全库盆土工膜防渗在岩溶水库中的应用

李泳冰

【摘要】岩溶地区成库条件十分复杂，地质勘察工作很难查明库区内所有岩溶的情况，本文针对小型水库的库区防渗进行探讨，分析了土工膜全库区防渗的优缺点，通过比选提出了岩溶地区小型水库的最优防渗方案，并详细提出了的防渗结构设计。

【关键词】土工膜；全库盆；岩溶；防渗

1、工程概况

某水库位于重庆市岩溶发育地区，水库库容为37.3万m3，属小（2）型水库，主坝挡水建筑物采用埋石混凝土重力坝方案，最大坝高30.5m，最大坝底宽26.5m，坝轴线长140.0m，坝顶宽5.0m。溢流坝段布置于河床段，长13.0m；左岸非溢流壩段长67.0m；右岸非溢流坝段长60.0m。非溢流坝段布置于左右岸岸坡。溢流堰采用无闸门控制的表孔溢流，共设2孔，孔口尺寸为5×2m（B×H）。下挖式消力池紧接溢流坝末端布置，池长10.0m，池净宽10.0m。

水库位于鱼皮泽背斜的北西翼，河谷为纵向谷，受地层岩性及构造影响，库区内岩溶较发育，水库成库条件差。水库蓄水后存在沿岩层走向方向及左岸低邻谷方向的渗漏，存在库首右岸的绕坝渗漏及库区内刘拿子-风吹垭口溶槽的岩溶渗漏。库区已查明4处上升泉，1处落水洞。地质情况相对复杂。

2、库区防渗设计

由于本工程属于小（2）型水库工程，库区存在多处不确定的岩溶通道，成库地质条件差，但库区水资源丰富，工程的社会效益好，故本工程的实施是很必要的。库区防渗采用注浆方案存在失败的主要风险：①由于工程较小，探清全部岩溶通道费用较高，岩溶通道的走向、大小及范围不确定，岩溶地区注浆量无法控制；②库区岩溶范围广，注浆范围大，无法确定注浆位置；③库区岩溶处理不确定性太大，且处理效果较难控制。因此采用合理的库区防渗方案是保证水库工程顺利实施的重要前提。

2.1 库区防渗方案的选择。根据地表地质调查及钻探揭示，库盆内大多基岩裸露，基岩总体完整性较好，仅刘拿子-风吹垭口溶槽地表有覆盖层分布，覆盖层厚0.5-2.0m。库盆内未见明显的大型岩溶塌陷及大型暗河系统，库盆已发现的落水洞（消水坑或漏斗）规模较小，表层覆盖层薄，下部基岩主要以溶蚀裂隙为主，水库蓄水造成大面积岩溶塌陷的可能性较小。库盆地基整体稳定性较好，适宜进行库盆整体防渗。

全库盆防渗处理方案主要有三种，分别为：复合土工膜防渗、沥青砼防渗、钢筋砼防渗，三种方案各有优缺点，本工程通过充分的经济技术比较，综合考虑采用土工膜防渗。土工膜防渗优点：自身变形模量较大，适应地基变形能力较好，对基础要求较低，施工工艺较简单，防渗性能可靠，投资最小。缺点：对土工复合膜上下垫层要求高，铺设层数多，施工干扰大，接缝处理难于控制，接缝处理是渗漏的关键。防渗可靠性略差。方案的选择主要从施工工艺、防渗布置、基础处理、单位面积投资、优缺点等几个方面来比较。

2.1.1 复合土工膜方案：（1）施工工艺，铺面基本平整，土工膜沿一定方向铺设，不能太紧，应留有一定伸缩量，以适应基体的变形。土工膜两边均预留一定宽度PE膜与PET不粘合层，铺设时要调整好每个单元土工膜走向，以便于两个单元土工膜的焊接。土工膜的焊接：a对于铺设好的土工膜，边缘接缝处要求不能有污物、水份、尘土等。b焊接前要调整好接缝处两幅边PE单膜，使之搭接一定的宽度，且平整、无折皱。（2）防渗布置，岩基陡坡段30cm浆砌石、3cm砂浆找平下垫层、缓坡段15cm中粗砂下垫层→复合土工膜→陡坡段8cm厚C20砼连锁预制块、缓坡段30cm厚粘性土保护层及10cm碎石保护层。（3）基础处理，基本不需要基础处理，（4）单位面积投资为189.62元/m2。（5）主要优点是自身变形模量较大，适应地基变形能力较好，对基础要求较低，施工工艺较简单，防渗性能可靠，投资最小。缺点是对土工复合膜上下垫层要求高，铺设层数多，施工干扰大，接缝处理难于控制，接缝处理是渗漏的关键。防渗可靠性略差。

