刘英杰，韩秀娟，厍永慧，赵国荣

(1.酒泉市水利水电勘测设计院，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉市三木工程设计有限公司，甘肃 酒泉 735000)

随着社会的发展，在甘肃河西一些经济较发达地区的工程性缺水问题日益突出，严重制约了当地经济建设。因此修建引水工程和专门水源调蓄工程，是保障当地工业经济发展的迫切需求，也是解决现有企事业单位生产生活以及生态用水的重要手段。河西地区大多数河流源于祁连山区，河道流程短、纵坡大，往往缺少适于修建水库的地形地质条件。因此，利用山前洪积扇地段修建调节水库，是提高水资源利用率的重要措施之一。

甘肃河西走廊山前洪积扇地段属砂砾石覆盖层厚度极大、渗透性强烈的垂直渗漏区，在这些地区修建水库可能会造成水库库区或坝基渗漏，不能有效蓄水，同时渗漏会降低坝体的抗剪强度和粘聚力，形成渗透破坏致使水库溃坝。因此，水库全盘防渗成为该地区兴建水库的关键技术难题。本文以酒泉市循环经济产业园区大红泉水库工程为例，介绍河西地区平原水库全库盘土工膜防渗技术，并对防渗效果做出评价，以期为本地区其他类似工程的修建提供借鉴。

1 工程概况

大红泉水库位于甘肃省玉门市老市区境内，工程设计年引水量881.45万m3，年供水量695万m3，总库容为350万m3，其中调蓄库容334.3万m3，相应正常蓄水位为2073.50m，死库容10万m3，相应死水位为2061.70m，是一座满足酒泉循环经济产业园区部分企业用水需求，同时兼顾生活及绿化用水的小(1)型水库。根据工程区地形地质条件，水库坐落于第四系上更新统(Q3)洪积砂砾石层上，地面自然纵坡为3.5%，考虑工程的经济性，工程采用“半填半挖”型式，坝型采用人工防渗体均质土石坝。因水库位于强透水砂砾石地基之上，为了减轻水库坝基渗漏量，本水库采用全库盘土工膜防渗技术。经过3年的库区渗漏观测得出，全库盘土工膜防渗技术有效规避了水库坝基与坝体的渗漏问题，达到了设计防渗效果。坝体横断面结构示意图如图1所示。

2 坝体防渗体系设计

2.1 坝体横断面结构概述

考虑交通、运行巡查管理要求，根据SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》有关规定，大红泉水库坝顶宽度取5.0m，并铺设0.15m厚C20现浇混凝土路面，路面下设0.15m厚砂砾石垫层。坝顶路面两侧均设0.5m高(高出坝面0.2m)、0.2m厚预制混凝土路缘石，并在坝顶四周临水侧设高度为1.2m钢质护栏。为方便排水，坝顶设置向背水面侧3%的坡度，每隔100m设1座0.5m×0.5m×0.5m的集水坑，通过集水坑与外坝坡横向排水沟连接排水。坝体迎水面设计边坡为1∶3，在正常蓄水位变动区2072.50～2074.50m之间采用0.12m厚六边形C25预制砖块衬砌，其余部位采用0.1m厚六边形C25预制砖块衬砌。背水面护坡在高程2067.30m以上设计边坡坡比为1∶2.5，高程2067.30m以下边坡为1∶2.75，护坡采用C20混凝土预制框格，框格尺寸为2.0m×2.0m，梁格宽度为0.15m，嵌入坝体0.3m。

图1 大红泉水库坝体横断面结构示意简图

2.2 库底防渗结构层设计

库底自上而下采用0.6m厚砂砾石保护层，0.10m厚细砂保护层、300g/0.4mm/300g二布一膜复合土工膜、0.1m厚细砂找平层、排水层、砂砾石库底，为形成封闭的防渗体系，大红泉水库在库底周边设置C15细粒混凝土砌块石重力式坝脚，并做成环形以固定防渗土工布。

