大红泉水库坝体土工膜防渗层方案比选与渗漏计算

刘英杰，韩秀娟，厍永慧，刘艳霞

(1.酒泉市水利水电勘测设计院，甘肃 酒泉 735000；2.酒泉市三木工程设计有限公司，甘肃 酒泉 735000；3.酒泉市水利工程质量与安全监督管理站，甘肃 酒泉 735000)

1 概述

随着甘肃河西地区经济社会发展对区域水资源优化配置的需要，近年来该地区陆续兴建了数座水源调蓄工程，其中酒泉市循环经济产业园区水源调蓄工程大红泉水库作为玉门市近年来投资规模最大、供水最集中、带动性最强、产生效益最高的水利综合性枢纽项目，不仅解决了酒泉市循环经济产业园区现有企事业单位的用水问题，也保证了玉门市工业经济健康稳定发展，进一步促进了地方经济的可持续发展。大红泉水库位于甘肃省玉门市老市区境内，工程设计年引水量881.45万m3，年供水量695万m3，总库容为350万m3，其中调蓄库容340万m3，死库容10万m3，是一座以工业供水为主的小(1)型水库。

大红泉水库坐落于甘肃河西走廊山前洪积扇地段，该地段属砂砾石覆盖层厚度极大、渗透性强烈的垂直渗漏区，在此修建水库如不采取可靠的防渗措施势必会出现水库库区或坝基渗漏等问题，从而导致水资源浪费和水库不能充分发挥效益，综合考虑到上述原因，在设计阶段决定对大红泉水库进行全库盘复合土工膜防渗。本文主要以大红泉水库为例，通过计算不同类型土工膜防渗层的渗漏量来合理确定全库盘防渗水库防渗层方案，以期为本地区同类型全库盘土工膜防渗水库防渗层选择提供较为实用的参考价值。

2 坝体土工膜防渗层方案比选

2.1 土工膜防渗层比选方案简介

众多土工膜试验与工程经验表明，当沿用达西定律时，满足不透水要求的土工膜渗透系数一般要达到10-13～10-15m/s之间。在工程实际中，常认为渗透系数k<10-10m/s的黏土为不透水防渗材料，由此也可以推断土工膜亦为不透水防渗材料。但是实际上工程中常用的防渗土工膜厚度远小于黏土防渗体，因而在相同水头差作用下土工膜的水力梯度远大于黏土防渗体，土工膜的不透水性其实是相对的。同时，在土工膜施工过程中或多或少会产生各种类型的土工膜缺陷，如土工膜接缝焊接时局部粘结不实产生的具有一定长度的窄缝缺陷，又如施工机械和工具造成的土工膜刺破现象。因此本文认为，在全库盘土工膜防渗水库防渗层选择时，应着重以不同类型土工膜防渗层的渗透性产生的渗漏量和施工中产生的缺陷渗漏量为依据，确定土工膜防渗层方案。常用全库盘防渗水库土工膜防渗层一般包括单层土工膜防渗层和在土工膜下铺设一层低渗透性土层的土工膜复合防渗层，本工程即采用这2种土工膜防渗层方案进行技术经济比选，以确定合理的土工膜防渗层方案。

根据大红泉水库设计方案，方案一为单层土工膜防渗层方案，该方案防渗层顺水流渗透方向依次为：100mm厚C25F300W4预制砼护坡、300mm厚砂砾石垫层(粒径5～50mm)、100mm上部细砂保护层、300g/0.4mm/300g二布一膜复合土工膜、100mm下部细砂保护层、夯填砂砾石坝体(Dr≥0.80)，如图1所示。方案二为土工膜复合防渗层，该方案防渗层顺水流渗透方向依次为：100mm厚C25F300W4预制砼护坡、300mm厚砂砾石垫层(粒径5～50mm)、100mm厚上部细砂保护层、300g/0.4mm/300g二布一膜复合土工膜、300mm厚粘土防渗层、夯填砂砾石坝体(Dr≥0.80)，如图2所示。

图1 单层土工膜防渗层方案(方案一)

图2 土工膜复合防渗层(方案二)

2.2 土工膜渗漏水量计算

在土工膜的渗漏水量时可以沿用土体孔隙介质渗流理论，即按以下进行计算。土工膜的渗漏水量也可以把厚度为的土工膜按渗透/kg转化成为厚度为Te、渗透系数为ke(膜后均质土坝的渗透系数)的均质土坝计算确定其渗漏量。

(1)

式中，Q—土工膜的渗漏水量，m3/s;kg—土工膜的渗透系数，本次计算取为1.0×10-13m/s;Hw—土工膜上、下的水头差，本次计算取为10.0m;A—土工膜的渗透面积，本次计算取为425200m2；ts—土工膜的厚度，本次计算取为0.4mm。