2.1.2 沥青砼防渗方案：（1）施工工艺，利用沥青混凝在当温度90℃以上（特别是在110℃以上）时，具有良好的可塑性，和良好的碾压施工性能。160℃以上的沥青混凝土拌和料，由摊铺机摊铺成一定厚度的面板，自带振动板进行预压。当降低到110～130℃左右，用振动碾进行2～3遍碾压，达到设计要求的密实度。当温度进一步降低到90～100℃左右时，对面板进行收光碾压。从而形成符合设计要求的面板结构。（2）防渗布置，2mm浅白色沥青玛蹄脂封闭层、5cm沥青砼防渗层、5cm沥青砼整平胶结层、30cm碎石支持层。（3）基础处理，未换填基础部分及新库基础，采用厚不小于0.3m的块石换填，沼泽带换填厚度加大为1m，换填后承载力大于200KPa。（4）单位面积投资为274.15元/m2。（5）主要优点是施工速度快、防渗效果最好、低温抗冻、较好适应基础变形，对基础要求低，可整体施工缩短工期。且具有良好的抗渗性、极佳柔性变形及自愈自合功能，施工干扰较小，防渗可靠性较好。缺点是对温度的控制贯穿整个施工过程；质量控制重点一般在接缝处理（主要是冷缝）、与水泥混凝土构筑物结合部、试验芯样孔等；施工工艺复杂，投资大。

2.1.3 钢筋砼防渗方案：（1）施工工艺，要求基础平整，碾压密实。采用防渗钢筋砼，在低温季节浇筑，入仓温度应加以控制。面板需分缝并止水，分为护岸垂直缝、周边缝、库盆纵横缝以及隔坝缝等，砼浇筑完成后，需对砼进行长期保湿和保温养护，避免砼面板出现温度裂缝。如出现裂缝宽度大于0.2mm或判断为贯穿性裂缝时，应采取专门措施进行处理。（2）防渗布置，有效厚度不小于25cm钢筋砼面板防渗层。（3）基础处理，未换填基础部分及新库基础，采用厚不小于0.4m的换填，沼泽带换填厚度加大为1m，换填后承载力大于200KPa。（4）单位面积投资为286.46元/m2。（5）主要优点是施工工艺简单，地基适应条件较好；钢筋砼结构可承受较高水压，采取有效的分缝措施后，可靠性最好。缺点是后期养护时间长，为防止砼面板开裂及适应地基变形，分缝较多，但投资较大。

2.2 防渗结构的设计

2.2.1 膜的规格的选择。根据类似实际工程经验，土工膜厚度0.3mm～0.6mm，对于重要工程应适当加厚，以保证焊接质量；对于次要工程可适当减薄，但最小不得薄于0.3mm。

根据作用水头，膜下可能产生的裂隙宽度，膜的应变和强度等通过估算，并参照已建工程实际经验确定土工膜厚度。本工程土工膜承受最大设计水头为14.5m，并结合国内坝工实践经验，中水头坝膜厚度为0.5mm～0.6mm。初步拟定本工程复合土工膜的规格采用250/0.6/250，单位面积重量1000g/m2，土工膜采用PE膜，膜厚0.6mm，规格，单面土工布规格为250g/m2。

复合土工膜铺设时尽量选用宽幅，本工程宽幅为8m，减少拼接量，应留有足够余幅，通常余幅大于1.5%，以便拼接和适应气温变化；间隔一定距离复合土工膜宜铺置成波纹状折皱，以适应基体变形，特别是与刚性材料锚固时，应留有一定的伸缩量；从复合土工膜铺设到保护层回填应避免石块，重物尖锐物体直接砸击和接触复合土工膜，以免薄膜被刺穿破坏。复合土工膜的接缝处理是施工的关键程序，直接影响工程运行寿命，据质量检测表明，采用热焊方法比较理想，焊接时，相邻两块膜料薄膜搭接长度为10cm，采用双焊缝，焊缝宽度约10cm，焊缝内不许带入土粒及杂物。最好是具有一定经验的技术人员焊接，焊接使用专用焊接机进行焊接，要调整好温度和速度。

