库盘土工膜水平防渗在面板堆石坝中的应用

胡海涛，赵万强

（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000）

库盘土工膜水平防渗在面板堆石坝中的应用

胡海涛，赵万强

（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000）

柯柯亚二库坝基为深厚的透水性砂砾石层，枢纽布置上突破了拦河式面板坝基础垂直防渗的常规布置，采取土工膜水平全库盘防渗布置，并涵盖了坝顶溢流、坝下埋涵等措施，尤其是库盘引洪渠的设置解决了大坝截流后库盘导流及施工期泄洪问题，为平原区布置拦河式水库枢纽工程积累了经验。

库盘；土工膜；水平防渗；柯柯亚二库

混凝土面板堆石坝和土工膜防渗技术在水库工程建设中均为较常见的筑坝型式和防渗措施，单纯土工膜防渗水库以灌注式水库居多，近年来也建成了一些拦河式土工膜防渗水库，如新疆木垒县的博斯塘水库等，已建成的拦河式土工膜防渗水库坝基均采用混凝土防渗墙等垂直防渗技术，且河床砂砾石覆盖层相对较浅，基础处理较为简单，深厚覆盖层且强透水地基上修建拦河式水库工程仍具有一定的局限性。柯柯亚二库是建于深厚砂砾石覆盖层上的拦河式砂砾石面板坝，坝体采用混凝土面板砂砾石坝，库盘采用土工膜水平铺设全防渗，库盘土工膜水平铺设面积68万m2，土工膜与面板坝趾板相连接，与混凝土面板形成了水库完整的防渗体系，结合了面板坝适应变形能力强、土工膜防渗效果好且造价低廉的特点，取得了较好的效果。柯柯亚二库于2014年10月完工，同年11月通过阶段验收后下闸蓄水。本工程的建成为坝基不具备垂直防渗条件的拦河式水库工程的建设提供了宝贵的经验。

1 柯柯亚二库概况

柯柯亚二库是柯柯亚河上的二级水库枢纽工程，位于新疆鄯善县，距离上游出山口处的柯柯亚水库12km，居于河流出山口后的中下游段。柯柯亚二库具有工业供水、城镇供水和农业灌溉等综合效益，是一项综合利用水库工程。柯柯亚二库为小（1）型工程，总库容 945.0万 m3，最大坝高27.1m，坝长2935m，其中主坝长620m，东副坝长1283m，西副坝长1032m。坝型为混凝土面板砂砾石坝，库盘采用土工膜全库盘水平防渗，土工膜与趾板相连接与坝体面板形成完整的防渗体。

2 库区地质概况

柯柯亚二库坝址处在柯柯亚河浅宽河段上，位于柯柯亚河中下游地段的河漫滩河床地段，地貌上属山前冲洪积砾质倾斜平原区，河床东西两岸发育有I～Ⅲ级阶地，阶地地形较平坦。Ⅲ级阶地在库坝区广泛分布，表现为冲洪积形成的砂卵砾石堆积地貌，多为高出河床10～15m的台地，其中左岸高出河床10m左右，右岸高出河床15m左右。

柯柯亚二库在主河道上修建拦河主坝，在东西两侧冲洪积堆积的台地上修建副坝，整个库区及两岸均为第四系堆积物所覆盖，未见基岩出露（据调查资料显示第四系堆积物厚度约为400m）。库区出露的岩性主要有第四系上更新统冲洪积砂卵砾石、全新统坡积含土碎石以及全新统冲积砂卵砾石， 结构松散 ～中密， 干密度为2.15～2.19g/cm3。坝基及库盘砂卵砾石层的渗透系数K=1.17×10-3～8.1×10-2cm/s，属中等～强透水层。

3 枢纽布置型式

柯柯亚二库枢纽工程由拦河主坝、东西两岸副坝、坝顶溢洪道、库盘水平防渗土工膜、放水洞和供水管道几部分组成。受到地形地质条件的限制，柯柯亚二库枢纽工程建筑物的布置具有一定的局限性，同时也具有一定的特点。枢纽总体布置平面图见图1。

