蔡 侠，陈华鸿，王 程

（天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204）

1 工程概况

王庆坨水库位于天津市武清区，是天津市本世纪以来唯一新建的中型平原水库，是一座以调节供水为主、安全备用为辅的水库。水库是南水北调配套工程的重要组成部分，通过同期建设的输水箱涵实现了水库与南水北调中线一期工程天津干线连通，此工程建设进一步提高了天津城市供水的可靠性和安全性。水库位于天津市的王庆坨镇西南，东靠王二淀村，南至荣乌高速公路，西至津冀交界，北至津同公路，总占地面积3.92 km2。水库总库容2 000 万m3，围坝轴线长度6.57 km。考虑到工程的重要性，水库为Ⅱ等工程，主要建筑物包括围坝，泵站、输水箱涵（含荣乌高速穿越）、分水口、退水闸等。水库设计最大坝高10.5 m，坝顶高程14.6 m（大沽高程，下同），坝顶宽度8 m，库底高程4.20 m，死水位6.47 m，设计水位11.90 m。在土地资源稀缺的情况下，水库采用挖填平衡的建库方案，围坝填筑土料全部利用库区土。无论是从保障工程安全的角度还是从节约宝贵的长江水来讲，水库的防渗工作都显得非常重要。

2 地质勘察情况

库区地形平坦开阔，地面高程多在3.60～6.50 m。库区及围坝地层岩性基本一致，主要为第四系上更新统Ⅲ陆相沉积层、第四系全新统Ⅱ陆相冲积层、第四系全新统Ⅰ海相沉积层、第四系全新统上部湖沼相沉积层、第四系全新统Ⅰ陆相冲积层、人工堆积层（Qml）。岩性主要由黏土、粉质黏土和粉土组成，局部夹淤泥质土（淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土）和少量粉砂透镜体。

场区地下水为第四系孔隙潜水，主要赋存于粉土及粉质黏土层中。勘察期间，地下水埋深一般0.30～4.30 m（平均约2.10 m），高程一般2.64～6.17 m。库区地下水位总体是东部、东北部高于西南部、西部。

库区钻孔揭露地层多为上粉土—中黏性土—下粉土多层结构，部分地段为上粉土—下黏性土双层结构，如图1—2所示。

图1 库区上粉土中黏性土下粉土多层结构典型地质剖面

按照挖填平衡建库方案，根据地质勘察成果，库底设计高程4.2 m以下库区土层分布统计情况，详见表1。

表1 库区土层分布统计

库区表层3.0 m内多分布厚度不等、埋深不一的1 层粉土，垂直渗透系数建议值为7.6×10-4m/s，属中等透水性土层，分布连续。粉土层下部为黏土，垂直渗透系数建议值为5.1×10-6～8.0×10-5m/s，具弱透水性，黏土层的厚度较大，可形成连续分布的相对不透水层，空间分布连续，厚度差别不大。

3 坝型选择

围坝填筑利用库区土，采用挖填平衡的建库方案。料场的天然土料总体上黏粒含量偏少，塑性指标偏小，渗透性强，场区土质分布不均，差异性大。根据地质勘查成果，扣掉无用层后，土料击实后的指标与规程对比，作为防渗体土料，其黏粒含量、塑性指数及水平渗透系数均不符合要求；作为均质坝筑坝材料，其土料平均值指标符合规范要求，但含水率偏高。

图2 库区上粉土下黏性土双层结构典型地质剖面

鉴于王庆坨水库邻近市区，地势相对较高且距离村镇、高速公路较近以及不利的地质条件和相对较高的蓄水水位，考虑到本工程的重要性、安全性和可靠性，为消除筑坝土料不均产生的不利影响，围坝需采取防渗措施。

土工合成材料防渗坝，在平原水库中被普遍采用，在投资和防渗效果上优势明显。若防渗心墙位于坝体中间，施工极不方便。对于新筑土坝而言，土工防渗材料位于上游坝坡，土工膜铺设与坝体填筑互不干扰，施工方便，运用期检修更换方便，因而更具有适用性[1]。因此，王庆坨水库工程采用土工合成材料防渗斜墙坝的坝型方案。

