir expansionproject/by YUAN Junping,CAO Xueshan,WU Qi,LIAO Zhibin and DING Guoquan/Hohai University,College of Civil and Transportation EngineeringAbstract:The seepage problem of thick permeable stratum in plain reservoir construction site can be effectively solved by using geomembrane seepage prevention technology.Taking Xixia reservoir expansionproject as an example,the PE geomembrane thickness analysis,scheme optimization and leakage analysis are carried out for the separated seepage prevention structure300 g filament needle-punched nonwoven geotextiles0.8 m PE geomembrane300 g filament needle-punched nonwoven geotextiles atreservoir bottom.The results can provide reference for application of geomembrane seepage preventiontechnology in similar projects.Key words:plain reservoir;geomembrane;seepage prevention system中图分类号：TV223.4文献标志码：B文章编号：1671-1092（2023）03-0016-06By YUAN Junping:Design scheme of geomembrane seepage prevention system for Xixia reservoir16http:/20233 大坝与安全贺兰山山前冲洪积平原后缘，场地地形呈西高东低过渡状，地下水也总体呈现西高东低的趋势。根据原水库使用情况，西侧和北侧易受山前洪水影响，地下水位相对较高。新建水库在原水库基础上改造扩建，在原水库大坝基础前加培填高，迎水面坝坡坡比仍维持1 3，背水面坡比采用1 2.5。大坝加高填筑土方采用库区角砾土料，加高后大坝仍为碾压式土坝，其中东坝和北坝在原坝基础上加高，南坝拆除后南移新建，坝顶高程同东坝，新建西坝与南、北坝连接，形成四面围堤成库。（3）水库规模和库水位高度不同。本工程水库平面布置近似呈圆角矩形，东西围堤距离约2 km，南北围堤距离约1 km，水库蓄水面积约2 km2，库容3 253 m3，蓄水深度达15.5517.55 m。因此，西夏水库扩容改造工程在原水库基础上，采用土工膜防渗技术，开展土工膜防渗结构厚度分析、方案比选和渗漏分析等工作，然后根据水库建设完成后的监测数据加以验证，以总结设计与施工经验，进一步提高土工膜防渗水库设计水平。2 地质情况2.1 工程地质情况根据工程地质勘察结果，库区表层砂壤土渗透系数为3.1510-65.010-9m/s，透水性较弱，但局部分布，不连续，最大厚度1.6 m，不能作为有效隔水层；壤土（Q3apl）层渗透系数为10-710-9m/s，为弱透水极微透水层，但分布于库区下部、高程1 114 m以下，不能作为有效隔水层；广泛分布的地层是角砾层和细砂层，渗透系数分别为3.010-4m/s和4.010-5m/s，透水性强，厚度约20 m，是原西夏水库的主要渗漏通道，见图1。角砾（Q3apl）层主要分布于库区近地表层，高程1 1291 148 m，北坝分布层厚4.4011.20 m，局部夹碎石透镜体，东坝分布层厚1.406.20 m，南坝分布层厚0.709.30 m。角砾为褐灰色，中密状态，次棱角状，分选性差，一般粒径为2050 mm，最大粒径130 mm，粒径大于2 mm的占全重6080，成分为砂岩、灰岩等，粗细砂充填。细砂（Q3apl）层分布于库区中部，高程11141140 m，层厚7.020.5 m。细砂为浅黄色、灰色，稍密密实状态，饱和，含少量角砾，局部夹粉砂薄层。渗透系数为4.010-5m/s，属中等透水层。