复合土工膜和黄土组合防渗技术在头屯河水库围堰工程的应用

马 军，王 成，李少华

（1.新疆水利厅头屯河流域管理处，新疆 昌吉 831100；2.新疆北方建设集团有限公司，新疆 奎屯 833200）

头屯河水库是一座以灌溉为主，结合城镇生活供水、工业用水、防洪等综合利用的中型拦河水库。水库总库容2030万m3，最大坝高51 m，设计蓄水位989.60 m，由大坝、溢洪道、放水涵洞、泄水隧洞及下游分水枢纽五大部分组成，于2007年1月被列入第二批全国病险水库除险加固工程专项规划[1]。根据总工期安排，涵洞工程施工期为2009年9月23日～2010年6月4日，为保证涵洞干地施工，必须解决好围堰防渗问题。

1 工程地形、地质条件

围堰位于放水涵洞进口上游106 m处，围堰段河谷呈V形，南北走向。两岸山体较陡峻，河床纵坡12%。谷底高程约950 m，两岸山顶高程972～982 m，现代河床宽约50～90 m。平水期河水面高程950 m，水面宽10～50 m，水深0.5～2 m，河床中漂卵砾石层厚2 m左右,结构松散。河床右岸为Ⅲ级阶地，宽度约230 m。坝址区发育Ⅰ～Ⅲ级阶地[2]。

围堰坝址区左右岸坝肩主要出露地层为朱罗系上统头屯河组 （J3t），岩性为灰绿色砂岩、泥质粉砂岩于泥岩互层夹红褐色泥岩，砂岩较为坚硬，岩体较为完整，泥岩较为松软，在山坡上分化为沟槽地形[2]。

2 施工导截流要求

头屯河水库枢纽工程等级为三等，主要建筑物级别为3级。根据SL 303—2004《水利水电工程施工组织设计规范》的规定，导流临时建筑物级别为5级，相应的土石类导流建筑物设计洪水标准为重现期10～5年[3]。根据总工期按排，将放水涵洞及大坝上游护坡除险加固施工安排在非汛期，只需修筑枯水期围堰。由于工程进度安排紧张，且导流建筑物失事后对工期影响较大，选择枯水期10年一遇洪水设计流量21.7 m3/s作为导流建筑物设计标准，经调洪演算，围堰设计挡水位为966.50 m，堰顶高程967.50 m。与全年围堰相比，枯水期围堰工程量大大减少，且便于布置和采用造价低廉的土石结构。经过计算，选择在2009年9月上旬作为导流时段。

综合分析头屯河气象、水文、施工条件、施工进度安排和截流后的工作量等因素,选择汛后退水期进行截流。截流时间选择在2009年9月上旬，采用10年一遇月平均流量作为截流标准，截流流量为6.8 m3/s。

结合水库永久建筑物布置和工期分析，经全面比较后，在距放水涵洞 （最大泄量为120 m3/s）进口上游106 m和泄水隧洞 （最大泄量为52.4 m3/s）引渠进口处修建围堰，并通过引渠将水引入泄水隧洞导向下游。

3 围堰形式及防渗结构设计

为节省工程投资，充分利用当地材料，围堰采用土石结构。围堰主体填筑所用戈壁料 （河床砂石料）采自围堰坝址上游500 m处库区河床，黄土采自距施工区1 km处的弃料场。围堰上下游坡比分别为 1∶2.0、 1∶2.5， 设计挡水位 966.50 m， 堰顶高程967.50 m，最大堰高16.5 m，堰顶轴线长148.5 m，顶宽7 m。961.00 m高程以下上游坡面结构为袋装戈壁护坡 （1 m厚）、复合土工膜 （二布一膜）、碾压黄土 （0.2 m厚）、 碾压戈壁料； 961.00～967.50 m高程上游坡面结构为干砌块石 （0.2 m厚）、复合土工膜 （两布一膜）、碾压黄土 （0.2 m厚）、碾压戈壁料。堰前坡脚截渗墙底宽2 m，边坡坡度为3∶1，深3～4 m。

堰体防渗结构采用坡面复合土工膜防渗；堰前坡脚处截渗槽采用复合土工膜、黄土填筑截渗墙组合防渗；截渗槽上游30 m河床范围内采用铺设水平复合土工膜、河床淤土铺盖防渗；截渗槽底部复合土工膜延伸至堰体坝肩左右岸两侧，使堰前形成基础、坡面、水平及坝肩一个整体封闭的防渗体系，坡面和基础是重点防渗部位。