图1 柯柯亚二库枢纽平面布置图

3.1 面板坝结合土工膜水平铺设全库盘防渗布置

柯柯亚二库坝址区为透水性较强的砂卵砾石层，水库渗漏是主要问题，既要解决坝体渗漏问题，也要解决库盘渗漏问题。由于坝址区深厚砂砾石层，垂直防渗几乎无法实现，因此采取水平防渗的处理方式，经多方案比选采用造价低廉、防渗效果较好的土工膜作为水平防渗材料，全库盘铺设土工膜68万m2。坝体经比选采用混凝土面板砂砾石坝，土工膜与趾板连接，与混凝土面板形成水库完整的防渗体。面板坝结合土工膜水平防渗的布置型式是本工程的一大特点，同时趾板与土工膜的连接方式与防渗效果成为水库防渗的关键点。趾板与土工膜连接见图2。

3.2 坝顶溢洪道

图2 趾板与土工膜连接图

柯柯亚二库为拦河式水库，虽不承担防洪任务，但仍须宣泄进库洪水。由于坝址区地形及地质条件限制，不具备布置岸坡溢洪道的条件，因此将溢洪道布置在主坝上，消能方式采用底流消能。坝体溢洪道的关键是减少溢洪道段坝体沉降引起的堰体及泄槽段的变形影响，以及水流拖拽及脉动压力对泄槽底板抗滑稳定的影响。

针对坝体沉降引起的堰体变形问题，本工程采取三个方法减少影响。其一是延长坝体自然沉降时间，坝体填筑完成自然沉降7个月后再进行坝顶溢洪道的施工；其二是对溢洪道段坝体提高压实标准，坝壳料压实后相对密度由其他坝段的0.8提高至0.9，减少其沉降变形量；其三是泄槽底板采用叠瓦式构造，即上段底板末端与下段底板始端结合部搭接布置，并采用可滑动连接，以适应槽身的伸缩变形。

针对泄槽抗滑稳定问题，本工程采取钢筋混凝土锚固加固的方法。利用6m长的水平钢筋锚固于坝体内，另一端与泄槽底板混凝土相连接，加强泄槽底板的抗滑稳定性。泄槽底板锚固见图3。

3.3 坝下涵洞涵管

坝下埋涵在新疆水利工程中已不鲜见，多承担引放水任务，柯柯亚二库坝下涵洞兼有灌溉引水和泄洪功能，涵洞洞身尺寸为3.5m×4.0m，闸井将涵洞分为有压段和无压段两部分，最大下泄流量为82.5m3/s。

图3 带地锚的底板加固形式图

3.4 库盘引洪渠

柯柯亚二库为拦河式全库盘土工膜防渗工程，原引水灌溉渠道柯柯亚干渠穿越拟建库盘，为满足施工期下游供水和泄洪要求，在库盘中部纵向布设了一道引洪渠（图4示），引洪渠始端与河床及原柯柯亚干渠相接，末端与灌溉兼泄洪洞相连，贯穿于库盘起到连接水流的作用，即解决了施工期下游供水和截流后施工期洪水穿越库盘导流的问题，在运行期也起到洪水导向作用，将汛期洪水沿引洪渠导向库底死水位处，避免洪水漫流对库盘土工膜上垫层造成冲刷。引洪渠典型剖面见图4。