图1 库区地质剖面Fig.1 Geological profile of reservoir area2.2水文地质情况库区地下水主要为第四系孔隙潜水，地下水埋深1.011.0 m，高程1 127.711 133.76 m。地下水位西高东低，由北向南水力坡降约1 130，由西向东水力坡降约1 300。地下水含水层为角砾、粉细砂层，由贺兰山基岩裂隙水和农田灌溉用水补给，受季节影响较大，水位变化幅度在1.0 m左右。拦洪库东坝坝前存在地表水，由于原水库渗漏严重，东坝坝后至西干渠有大量地表水出露，多形成沼泽。3 水库土工膜防渗设计3.1 水库土工膜防渗方案西夏水库属于平原水库，库区及坝址分布厚层、强透水性地层，缺少有效隔水层，库区外集渗廊道对控制坝后地下水位效果明显，但深度有限，不能控制坝基和库区深层渗漏。因此，在西夏水库扩容工程可行性研究中，通过土工膜防渗、黏土铺盖防渗和塑性混凝土截渗墙防渗3种方案比选，确定了全库底铺设土工膜的防渗形式。参考已建大屯水库的设计经验5，确定方案为两布一膜的土工膜防渗方案，即300 g长丝针刺无纺土工布0.8 mm厚PE膜300 g长丝针刺无纺土工布，膜上覆土厚度不小于1.0 m。3.2 土工膜厚度确定PE土工膜是一种高分子短纤维化学材料，具有使用温度范围大、使用寿命长、抗拉强度大和延伸率高的独特优点，能承受较大的水压力和坝体变形，同时还可根据水压力和基础平整度进一步优化厚度设计。通常情况下，土工膜厚度根据经验公式4确定：112711331139114511511157高程/m 1151.40库底高程 导洪沟1121112711331139114511511157高程/m1134水库设计水位角砾细砂 1033 1 0331 151.405.101 1341 1571 1511 1451 1391 1331 1271 1211 1571 1511 1451 1391 1331 127袁俊平，等：西夏水库扩容工程土工膜防渗系统设计方案研究17Dam and Safety 20233http:/T=K0.135E0.5pd32（1）式中：T为土工膜设计厚度，mm；K为土工膜厚度安全系数，1级防渗结构为812，2级防渗结构为610，3级防渗结构为48，4级防渗结构为36，3级及以上防渗膜厚度不小于0.5 mm；为薄膜允许拉应力，2.26 MPa（25C水温）；E为设计温度下薄膜的弹性模量，41.2 MPa（25C水温）；p为薄膜承受的水压力，0.176 MPa；d为与膜接触的土、砂、卵石层中最粗粒组的最小粒径，0.8 mm。据式（1）可知，土工膜厚度影响因素有水温、膜上水压力及与膜接触的土、砂、卵石层中最粗粒组的最小粒径。其中，水温决定薄膜允许拉应力和弹性模量，土工膜厚度随水温变化不大，见图2；膜上水压力及与膜接触的土、砂、卵石层中最粗粒组的最小粒径是影响土工膜厚度的主要因素，且均呈线性相关。鉴于库区地层以细砂和角砾为主，虽然基底经机械碾平，并在铺膜前检验基底无尖锐砾石，但不可避免仍有少量角砾出现，被机械压碎，粒径可能大于1.8 mm（如图3所示），因此在水头变大时，土工膜常被膜下尖砾顶破。图2 温度与土工膜厚度关系Fig.2 Relationship between temperature and geomembranethickness（A）角砾埋在砂垫层内（B）角砾破碎图3 基底角砾Fig.3 Breccia at the base本工程为2级防渗结构，安全系数取10，由式（1）可计算设计厚度为 0.4 mm。但 NB/T 350272014 水电工程土工膜防渗技术规范 中规定，3级及以上防渗膜厚度不小于0.5 mm。类比目前已建类似工程，土工膜厚度一般在 0.6 mm 以上5。因此，综合考虑，本工程选用厚度0.8 mm土工膜。3.3 防渗结构层经济性估算与比选受原西夏水库的影响，扩容工程在可研设计阶段提出了主动防渗+被动截渗相结合的双重防渗设计思想。主动防渗为全库底铺设土工膜，被动截渗为现有已建东坝坝后集渗廊道、新建1 280 m南坝坝后集渗廊道和扩建延伸450 m北坝廊道形成三面围坝截渗，可收集并再利用局部膜破损渗漏水，也可作为膜下排水排气系统的通道，以及用于水库渗漏观测。西夏水库是银川供水片区唯一的主调蓄水库，为提高供水可靠性，进一步减少水库渗漏量，全库底铺设土工膜防渗是本工程设计重点，而被动截渗仅为辅助作用。根据南水北调工程山东德州大屯水库5、引黄入晋供水工程金沙滩水库6等工程经验，提出3种设计方案，并进行技术经济比选，见表1。由于 3 种方案防渗结构层的铺设基底碾压要求、铺设条件和上覆土厚度等均相同，因此仅对方案不同材料的投资进行比较。