(1)支持层结构设计

库底开挖至设计高程后需进行碾压处理，为防止土工膜被顶破、刺穿，平整后的库底表面应对所有植物根系、石块、尖角型硬物等突起物进行彻底清理，并铺设10cm厚的细砂垫层，作为两布一膜防渗体的支持层。

(2)排水层结构设计

大红泉水库库底采用膜下盲沟排水系统，排水系统采用“树枝状”型式布置。其中膜下主排水管采用DN160 UPVC花管，间距为10m，膜下支排水管采用DN90 UPVC花管，间距为5m，排水管四周设置砾石反滤层，粒径为20～40mm。运行时支排水管将渗水汇入主排水管后，由主排水管最终将渗水排入坝后排水沟。土工膜膜下排水管典型平面布置如图1所示。

(3)防渗层结构设计

本工程防渗层选用土工膜防渗，土工膜厚度计算公式为:

T=0.204Pb/ξ1/2

(1)

式中，T—单宽土工膜所受拉力，P—膜上承受的水压力，b—预计膜下地基可能产生的裂缝宽度，ζ—膜的拉应变。

经计算，确定土工膜厚度为0.4mm。另外，通过对两布一膜与一布一膜的优缺点进行比较，同时参考本地区其他平原水库已建工程经验，本工程决定采用300g/0.4mm/300g两布一膜复合土工膜。

(4)膜上保护层结构设计

当库底土工膜铺设完毕后，上部应设置保护层。大红泉水库膜上保护层分别采用10cm厚的细砂保护层和60cm厚的砂砾石保护层，为防止土工膜在施工期或运行期发生被顶破、刺穿等现象，要求保护层内不得含有植物根系、石块、尖角型硬物等突起物。另外，膜上保护层除具备上述保护功能外，还兼具水库初期蓄水时的防冲作用。

2.3 迎水面坝坡防渗体系设计

迎水面护坡结构层顺水流渗透方向依次为：0.12m厚六边形C25预制砖，0.3m砾石保护层、0.10m厚细砂保护层、300g/0.4mm/300g二布一膜复合土工膜、0.10m厚细砂保护层、砂砾石均质坝体。背水面护坡在高程2067.30m以上设计边坡坡比为1∶2.5，高程2067.30m以下边坡为1∶2.75。护坡采用C20混凝土预制框格，框格尺寸为2.0m×2.0m，梁格宽度为0.15m，嵌入坝体0.3m。

2.4 迎水面坝坡复合土工膜防渗抗滑稳定措施

为了满足复合土工膜与上下保护层料的稳定要求，本工程设计阶段主要通过对采用增大复合土工膜表面摩擦系数和在坝体上游坝面设置抗滑齿槽2种措施进行比选，以确定坝坡复合土工膜防渗抗滑稳定措施。通过比较分析，增加复合土工膜粗糙度使其摩擦系数增大并满足规范要求，但鉴于工程量较小，单独生产此规格的复合土工膜并不经济。根据本地区同类工程实际施工经验来看，坝坡土工膜铺设主要包括锯齿形、台阶型、折坡型等几种方式，以防止复合土工膜与垫层之间形成连续滑动面。但上述几种方式均提高了土工膜及垫层铺设的施工难度。综合考虑投资情况及施工工艺等因素，本工程最终决定对台阶型土工膜铺设方式进行优化，采用在上游坝坡增设防滑槽的形式，解决上游坝坡复合土工膜与上下保护层料间的抗滑稳定问题。防滑槽的形式如图2所示。

图2 排水层排水管典型平面布置图

2.5 土工膜与周边防渗漏连接设计

为了形成完整封闭的防渗体系，除土工膜之间密封需连接外，当土工膜遇到水库进出水建筑物等混凝土结构时，也应考虑到土工膜与混凝土结构之间的接触渗漏问题。本工程采用螺栓对土工膜进行锚固，具体做法为：将土工膜折叠三层，并在膜上膜下分别设置橡胶垫圈，最后采用螺栓将土工膜锚固在相应混凝土建筑物侧墙外侧，锚固螺栓间距为20cm，如图3所示。

