王立国

(德州市水利局，山东 德州 253000)

1 工程概况

根据某灌区内现有农业水资源供需存在着可供水量与灌区内农业需水水量，用水过程的不匹配性、用水量严重不足等问题，需要引入新的供水工程对灌区供水进行调蓄，工程由输水工程和调蓄水库组成。新建调蓄水库布置于引水线路接近末尾处的右侧山前冲洪积平原上，南北长约500 m，东西宽约400 m，预计开挖深度8 m。蓄水量为122万m3，采用平地开挖、周边筑堤蓄水，半挖半填的结构形式。本工程坝的等级为4级，坝型为非土质材料土工膜防渗体坝，坝体和坝基材料均为砂砾碎石，拟定上游坝坡为1∶2.75，下游坝坡为1∶2.0。坝顶宽度为6.0 m，采用0.3 m厚砂碎石路面，上游面设高1.2 m的防护栏杆，下游侧设路缘石。为方便排水，坝顶路面向外侧作成2%的坡度，设0.3 m×0.3 m集水沟，与外坝坡横向排水沟连接排水。类比相似已建工程，并对工程区岩土类型和特性进行分析，坝体地基及坝体回填料砂砾碎石属强透水层，调蓄水库存在渗漏问题，在设计施工中应做好防渗处理措施。

2 工程地质问题

2.1 地形地貌及岩性

拟建调蓄水库场地地形由西南向东北倾斜、开阔，现为荒滩，场地地层岩性上部为(Q4alp)粉质壤土，稍湿，结构稍密，厚度0.0～2.1 m，表层有0.2 m～0.3 m压砂用的块碎石土层，局部表层有压砂用的块碎石，下部为(Q4alp)冲洪积砂砾碎石层，结构中密～密实，局部夹有厚度0.1 m～0.2 m的透镜状土层，该层厚度大于20 m，砂砾碎石的颗粒组成200 mm～60 mm碎石含量2.8%～11.3%，60 mm～2 mm砾石含量65.9%～72.4%，<2 mm砂含量17.5%～24.6%。特征粒径：限制粒径d60=10.44 mm～22.66 mm，平均15.00 mm，分界粒径d30=2.37 mm～4.41 mm，平均3.68 mm，有效粒径d10=0.222 mm～0.628 mm，平均0.332 mm，不均匀系数Cu=23.7～80.6，曲率系数Cc=2.1～4.0，多为级配良好砾，渗透系数(3.5～3.8)×10-2cm/s，属强透水层。对调蓄水库库底、库周进行全库盆防渗处理，填筑坝体进行碾压分层回填砂砾碎石，干密度不小于2.10 g/cm3，相对密度不小于0.75，迎水面永久回填边坡比1∶1.5～1∶1.75，背水面永久边坡比1∶1.0～1∶1.25。根据本阶段野外及室内试验成果，参照该区已建工程，砂砾碎石层建议参数值见表1。

表1 砂砾碎石层建议参数表

2.2 调蓄水库主要工程地质问题及评价

调蓄水库处于山前洪积平原区，砂砾碎石层颗粒较粗，透水性强，局部夹有薄层的含碎石粉质壤土，无其它的不良物理地质现象，工程运行后，含砾粉细砂层位于地下水位以上，不存在地基土地震液化问题；池底地基岩性为砂砾碎石，

渗透系数(3.5～3.8)×10-2cm/s，属强透水层，场区内地下水埋深均大于20 m，而池底开挖深度6 m～8 m。因而，不存在水库在施工及运行期间地下水的顶托问题。类比相似已建工程，并对工程区岩土类型和特性进行分析，调蓄水库存在渗漏问题、基础稳定等问题。

(1)渗漏问题：水库地基为洪积砂砾碎石，厚度大于20 m，碎石含量2.8%～11.3%，砾石含量65.9%～72.4%，砂含量17.5%～24.6%，泥质含量4.4%～6.0%，不均匀系数Cu=23.7～80.6，曲率系数Cc=2.1～4.0，多为级配良好砾，渗透系数(3.5～3.8)×10-2cm/s，属强透水层。地下水埋深大于20 m，池底地基位于地下水位以上的强透水层中，渗漏问题十分明显，建议对库底、库周进行土工膜防渗处理。

(2)地基稳定问题：拟建水库预计开挖深度6 m～8 m，表层为粉质壤土，厚度约为0.0～2.1 m，表层有0.2 m～0.3 m压砂用的块碎石土层，下部为砂砾碎石，同时，调蓄水库上部采用砂砾卵石填筑，回填高度约为6 m～8 m。经对调蓄水库内砂砾碎石的取样分析，其不均匀系数23.7～80.6(>5)，土的区分粒径颗粒含量d=22.7%～24.8%(25%≤P)，天然状态临界坡降0.47～0.51，地基砂卵砾石层具备产生渗透变形的条件，渗透破坏形式为管涌型。

3 工程措施

3.1 坝体防渗设计

3.1.1 土工膜防渗层类型选择

土工膜防渗层类型可分为单层膜防渗、多层膜防渗和土工膜复合防渗层三种类型(见图1)[1]。单层土工膜防渗层适用于对防渗要求不高的建筑物，多层土工膜防渗层，对于防止有毒气体或液体的渗漏，常采用这种结构，复合土工膜是在土工膜下铺设一层渗透性较小的土层。根据工程特点，水库渗漏将严重影响到工程效益的发挥，故水库对防渗要求较高，应采用复合土工膜进行坝体防渗。为防止裂隙处产生管涌、坍坑，防渗土工膜应采用土工织物复合土工膜[2]，其物理力学性能指标应见表2。