表1 水库防渗方案比选Table 1 Comparison and selection of reservoir seepage prevention schemes从经济投资分析，方案一投资最低，为7 381万元，方案三投资最高，为9 329万元，方案二投资为-100102030400.00.20.40.60.81.0土工膜厚/mm 土工膜厚 弹性模量 允许拉应力温度/C406080100120 弹性模量/M Pa1234 允许拉应力 允许拉应力/MPa土工膜厚度弹性模量允许拉应力土工膜厚度/mm温度/1.00.80.60.40.20.0120100806040弹性模量4321-10010203040温度/序号方案一方案二方案三工程项目厚5 cm砂垫层双层300 g土工布0.8 mm厚PE膜厚5 cm砂垫层双层300 g土工布双层0.5 mm厚PE膜5 kg钠基膨润土防水毯300 g土工布0.5 mm厚 PE膜300 g土工布工程量/m22 017 9954 035 9902 017 9952 017 9954 035 9904 035 9902 017 9952 017 995单价/元10.635.8614.2210.635.868.8929.4016.83合计/万元2 1462 3652 8702 1462 3653 5885 9333 396By YUAN Junping:Design scheme of geomembrane seepage prevention system for Xixia reservoir18http:/20233 大坝与安全8 099万元。此外，方案一和方案二的土工布和PE膜均可由同一生产商提供，便于工程质量控制；方案三的膨润土防水毯、土工布和PE膜则需两不同生产商供货，若后期发生库底渗漏，可能出现两生产商互相推诿的情况，不便于工程质量管理。从施工难度分析，方案一和方案二均采用机械摊铺，难度小，但要注意基底及砂垫层角砾粗颗粒可能会刺破防渗膜。防渗膜铺设完成后，需短时间内在膜上压覆土层，防止膜在阳光照射下加速老化，影响后期使用寿命。因此，要求在短时间内焊接防渗膜并检测连接焊缝，并迅速覆土，这对施工单位要求较高，需做到有序、快速。分析可得，方案二施工难度最大，方案一次之，方案三最小。从施工工期分析，砂垫层采用机械摊铺，速度最快；土工布缝制搭接施工较快；膜与膜焊接后需进行焊缝检测，所需时间较长；膨润土防水毯为搭接铺设，施工工艺较简单，施工速度快。因此，3个方案中，方案二焊接所需时间较长，故铺设所需时间最长，方案一次之，方案三最短。防渗材料的铺设是影响水库工期的主要因素，因此选择合适的防渗材料，有利于工程施工工期的控制。综上所述，尽管3个方案均能达到库底土工膜防渗的目的，渗透率均较小，但各有优缺点。考虑投资节省、施工方便、质量可控及工期要求，推荐采用方案一，即两布一膜的分离式土工膜防渗结构。水库坝坡迎水面坡比1 3，采用单层复合土工膜防渗结构，即300 g长丝针刺无纺土工布+0.8 mm厚PE膜+300 g长丝针刺无纺土工布；库岸与库底采用土工膜焊接，确保防渗结构的连续性，膜上现浇压底混凝土梁固定。3.4 水库防渗设计西夏水库全库底土工膜防渗方案如图45所示。库底防渗采用300 g长丝针刺无纺土工布+0.8 mm厚PE膜+300g长丝针刺无纺土工布的分离式防渗结构，膜上覆土压重厚度不小于1.0 m，膜下排气排水盲沟间距 75 m，矩形布设，盲沟尺寸为 30 cm30 cm，盲沟内布设一条110 mm的硬式排水管，管周边回填碎石，碎石外包一层200 g/m2的长丝土工布。对于膜下排气盲沟的设置，袁俊平等7认为膜下气胀会引发水库渗漏，通过分析膜下气胀的影响因素，基于现场模型试验，提出了膜下气胀的产生机制；曹雪山等1-2，8提出了非饱和土固结简化计算方法，并利用该方法进行数值模拟以研究水库膜下气胀问题，并对山东大屯水库施工和运行过程中的气场进行了详细研究，从理论上提出了膜下排气盲沟设置的合理间距；曹雪山等9还提出了盲沟气阻问题。采用土工膜防渗方案的水库中也有失败案例，如山东省淄博市新城水库采用库底土工膜防渗后，监测发现库水位下降1.01.5 cm/d，截渗沟内水位受库水位影响而变化10。因此，采用土工膜防渗方案固然可以解决水库渗漏的主要问题，但需布设合理的膜下排气排水盲沟，并保证工程施工质量。