3 大坝渗流计算

3.1 坝体渗流量计算

(1)建立复合土工膜渗流计算模型

考虑到复合土工膜厚度较薄，仅为0.4mm，在坝体渗流计算过程中直接建立复合土工膜模型较为困难。通过查阅国内有关土工膜渗流计算相关文献，本次计算决定将坝体迎水面坝坡土工膜视为一定渗透系数和厚度的等效土体，即将土工膜按当量渗透系数处理，即视为渗透系数为3.81×10-6m/d、厚度为0.7m的土体。

图3 土工膜与建筑物连接详图

(2)二维渗流计算

坝体采用理正岩土6.5-渗流分析软件计算，计算成果详见表1、表2。计算简图如图4所示。

图4 大红泉水库最大断面渗流计算简图

图4中A点为下游出溢点；B点为下游坡脚；C点在地基面上，距B距离为出溢高度。BC段x以B点为原点，下游方向为正。

通过二维渗流计算得知，坝体采用复合土工膜进行防渗时渗流量为1.1×10-4m3/s。

3.2 土工膜缺陷渗漏量计算

施工中产生的土工膜缺陷包括：土工膜接缝焊接时局部粘结不实，形成一定长度的窄缝缺陷；施工机械和工具的刺破；基础不均匀沉陷使土工膜撕裂；水压将水工膜局部刺穿。由于施工中产生缺陷偶然性很大，且不易发现，因此只能依靠国内外类似工程渗漏水量的实测数据进行参考。根据相关文献记载，施工所产生的土工膜缺陷，约每4000m2发现一个。其中接缝不实等形成的缺陷，可以换算成圆孔等效孔径一般为1～5mm，某些偶然因素产生的缺陷等效孔径可以换算为10mm，因此孔的大小与施工条件密切相关。当施工条件较差时，可取缺陷的等效孔径为10mm(或称大孔)；施工条件较好时，可取缺陷等效孔径为2～5mm(或称小孔)。

表1 大红泉水库最大断面渗流计算成果

表2 浸润线坐标计算成果

当土工膜膜下土层的渗透系数>10-3m/s时，可以假设为无限透水，通过土工膜破损孔洞的渗漏量可用孔口自由出流计算公式：

(2)

式中，Q—土工膜防渗层的缺陷渗漏量，m3/s；A—土工膜缺陷孔的面积总和，取0.002m2；g—重力加速度，取9.81m/s2；Hw—土工膜上、下水头差，取10m；μ—流量系数，本次计算取0.60。

当按每4000m2出现一处缺陷考虑时，400000m2土工膜内将共存在100处施工缺陷，计算时假设缺陷为小孔，取等效孔径d=5mm，则等效半径r=2.5mm，相应土工膜防渗层的缺陷渗漏量为5.3×10-3m3/s。

通过对土工膜坝体渗流量和土工膜缺陷渗漏量计算看出，二者之和远小于水库设计引水量0.75m3/s。综上认为大红泉水库筑坝材料以及其所采取的防渗措施均满足渗透稳定要求。

4 防渗效果与结论

根据大红泉水库地质勘查结论预测，在未采取任何防渗措施的情况下，水库年渗漏量最高可达98万m3，约占水库总库容350万m3的28%。但根据水库建成后近3年的渗漏观测资料来看，水库目前全年渗漏量仅为11.12万m3，约占设计总库容的3.2%，可见当水库采用全库盘土工膜防渗措施后，水库渗漏量与设计渗漏量基本相符。此外，全库盘土工膜防渗技术对水库施工过程中土工膜的铺设、焊接以及土工膜垫层铺设等工序要求十分严格，如施工不当将会导致土工膜防渗功能不能完全发挥，因此精心施工是保证土工膜发挥良好防渗作用的重要基础。全库盘土工膜防渗技术在大红泉水库中的成功应用正是基于土工膜施工过程中完善的质量控制措施，确保工程获得了最佳的防渗效果。全库盘土工膜防渗技术不仅解决了水库下部强透水层的防渗问题，也为本地区强透水地基上修建引水注入式水库提供了新思路。