通过计算，全库由土工膜的渗透引起防渗层的渗漏水量方案一和方案二均为91.84m3/d。

2.3 土工膜缺陷渗漏水量计算

2.3.1方案一缺陷渗漏水量计算

由于施工中产生的缺陷存在较大偶然性，因此只能依靠国内外类似工程渗漏水量的实测数据进行参考。根据相关文献记载，施工所产生的土工膜缺陷，约每4000m2发现一个。其中接缝不实等形式形成的缺陷，可以换算成圆孔等效孔径一般为1～5mm，某些偶然因素产生的缺陷等效孔径可以换算为10mm，因此孔的大小与施工条件密切相关。当施工条件较差时，可取缺陷的等效孔径为10mm(或称大孔)；施工条件较好时，可取缺陷等效孔径为2～5mm(或称小孔)。

当土工膜膜下土层的渗透系数>10-3m/s时，可以假设为无限透水，通过土工膜破损孔洞的渗漏量可用孔口自由出流公式计算。当按每4000m2出现一处缺陷考虑时，425200m2土工膜内将可能存在约100处施工缺陷，计算时按照缺陷为小孔和大孔分别计算。当缺陷为小孔时，取等效孔径d=2mm；当缺陷为大孔时取，等效孔径d=10mm。

(2)

式中，Q—缺陷渗漏量，m3/s；A—缺陷孔的面积总和，当缺陷为小孔时取为0.0003m2，当缺陷为大孔时取为0.008m2；g—重力加速度，取9.81m/s2；Hw—土工膜上、下水头差，取为10m，μ—流量系数，一般可按μ=0.60～0.70，本次计算取0.60。

经计算，当施工条件较好即缺陷为小孔时，单层土工膜防渗层缺陷渗漏水量为218m3/d；当施工条件较差即缺陷为大孔时，单层土工膜防渗层缺陷渗漏水量为5809m3/d。

2.3.2方案二缺陷渗漏水量计算

复合防渗层是由土工膜和膜下渗透系数<1×10-5m/s～1×10-9m/s的低渗透性土组合而成。根据膜下土层的相对厚度和膜与膜下土层接触是否良好，可按下列公式计算复合防渗层单个孔洞的缺陷渗漏量。

(1)对于土工膜与膜下土层接触良好的工况，土工膜复合防渗层缺陷渗漏水量计算公式如下：

(3)

(4)

(2)对于土工膜与膜下土层接触较差的工况，土工膜复合防渗层缺陷渗漏水量计算公式如下：

(5)

(6)

(3)对于圆形孔洞缺陷，平均水力坡降可按下式计算：

(7)

式中，Ja—平均水力坡降;R—土工膜缺陷孔下土层内渗透区的半径，m;a—土工膜缺陷等效孔的面积，m2;r1—土工膜缺陷等效圆孔的半径，m;Hw—作用在土工膜上的水头，取10.0m;Hs—土工膜下低渗透性土层厚度，取0.5m;ks—土工膜下低渗透性土的渗透系数，取1×10-8m/s。

根据以上公式计算土工膜复合防渗层缺陷渗漏水量，结果见表1。

表1 土工膜复合防渗层缺陷渗漏水量计算成果表

2.4 土工膜防渗层比选结论

将方案一和方案二的渗漏量计算结果汇总于表2。从表2可以看出，质量较差的单层土工膜防渗层的渗漏水量高达5900.84m3/d，施工质量较好的为309.84m3/d。而土工膜复合防渗层的渗漏水量则分别为176.24～108.34m3/d和153.72～103.95m3/d。由此可见，单层土工膜防渗层的缺陷渗漏量受缺陷尺寸大小的影响十分明显，因此采用土工膜复核防渗层方案要明显优于单层土工膜防渗层方案。

3 结语

(1)水库单层土工膜防渗层的缺陷渗漏量受缺陷大小的影响相当明显，而对于土工膜复合防渗层的影响则相对较小。因此从减小水库土工膜防渗层渗漏量的角度出发，采用土工膜复合防渗层的防渗效果要明显优于单层土工膜防渗层。

表2 渗漏量计算结果比较

(2)随着土工膜膜上水头的增加，缺陷渗漏量也会相应增大，二者基本呈线性关系。但是对于土工膜复合防渗层来说，缺陷渗漏量受低渗透性土层厚度的影响较小，这就表明土工膜下部低渗透性土层无需太厚，但是缺陷渗漏量受低渗透性土的渗透系数影响较大，因此在选择膜下低渗透性土层时可选用厚度较薄、渗透系数较低的防渗土料。

(3)土工膜与下部土层的接触情况、土工膜缺陷的大小、数量均受施工水平、施工质量等因素的影响，因此精心施工是保证土工膜发挥良好防渗作用的重要基础与保障。