2.2.2 库区防渗分区。本工程整个库底地质条件不相同且相差较大，故防渗方案需进行分区。

采用土工膜防渗时，为便于维护、检修，采用50cm×50cm混凝土框格将土工膜分成若干小区，分区尺寸约6m×30m，混凝土框格形成相对封闭的分区，同时，砼框格采用锚筋锚入地基，可增加土工膜的稳定性。

2.2.3 膜与建筑物的衔接。为了保证库区防渗的效果，在防渗复合土工膜与建筑物衔接时，应作为重点部位进行设计。

（1）防渗复合土工膜与坝体的衔接。防渗复合土工膜铺设至坝前时，土工膜弯折至大坝坝前回填槽下，深度为2～3m在坝前槽回填C20砼，土工膜并预留一定的延伸长度，土工膜应锚固于面板，以保证土工膜不易滑动变形。与大坝止水衔接时，要求大坝垂直止水弯折出坝体，与防渗土工膜叠合后锚固于坝体。

（2）防渗复合土工膜与取水塔的衔接。防渗复合土工膜铺设至取水塔时，在取水塔四周设置锚固槽，将土工膜锚固于建筑物，并采用C15砼回填取水塔四周锚固槽固定土工膜。

2.2.4 防渗结构设计。土工膜防渗结构体自下而上主要由支持层、下垫层、土工膜、上垫层及保护层等五层组成。复合土工膜采用两布一膜，土工布具有隔离，排水及加筋防护作用，土工膜具有封闭、防渗作用。

复合土工膜對基础要求较高，要求库底及岸坡基础面平整、且基础沉降变形较小，根据本工程特点，最大水深约14.5m，要求本工程地基承载力不小于200KPa。

基础处理达到设计要求和蓄水区分区防渗布置落实后，再在基础上依次铺设支持层、下垫层、复合土工膜及保护层。支持层作用是对基础进行排水、排气；下垫层作用是保护复合土工膜不被支持层尖锐物刺破，同时可避免因地基不均匀变形造成复合土工膜撕裂破坏；保护层的作用是保护复合土工膜不受人畜破坏及紫外线的直接照射。本工程库区防渗总面积约为52589m2。

支持层：支持层起排水、排气的作用，防止复合土工膜受水、气顶托破坏；可避免因地基不均变形造成应力集中或过大的局部变形造成土工膜破坏。对水、气体作用较大工程应设置逆止阀、盲沟排水、排气。根据本工程地基地质特点，对于土质地基，支持层为粘土层，粘土层应清楚杂质，挖除树兜，表面整平并压实，压实度不小于0.92；对于岩石地基陡于1：1.5的边坡，支持层采用浆砌石找平至1：1.5边坡；缓于于1：1.5的边坡，支持层为岩基。在地基中应布置纵横盲沟，盲沟尺寸0.5x0.5m，沟中采用碎石回填，横向排水管采用DN150PVC管，纵向排水管采用DN300PVC管，纵向排水管通过坝体接至大坝外，排水管管身钻DN20孔并包裹土工布。

下垫层：下垫层的作用为保护土工膜不被刺破，还起到排水、排气缓解地基不均匀沉降和水、气顶托的作用。本工程采用复合土工膜，膜上下的土工布具有一定保护作用。支持层采用浆砌石时，在浆砌石面用3cm厚水泥砂浆找平找平，其余部位下垫层采用15cm中粗砂。

复合土工膜：本工程区属于较寒冷地区，且复合土工膜使用面积大，结合本工程蓄水区实际情况，复合土工膜采用耐腐蚀、耐低温、抗冻性好、单幅宽带大、易焊接的聚乙烯膜（PE膜）。

本工程复合土工膜的规格采用1000g/m2，膜厚0.6mm（即规格250/0.6/250，一层土工布重250g/m2，单层膜重500 g/m2，膜厚0.6mm）。土工膜宽幅为8m，长度方向每30m分一区。土工膜铺设顶部高程为1706m，库区上游铺设至出水洞口内。