4 库区防渗

王庆坨水库采取挖填平衡筑坝方案，库底设计高程4.2 m，设计库底高程以上清除表土后将上层土作为筑坝土方，取土后库区表层压实，利用库区内连续分布的相对不透水的黏土层黏土）作为库区防渗，并对库区内坑塘、水井等采取回填、封堵措施。

5 围坝防渗

5.1 筑坝土料及填筑技术要求

根据地质勘查成果，扣除无用层后，按照挖填平衡方案，筑坝土料为粉土，黏粒含量平均值为13.6%，塑性指数平均值为9.2。27组粉土数据有25组含水率大于（15.6+2）%，占92.6 %；5 组粉土土料击实后水平渗透系数平均为1.10×10-5cm/s。

筑坝要求土料压实度不低于98%，设计干密度不低于1.59 g/cm3，施工填筑含水率控制在最优含水率的-2%～+3%以内，因此土料含水量偏高部分采取翻晒处理。

5.2 坝坡防渗方案

用于防渗的土工合成材料主要有复合土工膜和天然钠基膨润土防水毯（GCL）。

GCL 膨润土防水毯作为防渗材料，在干湿交替的环境中容易开裂，虽然局部具备自愈能力，但通过本水库运行情况来看，不便于维修。根据其铺设工艺，相邻防水毯接口处容易形成渗漏通道。该材料适用于地基变形较大或存在芦苇等植物可能对防渗层造成破坏以及对防渗要求不高的场所[2]。通过对国内平原水库的调研，GCL 膨润土防水毯并不适合水位远高于周围地面高程的平原水库工程。

复合土工膜在最近20 a 的堤防、平原水库工程中作为防渗材料，技术已经非常成熟，有很多成功的案例，山东、河北等地最近建设的平原水库大部分采用复合土工膜作为防渗材料。复合土工膜的土工织物可起到加筋和保护作用，具有较大的抗拉强度和延伸率，能够承受水压和适应变形，适应地质不均匀沉降，应变力强，能承受不同的施工条件和工作应力，防渗性能突出[3]。

因此，王庆坨水库采用复合土工膜进行坝坡防渗，塑膜厚度取值为0.5 mm，膜两侧土工布为300 g/m2，复合土工膜外侧设碎石上垫层和现浇混凝土板防护层，里侧设中粗砂作为下垫层。

5.3 坝基防渗

5.3.1 方案比较

坝基防渗比较了以下几种常用的坝基防渗方案，详见表2。

表2 常用坝基处理方案比较

本工程水头较低，透水层深度较小，采取高压喷浆或混凝土防渗墙方案将浪费大量投资。如采取振动沉膜防渗板墙，部分墙体坐落于原有渠道堤坡上，土质较坚硬，同时可能存在抛石等原有防冲刷措施的问题，造成振动挤压成槽困难。并且防渗墙墙段之间衔接以及防渗墙顶部与围坝坝坡防渗的复合土工膜衔接如处理不好，将形成整个防渗体系的薄弱环节。因此，垂直铺塑方案较为适合本工程。

5.3.2 坝基防渗深度计算

采用AutoBank7.0（河海大学工程力学研究所）软件，对进入黏土层的垂直防渗深度进行了计算。取桩号4+500 作为典型断面计算正常运行工况，上游设计水位11.90 m，下游地下水位3.0 m（截渗沟沟底高程），计算深度至坝基以下30 m。复合土工膜渗透系数一般为1.0×10-12～1.0×10-11cm/s，考虑施工存在的缺陷及运行过程中可能产生的破坏情况，计算取值1.0×10-10cm/s，结果如图3—4 所示。根据计算结果，垂直防渗体进入黏土层深度超过2.5 m后继续加大深度效果不显著，因此确定防渗深度为垂直防渗进入黏土层2.5 m。