（a）盲沟布置平面图（b）1-1剖面（c）3-3剖面图4 膜下盲沟设计方案Fig.4 Design of ditches beneath the geomembrane图5 膜下盲沟系统布置Fig.5 Layout of ditch system beneath the geomembrane4 水库渗漏计算虽然土工膜具有防渗性能好、施工速度快和经济性明显等优点，可在水利工程中广泛应用，但要土工盲管四通盲沟75 m75 m112233库底高程75 m盲沟建基面层分选细砂垫层土工布（300 g/m2）土工膜（0.8 mm）土工布（300 g/m2）500 mm细砂垫层500 mm原土回填0.30 mDN100 mm土工盲管碎石回填粒径d20 mm土工布（200 g/m2）坝后集渗廊道坝下排水管盲沟i=1/375坝坡坡脚线汇水总管结点汇水总管坝轴线75m11=825m 75m27+83.68m+21.67m=2130.35m 输水塔涵750mN坝下排水管 i=1/375坡脚线75 m27+83.68 m+21.67 m=2 130.35 m75 m11=825 m750 m袁俊平，等：西夏水库扩容工程土工膜防渗系统设计方案研究19Dam and Safety 20233http:/做到完全不出现缺陷是不可能的，因此科学预防与合理控制是关键。本水库防渗设计中采用三面围坝集渗廊道的被动截渗技术可有效收集局部膜破损导致的渗漏水。土工膜破损引发渗漏主要有两种类型：（1）完整无损土工膜渗漏；（2）土工膜针孔和孔洞等缺陷渗漏。针孔指直径明显小于膜厚的小孔，在现有土工膜产品中较少见；孔洞指直径约等于或大于土工膜厚度的孔。孔洞由不良施工质量导致，例如：土工膜因接缝焊接而形成一定长度的窄缝；施工搬运过程中膜被尖物划破；膜被施工机械和工具刺破。本工程地基为中密密实角砾层，地基承载力高，不会发生不均匀沉降造成的土工膜撕裂，设计土工膜厚度时也已充分考虑水压将土工膜局部击穿的可能，因此只需根据NB/T 350272014 水电工程土工膜防渗技术规范 中的计算公式，分别复核土工膜完好和土工膜有缺陷两种工况下的渗漏量。4.1 土工膜完好工况下的渗漏量土工膜属于非孔隙介质，水在膜上下水头差的作用下通过扩散方式发生渗漏：Q1=kgiA=kgAHwT（2）式中：Q1为土工膜渗漏量，m3/s；kg为土工膜渗透系数，10-13m/s；i为水力梯度；Hw为土工膜上下水头差，17.55 m；T为薄膜厚度，0.8 mm；A为土工膜渗透面积，库底面积为1 867 000 m2。根据计算结果，膜完好工况下，水库渗漏量为0.004 1 m3/s，日渗漏量为 354 m3，仅占日供水量（970 000 m3）的0.036 5%。4.2 土工膜有缺陷工况下的渗漏量由于土工膜上下土工布及砂垫层均为透水介质，当缺陷尺寸大于土工膜厚度时，渗漏量可近似按孔口自由出流计算：Q2=A2gHw（3）式中：Q2为土工膜缺陷引发渗漏量，m3/s；为流量系数，取0.6；Hw为土工膜上下水头差，17.55 m；g为重力加速度，9.8 m/s2；A为土工膜缺陷孔渗透面积和，m2。根据NB/T 350272014 水电工程土工膜防渗技术规范，常规施工水平条件下，约4 000 m2出现一个缺陷，等效孔径约110 mm，孔径1 mm、2 mm和3 mm的孔洞各占30%，5 mm和10 mm的孔洞各占5%。由此估算库底渗漏量，结果如表2所示。膜有缺陷工况下，水库日渗漏量随缺陷孔径增大而增大，水库日渗漏量为 3 683 m3，仅为供水量的0.38%，渗漏量较小。表2 膜有缺陷工况下水库渗漏量计算结果Table 2 Calculation results of reservoir leakage under the operating condition of defected membrane4.3 水库渗漏量计算水库渗漏量包括土工膜完好工况下的渗漏量和土工膜有缺陷工况下的渗漏量两部分：Q=Q1+Q2=4 036 m3/d。经复核计算，水库日渗漏量较少，为4 036 m3，仅为日供水量的0.42%，其中土工膜有缺陷工况下的日渗漏量占91.2%。因此，在土工膜生产和施工过程中严格控制缺陷是减少日渗漏量的关键。水库设计日渗漏量与水库蓄水深度关系密切，如图6所示。随着水库蓄水深度增大，估算的水库设计日渗漏量相应增加。图6 水库设计日渗漏量与蓄水深度关系Fig.6 Relationship between reservoir design leakage and water level孔洞直径d/mm123510孔数量/个1401401402323渗漏量/（m3/s）0.000.000.010.010.02日渗漏量/m31064239524411762日供水量/m3970 000970 000970 000970 000970 000占供水量百分比0.01%0.04%0.10%0.05%0.18%5 0004 0003 0002 0001 000005101520蓄水深度/m设计日渗漏量/m3By YUAN Junping:Design scheme of geomembrane seepage prevention system for Xixia reservoir20http:/20233 大坝与安全5 运行效果分析西夏水库扩容工程于2019年9月建成蓄水。