纯化水库防渗方案的优化研究

燕峒胜

(胜利石油管理局供水公司，山东 东营 257099)

在黄河三角洲冲积平原，土地盐碱化严重，生产生活用水均依赖黄河淡水，因而修建了多座引黄供水的平原水库.由于坝基深厚软弱，且地质条件复杂，该区域修建的平原水库一般控制蓄水深度在4～5m以下，围坝长度一般8～10km，最长的达25km.围坝挡水水头虽低，由于坝基表层多为粉土，渗透性等级大都属于中等透水，渗漏量大，尤其是抗渗透变形能力甚差，致使多座水库围坝下游出现渗透破坏［1－3］.如孤河水库坝长10.48km，累计有2km长坝段下游地面隆起、小泉眼翻水冒沙;孤北水库［4］1994年12月建成蓄水，1996年11月调查发现，在南坝东段和东坝南段坝脚集渗沟内多处出现管涌，此后逐渐发展至大量冒出浑水.压浸处理后渗透破坏向下游延伸10m以上，泡泉群数量约有40个，直径2～40cm.另外孤东、广南等水库也出现严重渗透破坏.纯化水库为了减少占地，提高了围坝高度，水库蓄水深度达8.5m，水库蓄水深度相对于该区域以往修建的平原水库有较大幅度的提高，坝体坝基防渗安全问题必须高度重视［5－8］.

1 工程概况

1.1 围 坝 简 况

纯化水库围坝总长约7.67km，东西坝长1.98km，南、北坝长约1.85km.进出库水闸穿坝设置.水库设计蓄水位16.5m，坝顶高程18.0m，坝顶宽7.0m，上游坝坡1∶3，下游坝坡高程13.0m 以下为1∶3，以上为1∶2.5.原地面高程7.4～8.9 m，计入沉降后最大坝高约12.0m.典型坝体剖面见图1.

图1 围坝典型断面(单位:m)Fig.1 Typical cross-section of Chunhua reservoir dam(unit:m)

1.2 坝基地质条件

坝基为巨厚第四纪冲积层，钻探最大深度26m，分为9层，15m以上浅土层特征见表1.由表1可见，坝基②淤泥质黏土层是良好的隔水层.

为使关键土层的渗透系数能够接近实际情况，在现场开挖探井进行了渗水试验.①层粉土层进行了4组试验，渗透系数均值 k=1.32×10－3cm/s;①夹层粉质黏土层进行了1组试验，k=7.02×10－5cm/s.参照孤北水库南坝注水试验成果［4］，粉土的 k=(6.18 ～8.62)×10－4cm/s，粉质黏土 k=8.7 ×10－5cm/s，两者较为相近.根据渗透系数现场试验结果，对坝基①层粉土层进行截渗处理是必要的.

表1 坝基土层特性Tab.1 Soil characteristics of Chunhua dam foundation

1.3 筑 坝 土 料

当地无防渗土料，筑坝土料均取自库区内表层①层粉土和①夹层粉质黏土.根据击实试验结果确定坝体填筑设计干密度ρd=1.55 g/cm3.坝体土渗透试验时，土样按80%粉土和20%粉质黏土混合制备，分别进行了干密度 ρd=1.55 g/cm3和 ρd=1.58 g/cm3两种试验，所得渗透系数分别为 2.1×10－4cm/s和 1.58×10－4cm/s.提高干密度，能使渗透系数有所降低，但并不显著，因此，以k=2.1×10－4cm/s作为坝体渗透系数.

1.4 允许水力坡降

坝体土样进行渗透破坏试验得到的临界坡降Jcr=0.94，①层粉土原状土样渗透破坏试验得到的临界坡降Jcr=0.98.山东省水利科学研究院曾对该区域孤北和孤东水库进行调查分析，建议粉土允许坡降为0.08～0.20.南京水利科学研究院［4］对孤北水库南坝段的测压管观测资料和渗透破坏现象进行对照，判断粉土的临界坡降 Jcr=0.115 ～0.152，取安全系数为1.5，则允许坡降为0.077 ～0.101.渗透稳定是一个相当复杂的问题，相对而言，原型调查成果应比较符合实际，综合考虑，确定渗流允许坡降［J］=0.1.