图4 引洪渠典型剖面图

4 防渗体系

柯柯亚二库位于透水地基上，防渗体系的成功与否决定着水库建设的成败。坝体采用混凝土面板防渗，库盘采用土工膜防渗。

4.1 坝体面板防渗

本工程坝体分为主坝和副坝，主坝为现浇混凝土面板防渗，东西副坝为分离式面板防渗，面板厚度0.3m。面板坝防渗技术已较为成熟，在此就不做详细介绍。坝体结构图见图5。

4.2 土工膜设计

柯柯亚二库库盘基础为强透水砂砾石层，土工膜是库盘唯一防渗层，土工膜设计的成败决定了柯柯亚二库设计的成败，土工膜防渗结构包括土工膜、保护层和支持层。

4.2.1 土工膜厚度的确定

土工膜厚度根据《土工合成材料工程应用手册》采用耐水压力击破方法计算，并考虑其他因素确定。

经计算，塑膜厚度为0.54mm，参照已建类似工程选取塑膜厚度为：水头大于 20m塑膜厚度0.8mm，水头小于20m塑膜厚度0.6mm。

4.2.2 土工膜选择

土工膜的选择包括塑膜厚度和复合非织造布的选择，柯柯亚二库承担城市及工业供水任务，因此塑膜和复合非织造布的材质均应满足国家相关食品包装用聚乙烯成型品卫生标准的要求，经类比类似工程最终选取涤纶短纤非织造布复合土工膜，规格为200g/0.8mm/200g和200g/0.6mm/200g。

4.2.3 防渗结构

土工膜防渗结构从上到下依次为膜上保护层、复合土工膜、膜下支持层。

（1）膜上保护层：柯柯亚二库膜上保护层为厚度40cm的砂砾石层，主要起到对土工膜的压盖保护和防御紫外线辐射作用。

（2）膜下支持层：复合土工膜是柔性材料，全靠支持层的支撑而存在，支持层应使土工膜受力均匀，免受局部集中应力的损坏。支持层一般分为两层，上层为小于5mm的细粒垫层，厚度一般不超过50mm，下层为一定厚度的级配砂砾石料，这对于库盘面积68万m2的柯柯亚二库来说施工进度受到较大影响。因此，施工阶段柯柯亚二库膜下支持层采用厚度150mm、最大粒径小于20mm的级配砂砾石料，并利用耐水压试验仪进行复合土工膜刺破

图5 坝体结构图

试验，试验结果表明最大粒径20mm的砂砾石级配料作为下支持层不会对土工膜造成破坏，不会影响其防渗效果。

5 结束语

土工膜防渗在水库防渗中的应用已屡见不鲜，本文的特点是拦河式混凝土面板坝与土工膜全库盘防渗相结合的枢纽布置型式，集坝顶溢流、坝下埋涵于一身，尤其是引洪渠的布置解决了截流后施工期导流泄洪问题，同时坝顶溢洪道、副坝分离式面板的布置型式以及膜下支持层采用级配砂砾石料等均具有一定的特点，为不具备修建山区水库的平原区透水地基上修建拦河式水库枢纽工程积累了经验。

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图4 无截水环条件下涵管顶部渗透坡降值变化

4 结论

在不设置截水环条件下，本文对不同涵管距离下的涵周渗流特征进行研究。在研究过程中，通过ABAQUS软件进行有限元划分后，从渗流流速、渗透孔压、渗透坡降值等方面就不同渗透系数涵管周围渗流场的影响进行分析。经过计算和分析，得出如下几点基本结论：

（1）随着涵管顶轴线距离的变化，不同渗透系数下的渗流流速都呈现上升趋势，且在出口处达到最大值。

（2）随着涵管周围渗透系数的增加，出口渗流流量呈显著线性增加特征。

（3）在不同渗透系数下，随着上下游距离的变化，渗流孔压呈现抛物线型降低特征；在各距离值处，涵管顶部渗流孔压值十分接近。

（4）随着涵管顶轴线距离的变化，各渗透系数下的渗透坡降呈显著增加特征；当涵管顶轴线距离小于110.3m时，各渗透系数下的渗透坡降值十分接近，不存在显著差异。

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TV441

B

1672-2469（2017）02-0104-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.033

2016-05-13

胡海涛（1976年—），男，高级工程师。