试蓄水10个月以来的监测结果显示，库底土工膜大部分区域处于完好状态，蓄水位1 138.4 m时，水库渗漏量为2 933.0 m3/d左右，大于蓄水深度3.0 m时的设计渗流量1 583 m3/d，可能是由于坝体输水洞与坝体上游表面结合部位、输水塔工作桥桥墩与坝体上游表面结合部位存在渗漏点。6 结 语（1）西夏水库场地内分布厚层、强透水性地层，缺少有效隔水层，扩容改造工程选用全库底土工膜防渗技术解决了原水库渗漏问题。（2）通过厚度计算、投资估算、方案比选和渗漏分析，最终确定库底防渗采用300 g长丝针刺无纺土工布+0.8 mm厚PE膜+300 g长丝针刺无纺土工布的分离式防渗结构，满足规范和设计要求。（3）水库建成后的渗漏监测结果表明，库底土工膜大部分区域处于完好状态，蓄水位1 138.4 m时，水库渗漏量为2 933.0 m3/d左右，大于蓄水深度3.0 m时的设计渗流量1 583 m3/d，可能是由于坝体输水洞与坝体上游表面结合部位、输水塔工作桥桥墩与坝体上游表面结合部位存在渗漏点。本研究设计成果可为今后平原水库土工膜防渗技术在类似工程中的应用提供借鉴和参考。参考文献：1 Cao X S,Yuan J P,He G L,et al.In situ test and analysismethod of air bulging under geomembranes in a shallow-lined reservoirJ.Geotextiles and Geomembranes,2015,43(1):24-34.2 Cao X S,Yuan J P,He G L,et al.Investigation of air bulgingbeneath geomembranes used as a liner for the datun reservoirJ.Environmental&Engineering Geoscience,2016,12(1):53-66.3 顾淦臣.复合土工膜或土工膜堤坝实例述评J.水利规划设计,2001(2):49-57.4 NB/T 350272014,水电工程土工膜防渗技术规范S.5 马存兵,李玉军,时庆亮.大屯水库工程土工膜铺设质量控制J.南水北调与水利科技,2013,11(2):126-128.6 刘群,陈艳会,姚德生.引黄入晋工程北干线调节水库防渗土工膜设计研究及应用J.水利水电工程设计,2014,33(1):13-15.7 袁俊平,曹雪山,和桂玲,等.平原水库防渗膜下气胀现象产生机制现场试验研究J.岩土力学,2014,35(1):67-73.8 曹雪山,殷宗泽.非饱和土二维固结简化计算的研究J.岩土力学,2009,30(9):2575-2580.9 曹雪山,袁俊平,丁国权.抽气现场试验的土工膜下盲沟气阻数值模拟研究J.岩土工程学报,2022,44(10):1780-1788.10 王薇,崔化宇,李国伟.水平铺塑在新城水库库区防渗中的应用J.人民黄河,2003,25(9):38-39.收稿日期：2022-06-29；修回日期：2022-07-22基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（2017YFC0404801，2017YFC0404804）作者简介：袁俊平（1975），男，湖北麻城人，博士，主要从事堤坝工程及非饱和土力学研究工作。作者邮箱：yuan_中共中央 国务院印发 国家水网建设规划纲要据新华社 5月25日，中共中央、国务院印发了 国家水网建设规划纲要（以下简称 纲要）。纲要 是当前和今后一个时期国家水网建设的重要指导性文件，规划期为20212035年。明确到2025年，建设一批国家水网骨干工程，国家骨干网建设加快推进，省市县水网有序实施，着力补齐水资源配置、城乡供水、防洪排涝、水生态保护、水网智能化等短板和薄弱环节，水旱灾害防御能力、水资源节约集约利用能力、水资源优化配置能力、大江大河大湖生态保护治理能力进一步提高，水网工程智能化水平得到提升，国家水安全保障能力明显增强。到2035年，基本形成国家水网总体格局，国家水网主骨架和大动脉逐步建成，省市县水网基本完善，构建与基本实现社会主义现代化相适应的国家水安全保障体系。袁俊平，等：西夏水库扩容工程土工膜防渗系统设计方案研究21