图3 不同垂直防渗深度出逸比降计算成果

图4 不同垂直防渗深度单宽流量计算成果

5.3.3 坝基防渗方案

根据地质资料，围坝清基线下土层为粉土，同时大部分为液化土层。粉土层下全区分布相对不透水的黏性土层，本工程的粉土液化处理方案为粉土开挖后按筑坝控制指标回填。本工程防渗深度不深，仅深入黏土层2.5 m，因此坝基防渗可结合粉土液化处理方案，将传统的开槽机开槽的铺塑方案调整为明挖锚固槽垂直铺塑的坝基防渗方案，将坝坡防渗和坝基防渗有效衔接形成一个整体。该方案施工简便，土工膜的长度搭接在锚固槽内便于实施，能够保障土工膜的焊接质量。

具体方案为挖除表层粉土层后开挖锚固槽，埋入复合土工膜，待坝坡防渗复合土工膜铺设后连接一起，锚固槽槽深2.5 m、底宽度4.0 m，复合土工膜折叠埋入槽内，预留出变形余量，槽内采用人工回填黏土。围坝及坝基防渗示意，如图5所示。

图5 围坝及坝基防渗示意

5.4 截渗沟设计

为了防止平原水库蓄水后引起周边地下水位升高，导致土地沼泽化和土地盐渍化，恶化附近地区生态环境，在距围坝背水侧坡脚约20 m 设置截渗沟，拦截水库渗水、控制水库周围地下水位，沟底宽1.5 m、深度3.0 m。在水库东南侧，截渗沟与水库退水渠联通，水位高时通过退水渠排除。截渗沟处最大出逸比降大于黏土允许水力比降，需进行反滤排水，在截渗沟底部及边坡设置干砌石防护，干砌石以下按反滤要求设置碎石垫层以及土工布防止渗透破坏。

6 主要施工技术要求

（1）坝坡复合土工膜铺设前，应按施工图纸要求完成支持层施工，支持层应密实平整，锚固槽开挖后应对槽底及槽坡进行密实平整，验收合格后方可铺设。

（2）施工前，应进行复合土工膜的接头工艺试验。

（3）土工膜采用热熔焊接，按照确定的施工工艺，严格控制土工膜焊接温度、速度等，施工中注意对复合土工膜的保护，铺设过程中作业人员不得穿硬底鞋及带钉鞋。不准在复合土工膜上卸放护坡块体，不准用带尖头的撬动工具，不准进行可能引起复合土工膜损坏的施工作业。除设计图纸预留褶皱（长度约200 mm）外，还应留有足够余幅（约1.5%），以便拼接和适应气温变化。

（4）按工程隐蔽部位的验收要求，对复合土工膜施工质量进行以下项目的检验和验收：先采取目测法，观察有无漏接，接缝是否烫损、褶皱，是否拼接均匀等。然后对全部焊缝进行检测，采用充气法检查有无漏接、接缝烫损和折皱等缺陷；焊缝为双条，两条之间留有约10 mm的空腔，将待测段两端封死，插入气针，充气大于0.15 PM，静观1.0 min 以上，观察真空表，如气压不下降，表明不漏、接缝合格，否则应及时修补。每1 000 m 取1 个试样，作拉伸强度试验，要求接缝处强度不低于母材的80%，且试件断裂不得在接缝处，防止接缝不合格。

（5）土工膜焊接检测合格后，将膜与布之间存留的浮土清理干净后，方可缝合上层土工布，土工布缝合应采用高强涤纶丝线，缝合针距6 mm 左右，连接面松紧适度，自然平顺，确保膜与织物联合受力。

7 结语

防渗方案是平原水库设计工作的关键问题，做好防渗体衔接是防渗工作成功的必备条件。王庆坨水库工程中采取的各项防渗措施，保障了工程安全，减少了水量损失。施工时，需严格控制施工质量，加强薄弱环节的质量控制，特别是土工膜连接过程质量控制，以取得较为理想的防渗效果。