复合土工膜具有较好的防渗效果，适应变形能力强，施工简便，拆除容易，且围堰是一个临时性建筑，不存在老化问题。所用黄土属中等压缩性，微透水性土，具有一定的防渗效果，且取自当地，可节省工程投资，利于机械化施工。复合土工膜铺设在围堰上游坡面，利用自身的连接形成一个完整的防渗体；另一方面坡面铺设的复合土工膜、截渗槽中铺设的复合土工膜、堰前上游30 m平铺后的复合土工膜、坝前淤土、截渗墙组成防渗面层，可以有效延长围堰渗径，降低坝体浸润线，达到防渗效果。

4 材料选定

4.1 复合土工膜

综合考虑材料性能、施工工艺特性、应用经验、经济性等因素，结合本工程实际和施工条件等情况，比选确定采用新疆西龙土工新材料股份有限公司生产的HDPE复合土工膜 （二布一膜），规格为200 g/0.5 mm/200 g，幅宽 6 m。此膜符合 SL/T 231—98《聚乙烯 （PE）土工膜防渗工程技术规范》标准[4]。复合土工膜主要特性见表1、2。

4.2 稳定复核

复合土工膜与土石介质间的摩擦系数将影响防渗体的稳定，因此须复核复合土工膜与坝坡、复合土工膜与保护层的抗滑稳定性。

复合土工膜稳定性验算公式[5]

式中，FS为安全系数；δ为下垫层土料与土工膜之间的摩擦角；α为土工膜铺设坡角。

表1 基材涤纶长丝纺粘针刺非织造布主要技术参数

表2 基材聚乙烯PE土工膜主要技术参数

由表1可知，土工布与中粗砂摩擦系数tanδ＞0.55，根据下垫层为碾压黄土的实际情况，选tanδ＝0.65进行计算。 坝体上游坡坡比为 1∶2， 即tanα＝1/2。 所以， Fs＝1.30＞1.25。

在961.00 m高程以下，复合土工膜采用袋装戈壁料 （河床砂石料）作为保护层，实际施工时，人工由下往上码放，抗滑稳定满足要求。在961.00～967.50 m高程，复合土工膜采用20 cm厚块石作为保护层，实际施工时，人工由下往上层层码放，抗滑稳定也满足要求。

综上所述，通过计算和施工情况，复合土工膜防渗系统是稳定的，满足要求。

4.3 黄土碾压填筑试验

围堰填筑所需土料来源于弃料场，以坡积黄土为主，土料属性为砾质粘土。由试验结果可知，砾质粘土有机含量为0.37%，属亚硫酸盐中型渍土，具有中等压缩性，微透水性。物理力学性质试验成果见表3。

为进一步验证围堰坝址地质情况和截渗槽开挖及土料填筑截渗墙的施工可行性，进行了现场施工工艺试验。使用斗容1 m3长臂挖掘机在围堰坝址附近河床中挖掘一底宽2 m，边坡3∶1，深度至基岩（平均深约4.5 m），长20 m的截渗槽试验段。从实际揭露的地质条件看，河床中漂卵砾石层厚2～2.5 m，结构松散；岩体厚2～2.5 m，岩性为灰绿色砂岩、泥质粉砂岩与泥岩互层夹红褐色泥岩，岩体较为完整，以泥岩较多，砂岩较为坚硬，泥岩较为松软，适宜机械对截渗槽开挖施工作业。试验段左岸底部开挖一集水坑，用一台80 m3/h泥浆泵抽水，从右岸一边快速分层碾压填筑黄土，在填筑中，采用1.5 t平板振动碾碾压，大面积采用18 t自行平碾碾压，边角相接处用蛙式打夯机打实，最后填筑至原河床高程。取3组碾压数据，干密度分别为1.843、1.840、1.842 g/cm3，现场试验表明，截渗槽内黄土碾压质量可以保证，可为后续施工提供一定的依据。

5 防渗施工工艺及方法

5.1 施工工艺

防渗施工流程见图1。

图1 防渗施工流程

5.2 主要施工方法和技术措施

5.2.1 基础防渗

（1）截渗槽开挖。使用长臂挖掘机由左岸向右岸开挖，截渗槽底部开挖至基岩层，开挖深度3～4 m，槽底宽2 m，边坡控制在3∶1。开挖过程中，配置2台80 m3/h泥浆泵抽水，3台100 m3/h潜水泵作为备用，人工配合机械做好槽内排水，保证截渗槽开挖和回填土料干地施工。基础开挖及运输主要使用斗容1 m3长臂挖掘机、8～15 t自卸车和160型推土机。在围堰上游修筑施工道路至工作面，将开挖料运至弃料场。基础开挖完成后，由人工修整基面并将浮渣、碎石、淤泥等清理干净。