2 防渗方案研究

2.1 坝 体 防 渗

筑坝土料渗透试验结果显示，其渗透系数k=2.1×10－4cm/s，不满足规范［9］对均质土坝土料渗透系数k≤1.0×10－4cm/s的要求，但其值较为相近，因此在防渗方案确定时对比了坝体采用防渗和不做防渗两种情况.对于防渗方案，采用坝坡上游铺设复合土工膜的方法.

2.2 坝 基 防 渗

根据工程地质条件，坝基①层粉土层渗透系数较大，必须进行防渗处理.由于工程区缺乏黏土料，坝基防渗采用垂直防渗，可选方案包括地下连续墙、土工膜等.鉴于坝基软弱土层深厚，坝基沉降和水平位移较大，防渗体考虑采用柔性材料，根据当地经验和国内外应用情况［10］，采用土工膜防渗，即坝基垂直铺塑.

坝基垂直防渗要取得好的效果就必须将垂直防渗体与基岩或坝基中的隔水层连接，形成封闭体系.由勘察资料可知，坝基②层黏土层基本连续分布，局部改性为粉质黏土，是良好的隔水层，坝基垂直铺塑与其相接，可形成坝基防渗系统.

坝基中②层淤泥质黏土层厚度不大，最薄处仅0.8 m，由于坝基软弱、变形大，黏土层在建坝和运行过程中能否保持良好状态对坝基防渗系统的可靠性非常重要.文献［11－14］研究表明，该土层在水库施工和运行过程中，剪应力小于抗剪强度，不会发生破坏，即使遭遇Ⅶ度地震作用，仍是安全的.因此，坝基②淤泥质黏土层作为隔水层是可靠的.

2.3 垂直铺塑位置

垂直铺塑的深度根据地基②层土的埋深确定，地勘资料表明，北坝埋深11 m，东、西、南三面围坝的埋深为5m.垂直铺塑的施工工艺基本为:开槽、槽内泥浆护壁、下膜、回填等.根据工程施工顺序安排，坝基塑膜的铺设在坝体填筑基本完成后进行，因此需要研究垂直铺塑对坝体坝基应力变形的影响，从而确定合理的开槽位置.垂直铺塑距上游坝脚的距离按照如下几个原则确定:

(1)满足施工过程中上游坝坡稳定要求，槽内护壁泥浆重度按11.0 kN/m3计，用瑞典圆弧法对上游坝坡坝基进行抗滑稳定安全验算，以安全系数Fs=1.1作为限值，确定塑膜铺设位置;

(2)对铺设塑膜完工的情况，按槽内回填土重度13.0 kN/m3进行抗滑稳定安全验算，要求Fs≥1.2;(3)对上述选定的垂直铺塑位置，采用非线性有限元模拟施工、蓄水全过程，进行坝体坝基应力变形分析，论证坝体坝基的安全性.

计算结果表明，铺塑深度为5m的情况下，垂直铺塑开槽槽壁距上游坝脚为4.0m时，上游坝坡抗滑稳定安全满足要求，即该位置实施垂直铺塑施工不影响上游坝坡和坝基的稳定性.有限元分析显示，槽壁靠坝一侧向槽内最大水平位移2.9cm，槽壁附近小范围应力水平达到0.8，蓄水后降低至0.6，铺塑施工不影响坝体和坝基安全;塑膜埋深11.0m的情况下，开槽槽壁距上游坝趾15.0m时，各种工况下坝体和坝基的抗滑稳定安全满足要求.有限元分析显示，靠坝一侧槽壁向槽内最大水平位移为2.3cm，坝体、坝基的应力状态安全.

2.4 防渗方案优选

根据坝体是否采用防渗措施，对下列2种防渗方案进行优选:方案1为只对坝基做垂直铺塑防渗，坝体不做防渗处理;方案2为坝体上游坝坡铺设复合土工膜，与坝基垂直防渗一起形成封闭防渗系统.选择北坝典型剖面采用平面有限元进行渗流计算分析，上游水位采用设计库水位，坝基渗透系数k=1.32×10－3cm/s，坝体渗透系数k=2.1×10－4cm/s，塑膜k=1.0×10－11cm/s，坝体、坝基水平向与垂直向渗透系数之比均取2.0.