保护层：保护层材料可采用库区粘土、砂砾石、预制或现浇混凝土、浆砌或干砌块石。本工程库区有一定数量的粉质粘土，因此，优先考虑采用库区粉质粘土为土工膜上保护层材料。本工程对于较缓边坡（缓于1：3）上部保护层先覆盖30cm厚的粉质粘土层，再铺设10cm厚的碎石保护层。

对于陡于1：3的边坡，预制混凝土板及干砌块石均适用于岸坡护坡材料，为提高保护层的整体性，陡坡段采用预制C20砼连锁板防护，厚度8.0cm。

土工膜的锚固：护岸与顶部压顶砼连接处复合土工膜直接嵌入C20砼底座（宽0.5m、高0.5m），并预留一定伸缩量，C20砼座采用锚筋锚固于岩石基础；护坡坡脚设置防滑槽，与防滑槽两边连接的复合土工膜1m范围内宜做成波纹状折皱，预留伸缩空间。

上升泉处理：经地质勘察发现，库区内有4个上升泉（S2～S5），相距较近，距离约为10m，可以通过地下管道（Φ600波纹管）将4个泉水汇集到S2一处后冒出。

为了防止泉水上升或下降对防渗土工膜的破坏，采用竖井的形式，将泉水导出。竖井采用圆筒式结构，筒内径为1.2m，筒壁厚0.3m，下部采用正方形台阶基础，分3级台阶，底部边长为5.4m，二级台阶边长为4.2m，三级台阶边长为3m，每一级厚度为0.5m，圆筒贯穿台阶基础，圆筒内配设有碎石层。竖井采用C20钢筋砼结构。

砼井壁上布置三层DN200排水管，并设置自动放水阀（逆止阀），当井内水位高于库水位时，井水可通过排水管排入水库，降低膜下水头；当水库水位高于井内水位时，逆止閥关闭，保证水库蓄水。

2.3 库区防渗与建筑物的衔接设计。为了保证库区防渗的效果，在防渗复合土工膜与建筑物衔接时，应作为重点部位进行设计。

防渗复合土工膜铺设至坝前时，土工膜弯折至大坝坝前回填槽下，深度为2～3m在坝前槽回填C20砼，土工膜并预留一定的延伸长度，土工膜应锚固于面板，以保证土工膜不易滑动变形。与大坝止水衔接时，要求大坝垂直止水弯折出坝体，与防渗土工膜叠合后锚固于坝体。

防渗复合土工膜铺设至取水塔时，在取水塔四周设置锚固槽，将土工膜锚固于建筑物，并采用C15砼回填取水塔四周锚固槽固定土工膜。

3、设计方案主要问题的解决

3.1 防渗膜下的排水排气问题。膜下设置支持层，支持层起排水、排气的作用，防止复合土工膜受水、气顶托破坏；可避免因地基不均变形造成应力集中或过大的局部变形造成土工膜破坏。对水、气体作用较大工程应设置逆止阀、盲沟排水、排气。根据本工程地基地质特点，对于土质地基，支持层为粘土层，粘土层应清楚杂质，挖除树兜，表面整平并压实，压实度不小于0.92；对于岩石地基，陡于1：1.5的边坡，支持层采用浆砌石找平至1：1.5边坡，缓于于1：1.5的边坡，支持层为岩基。在地基中应布置纵横盲沟，盲沟尺寸0.5×0.5m，沟中采用碎石回填，横向排水管采用DN150PVC管，纵向排水管采用DN300PVC管，纵向排水管通过坝体接至大坝外，排水管管身钻DN20孔并包裹土工布。

膜的塌陷问题：库区内存在一处塌坑，处理方法是在施工在将坑周边土方开挖，探明坑的基本走向，然后将坑封闭，采用盖板封盖，

4、结论

通过对小型水库的全库盆防渗，有效避免了岩溶库区的渗漏处理问题，对库区防渗方案进行必选，采用土工膜防渗优势明显：自身变形模量较大，适应地基变形能力较好，对基础要求较低，施工工艺较简单，防渗性能可靠，投资最小。缺点：对土工复合膜上下垫层要求高，铺设层数多，施工干扰大，接缝处理难于控制，接缝处理是渗漏的关键。通过工程实践：全库区土工膜防渗可行，且防渗效果好；库区的上升泉通过膜下暗涵连通，排水排气通过膜下盲沟连通，最后控制阀排出坝体。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房城乡建设部编，《土工合成材料应用技术规范》（GB/T 50290-2014），中国计划出版社.