图1 土工膜防渗层类型结构图

表2 土工织物复合土工膜物理力学性能指标

3.1.2 防渗结构设计

防渗结构包括防渗材料的上垫层和下垫层、上垫层上部的防护层、下垫层下部的支持层以及排水、排气设施[3]。

①防护层和上垫层设计

坝体防渗土工膜防护层有预制混凝土板、现浇混凝土板、干砌石、浆砌块石等类型。根据工程区建筑材料、施工、造价等因素，本工程防护层设计为现浇混凝土板。

上垫层材料可采用砂砾料、水泥砂浆、无砂混凝土、沥青混凝土、土工织物或土工网等。本工程上垫层材料选用M10水泥砂浆，上垫层厚度设计为5 cm。

②下垫层和支持层设计

根据《土合成材料应用技术规范》及类似工程施工经验，下垫层材料可选用压实细粒土、土工织物、土工网和土工格栅等，当选用复合土工膜铺设时可不设下垫层，本工程考虑筑坝材料为砂砾碎石，粒径2 mm～60 mm占70%左右，为保障防渗土工膜在施工、运行中不被砾石刺破，设置下垫层，下垫层采用0.3 m细砾垫层。坝体为碾压砂砾碎石坝，不再另设支持层。防渗结构见图2。

图2 坝体防渗结构图

3.1.3 土工膜厚度及稳定计算

①土工膜厚度确定

根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》施工要求，用于土石堤、坝的防渗土工膜，膜厚度不应小于0.5 mm，本工程防渗膜厚度确定为0.5 mm。

②抗滑稳定计算

土工膜与膜下垫层之间的抗滑稳定可按公式(1)计算，即：

K=f/tanα

(1)

式中：K为抗滑稳定安全系数；f为土工膜与膜下垫层之间的摩擦系数，取0.49；α为坝坡坡角，α=19.98°。

计算得抗滑稳定安全系数1.32，满足规范要求。

3.1.4 膜铺设与联接设计

本工程复合土工膜采用埋压式敷设，土工膜的底边和周边以及与结构物连接处都必须锚固，并应符合下列要求[4～5]：

①在坝顶应使土工膜向外延升0.8 m～1.0 m为宜，将土工膜埋入预先挖好的沟槽内，用挖出的土分层回填夯实。沟深约0.5 m，宽0.4 m。

②在坝坡连接处，铺膜地面应先平整，铺厚30 cm的细砾，其上铺土工膜，再盖上5 cm的M10砂浆垫层，坝坡每8 m设置一道水平锚固沟，沟宽30 cm，沟深50 cm，土工膜沿沟道回转铺设，锚固沟间土工膜预留1.5%的余幅，以备局部下沉拉伸，且纵向接头应距坝脚及转弯处1.5 m以上。

③坝趾与地基连接处，铺膜地面应先平整，铺厚30 cm的细砾，其上铺土工膜，再盖30 cm的细砾和50 cm厚砂砾石压重层。

④库底铺膜面平整后，直接铺设土工膜，每10 m回折20 cm，以防地基不均匀沉陷，拉伸土工膜，膜上覆30 cm的细砂和50 cm厚砂砾石的压重。

⑤土工膜连接采用布缝膜焊的连接方式，搭接宽度不小于30 cm，搭接时应使高端在低端上。

⑥土工膜与输水管等结构的联接应充分考虑结构物可能产生较大位移，相邻材料的弹性模量不应相差过大。

3.2 坝基处理措施

坝基处理主要考虑满足渗流控制、稳定和变形等方面的要求，以保证坝的安全运行。砂砾碎石坝基的强度和稳定性是足够的，地基处理的主要任务是控制渗流量在容许范围以内、不发生渗透稳定破坏现象[6]。

(1)坝基表面处理

调蓄水库处于山前洪积平原区，地形由西南向东北倾斜、开阔，现为荒滩，场地上部为碎石土，结构稍密，土质不均，下部为砂砾碎石，厚度大于20 m。在坝断面范围内清除上部0～2.1 m碎石土层，含草皮、植物的表土、垃圾及其它废料，并将清理后的坝基表面土层压实，采用振动碾进行碾压。

(2)砂砾碎石的渗流控制

调蓄水库地基为砂砾碎石，渗透系数k=(3.5～3.8)×10-2cm/s，属强透水层。采用半挖半填，库底和坝基均属强透水。渗流控制库底采用两布一膜复合土工膜(250 g/0.5 mm/250 g)，铺塑膜上设上细砾垫层厚0.3 m，其上设0.5 m厚砂砾碎石盖重，膜下设细砾垫层厚0.3 m。

4 结论及建议

新建调蓄水库工程区为砂砾碎石层，结构中密～密实，可就地取材，用于大坝坝体回填。根据地质勘察资料，砂砾碎石层颗粒较粗，透水性强，池底地基位于地下水位以上的强透水层中，渗漏问题十分明显，因此需对库底、库周进行土工膜防渗处理。通过工程建设经验及防渗体材料比较选择，确定复合土工膜作为防渗体，调蓄水库坝坡、岸坡和池底均采用两布一膜全防渗结构。水库于2019年进行防渗处理，建后防渗效果显著。