计算成果显示:方案1和方案2的出逸点高度分别为2.94 m和0，出逸坡降分别为0.175和0.030，单宽渗流量分别为2.730×10－6和0.104×10－6m2/s.这表明仅有坝基防渗时，浸润线在下游坝坡出逸，出逸坡降较大，超过允许坡降;采用坝体与坝基联合防渗时，浸润线基本从下游坝脚出逸，出逸坡降很小，满足渗透稳定要求，且渗流量仅有坝基防渗方案的1/27.

基于上述分析研究，选择坝坡铺设复合土工膜与坝基垂直铺塑联合防渗，具有良好的防渗效果，是一种经济合理的方案.

3 研究成果验证

3.1 安全监测分析

纯化水库已蓄水运行10余年，运行中未出现渗流异常现象.为了监测围坝的运行性状，围坝布置有20个渗流压力监测断面和3个渗流量观测断面，每个断面布置2个振弦式传感器，分别位于坝轴线和下游坝脚处.图2为西坝6+185断面渗压监测结果，其中测点75B位于坝轴线处，76A位于下游坝脚处.图3为西坝渗流量观测结果，图中数值突然增大系受降雨影响所致.监测资料表明:20个监测断面的渗压水位随库水位而变动，有一定滞后性，越接近下游的测点滞后越明显;坝轴线处监测点的剩余位势平均为39%，坝脚处为14%，截渗效果较好，渗流状态正常;大坝渗流量较小，且渗流量与库水位相关性不明显，进一步反映坝体、坝基的防渗效果较好.

图2 西坝6+185断面渗流压力过程线Fig.2 Hydrographs of seepage pressure at section 6+185

图3 西坝渗流量过程线Fig.3 Hydrographs of seepage discharge at west dam

3.2 渗流反演分析

根据渗流监测结果对土工膜的渗透系数进行了反演分析，得到土工膜渗透系数值在(1.05 ～3.00)×10－9cm/s，较设计取用值1.0×10－11cm/s大，可能与施工中土工膜损伤或缺陷有关.采用反演分析的渗透系数，对东南西北坝的4个典型剖面进行设计蓄水位情况下的渗流数值计算，得到渗流要素见表2，典型断面流场见图4.由计算结果可见，渗流稳定安全，全年渗流量约为165×104m3，占总库容的4.8%，纯化水库围坝渗流状态正常.

图4 设计蓄水位情况下浸润线和等势线Fig.4 Saturation and equipotential lines at the designed water level

表2 设计蓄水位下的渗流计算结果Tab.2 The calculated results of seepage flow at the designed water level

4 结语

(1)在坝基软弱的近代黄河三角洲冲积平原上建坝，采用土工膜作为防渗体，形成封闭防渗系统，可以减少坝体、坝基渗漏，保证土坝的渗透稳定要求，且其工程造价低，是一种安全可靠、经济合理的防渗措施.

(2)土工膜截渗措施应用于新建土坝应考虑施工过程中的保护，一般应在坝基填筑基本完成后进行.应计算分析垂直铺塑开槽对坝体坝基稳定及应力应变的影响，确定合适的开槽位置.

(3)垂直铺塑的开槽回填及其与穿坝建筑物的连接直接关系到防渗效果，有必要作进一步深入研究.

(4)纯化水库围坝防渗方案的优化研究成果，经施工过程和监测结果证明是成功的.