（2）截渗槽复合土工膜铺设及黄土填筑。复合土工膜铺设自左岸向右岸进行，分段横向铺设 （相邻膜段拼接），一次铺满槽底，在槽顶处分别向上下游延伸2 m富余宽度，以备上游水平铺盖和坡面土工膜铺设拼接。铺好后，其上部用装土水泥袋镇压或包裹卵石系绳索上拉固定，每1.5 m留一褶皱，防止施工扰动时拉裂土工膜，纵向每隔一定间距用木板、钢架杆或装土水泥袋镇压，防止其滑动移位及风吹破坏。对发现的孔洞用手工热焊枪焊补。截渗槽内黄土填筑自右岸向左岸进行，用8～15 t自卸车运至截渗槽顶部，160型推土机辅助推土，斗容1 m3长臂挖掘机挖料至槽内并摊铺 （人工辅助摊铺），分层碾压填筑黄土，逐层碾压密实达到设计要求。在填筑中，工作面3 m宽范围内采用1.5 t平板振动碾碾压；工作面3～5 m宽范围内采用18 t自行平碾碾压，边角相接处用蛙式打夯机压实，最后填筑至槽顶。

5.2.2 坡面防渗

复合土工膜施工工艺流程为：防滑齿槽开挖→坡面清理→铺垫碾压黄粘土→清理平整→铺设复合土工膜→拼接→回填夯实齿槽及保护层→铺袋装戈壁护坡 （或块石护坡）。

表3 黄土的物理力学性质试验成果

围堰主体砂石料填筑至967.50 m高程后，对上游坡面按1∶2进行人工整坡，成形后先铺垫20 cm厚的碾压黄土，人工平整后，在堰顶处将复合土工膜埋入防滑齿槽内，其上部用装土水泥袋镇压或包裹卵石系绳索上拉固定，顺坡面横向铺设复合土工膜，每1.5 m留一褶皱，防止下滑时拉裂土工膜，纵向每隔一定间距用木板、钢架杆或装土水泥袋镇压，以防止其滑动移位及风吹破坏。在坡脚处与截水槽伸延2 m宽度的膜拼接好，土工膜接头宽20 cm，接缝处膜材采用热楔式双缝自动塑焊机焊接，对发现的孔洞用手工热焊枪焊补，布材使用手提式缝合机缝合。

5.2.3 水平及坝肩防渗

使用160型推土机推开截渗槽上游30 m范围河床表层淤土 （厚约60 cm），地面平整好后，铺填20 cm厚碾压黄土垫层，人工清理平整后，从截渗槽至上游铺设30 m长土工膜，并与截渗墙内向上游延伸2 m富余宽度的土工膜拼接好，膜上铺填30 cm厚河床淤土铺盖并碾压平整，然后覆盖河床料恢复原地面。

河床截渗槽开挖时，沿槽中心线向围堰坝肩两岸延伸至966.50 m高程，利用长臂挖掘机剥离强风化层并削坡至1∶4，开槽深1.5 m，底宽2 m，边坡3∶1。铺膜、填土等工序与截渗槽施工相同。右坝肩沿河床上游方向延伸20 m，以保护防止坝肩渗漏。

6 结语

围堰工程是头屯河水库除险加固工程的关键，工程于2009年8月20日开工，9月18日实现导截流，2010年6月4日拆除，运行历时254 d，经受了2009年新疆60年一遇严寒 （室外最低温度-38℃持续3天）和2010年春洪的考验，围堰渗水量、渗透比降均小于设计允许值，运行安全，防渗效果较好，保证了涵洞加固干地施工和冬季施工的顺利实施。实践证明，头屯河水库围堰工程采用复合土工膜和黄土组合防渗技术，减小了施工难度，提高了功效，缩短了施工工期，降低了投资，具有较好的适应性，可为类似工程提供一定的参考。

［1］马军.头屯河水库除险加固工程施工导截流设计［J］.水科学与工程技术， 2012（1）:21-22.

［2］马军.浅析头屯河水库除险加固工程导流围堰方案优化［J］.水利科技与经济， 2012， 18（3）:56-59.

［3］SL 303—2004 水利水电工程施工组织设计规范［S］.

［4］SL/T 231—98 聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范［S］.

［5］SL/T 225—98 水利水电工程土工合成材料应用技术规范［S］.