［1］胜利石油管理局.平原水库资料汇编［M］.2000:374-394.(Shengli Petroleum Administrative Bureau.Compilation of plain reservoir［M］.2000:374-394.(in Chinese))

［2］薛万东.孤河水库渗漏原因分析［J］.河海大学常州分校学报，2001，15(4):26-29.(XUE Wan-dong.An analysis of leakage causes of Guhe reservoir［J］.Journal of Hohai University Chanzhou，2001，15(4):26-29.(in Chinese))

［3］窦春先.胜利油田水库设计中的几个问题［J］.油田建设设计，1998(1):30-33.(DOU Chun-xian.Problems in the reservoir design of Shengli Oil Field［J］.Oilfield Construction Design，1998(1):30-33.(in Chinese))

［4］南京水利科学研究院.孤北水库南坝渗漏段渗漏原因分析及对策研究［R］.南京:南京水利科学研究院，2002.(Nanjing Hydraulic Research Institute.Analysis and study on leakage of south dam of Gubei reservoir［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2002.(in Chinese))

［5］马俊德.平原水库提高蓄水深度的研究［J］.河海大学学报:自然科学版，2002，30(4):82-84.(MA Jun-de.Study on feasibility of increase of water-storage depth for plain reservoirs［J］.Journal of Hohai University(Natural Sciences)，2002，30(4):82-84.(in Chinese))

［6］戚瑞安.平原水库深水高坝防渗施工技术研究［J］.水利工程建设，2006:47-48.(QI Rui-an.Studies on seepage prevention technology in the construction of deep-water high dam in plain areas［J］.China Water Resources，2006:47-48.(in Chinese))

［7］艾永梅，尹卫东，王继新，等.塑膜及复合土工膜在平原水库防渗中的应用［J］.防渗技术，2001，7(1):21-23.(AI Yong-mei，YIN Wei-dong，WANG Ji-xin，et al.Application of plastic membrane and compound geomembrane in plain reservoir seepage control［J］.Technique of Seepage Control，2001，7(1):21-23.(in Chinese))

［8］胡兴礼.土工合成材料在纯化水库防渗中的应用［J］.东北水利水电，2005，23(2):21-22.(HU Xing-li.Application of geosynthetics in seepage control of Chunhua reservoir［J］.Northeast Waterpower，2005，23(2):21-22.(in Chinese))

［9］SL 274－2001，碾压式土石坝设计规范［S］.(SL 274－2001，Design code for rolled earth-rock fill dams［S］.(in Chinese))［10］白永年.中国堤坝防渗加固新技术［M］.北京:中国水利出版社，2001:250-310.(BAI Yong-nian.New technology of reinforcement and against seepage for levee and dam in China［M］.Beijing:China WaterPower Press，2001:250-310.(in Chinese))

［11］李学平.黄河三角洲地区深水高坝水库坝体坝基静动力应力变形分析［J］.灌溉排水学报，2005，24(4):62-65.(LI Xue-ping.The dynamic stress deformation analysis of the dam body and dam toe of the high dam reservoir in deep water in the yellow river delta［J］.Journal of Irrigation and Drainage，2005，24(4):62-65.(in Chinese))

［12］李国英，陈生水，赵魁芝，等.纯化水库坝体坝基静动力应力变形分析［R］.南京:南京水利科学研究院，1998.(LI Guo-ying，CHEN Sheng-shui，ZHAO Kui-zhi，et al.Stress and deformation analysis on dam of Chunhua reservoir［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，1998.(in Chinese))

［13］李国英，徐光明，赵魁芝，等.纯化水库坝体坝基渗流状态分析、稳定分析和土工离心模型试验［R］.南京:南京水利科学研究院，1998.(LI Guo-ying，XU Guang-ming，ZHAO Kui-zhi，et al.The analysis of seepage and stability and geotechnical centrifuge model test on dam of Chunhua reservoir［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，1998.(in Chinese))

［14］沈珠江.考虑剪胀性的土和石料的非线性应力应变模式［J］.水利水运科学研究，1986(4):11-14.(SHEN Zhu-jiang.A nonlinear stress strain model for soil and stone material considering dilatancy［J］.Journal of Nanjing Hydraulic Research Institute，1986(4):11-14.(in Chinese))

［15］毛昶熙，段祥宝，李祖贻，等.渗流数值计算与程序应用［M］.南京:河海大学出版社，1999:127-150.(MAO Changxi，DUAN Xiang-bao，LI Zu-yi，et al.Numerical computation in seepage flow and programs application［M］.Nanjing:Hohai University Press，1999:127-150.(in Chinese))