所梅乐水库防渗方案设计

高文强，邓 燕

（中水北方勘测设计研究有限责任公司）

1 岩溶地区水库防渗技术现状

针对岩溶地区水库渗漏问题，根据不同的地质和地形情况，采用不同的方法进行防渗处理，岩溶地区水库综合防渗方法概括起来就是避、堵、隔、围、铺、截、导（排）、观八种。一般在坝址区多采用堵、铺、截、导（排）的方法，在水库库区多采用堵、隔、围的方法。具体方法包括铺盖法、堵塞法、围井法、帷幕灌浆等。

2 水库防渗设计

2.1 水库概况

所梅乐水库是南盘江左岸一级支流足马河流域的一座注入式小（1）型水库，总库容231.76 万m3，坝址位于所梅乐村旁天然溶蚀盆地。所梅乐水库主要建筑物由粘土斜墙风化料坝、导流泄洪输水隧洞及库区防渗工程组成。坝顶宽5.00 m，长238.70 m，最大坝高40.60 m。

2.2 库区岩溶发育及特征

所梅乐水库库区、坝区大部被第四系残坡积土层覆盖，左岸有大面积泥质粉砂岩、砂岩分布；右岸及河床部位以白云质灰岩为主，钻揭露白云质灰岩中含有泥质粉砂岩、砂岩夹层。地表岀露白云质灰岩及钻孔揭露白云质灰岩岩芯有溶蚀现象，主要以小型溶孔、溶隙、溶槽为主，溶蚀率3.80%～20.00%。钻孔钻进过程中，未见掉钻、卡钻等现象，未揭露有溶洞发育。

3 岩溶处理设计

3.1 防渗方案选择

根据地勘资料，所梅乐水库主要以溶隙渗漏为主，采用水平防渗方案和垂直防渗两种方案进行比较。

3.1.1 水平防渗

3.1.1.1 粘土铺盖防渗材料

粘土铺盖防渗属于传统的防渗方法，铺盖的厚度视压实后粘土渗透系数和允许水力坡降而定，对于天然土料，《水利水电岩溶工程地质》给出的建议值为人工压实后，其厚度一般相当水库水头的1/10～1/15。所梅乐水库粘土铺盖厚度库盆按3.00 m 设计，库岸防渗厚度由3.00 m 渐变到1.50 m，土料压实度不低于0.95。斜坡段采用预制混凝土护坡，厚度12.00 cm。

根据《碾压式土石坝设计规范》要求，该方案需要渗透系数＜1.00×10-5cm/s 的土料。对于有优质粘性土的地区具有投资省、施工方便的特点，并且有利于生态交换，相对于土工膜铺盖，不需要设置复杂的排水排气系统；缺点是土方工程量大，铺盖厚度按3.00 m计算，需要土方63.00万m3。由于需要粘土土料较多，并且防渗的粘土必须有较小的渗透系数，需寻找专门的土料场，土料场距离工程区6.00 km，需要征地，粘土开挖后场地恢复工作量大；征地工作协调难度较大，填筑压实要求较高，施工过程中，采用分层碾压，控制最大干容量和最优含水量，工期较长，防渗体易出现裂缝和边界连接易渗漏等缺点，考虑到本工程水源为远距离引水，年允许漏失水量仅为22.10万m3，对工程不太适合。

3.1.1.2 混凝土面板防渗材料

采用混凝土面板防渗，厚度按照水头的1/70计算，混凝土板厚度库底厚50.00 cm，岸坡混凝土厚度由50.00 cm自下而上变为30.00 cm，单块面板尺寸5.00 m×5.00 m，为提高面板对基础不均匀沉降的适应性，在库岸变坡、与大坝和隧洞相接处等应力应变集中区，适当减少分缝尺寸。混凝土防渗铺盖的主要缺点是浇筑混凝土板易产生裂缝，混凝土板容易因不均匀沉降而产生裂缝，并且板间分缝较多，存在渗漏通道，一旦产生漏水现象，很难处理，且混凝土浇筑量大，浇筑混凝土时需支设模板，表层需配置防裂钢筋，施工速度较慢，养护复杂，工期较长，该方案工程投资6 558.00万元。

3.1.1.3 复合土工材料

防渗铺盖材料主要有复合土工膜和天然钠基膨润土防渗毯两种。复合土工膜根据无纺土工布的层数分为一布一膜和两布一膜，土工膜抗拉、抗渗、抗撕裂、顶破（CBR）等物理力学性能指标高。天然钠基膨润土防水毯又名GCL，其防渗性能优于压实黏土而低于土工膜，吸附和生态性能优于土工膜，低于粘土。在防渗要求较高或者地形、地质条件复杂的场地，GCL不能替代土工膜。如采用单一复合土工膜防渗，复合土工膜之间采用焊接，土工材料本身及焊缝不可避免的存在质量缺陷问题，会产生渗漏现象；膨润土防水毯具有自愈功能，适用于地基变形较大和存在芦苇等植物可能对防渗层造成破坏以及对防渗要求不高的场所，防渗投资比复合土工膜要高。由于本工程地质条件复杂，采用单一防渗措施防渗效果无法保证。工程实践已经证明，土工膜常因制造和施工因素造成缺陷（漏水的孔洞或缝）成为渗漏的主要通道，若在此种土工膜下增加一个渗透性较小的土层，则可大大减少渗漏量。因此，只使用优质的土工膜来达到优异的防渗效果在现实中是行不通的，GCL作为次防渗层在整个防渗系统中发挥重要作用。

3.1.1.4 复合土工材料防渗材料

复合土工材料防渗铺盖的缺点是复合土工材料下需要设置复杂的排水排气设施，对施工质量要求高。从水平防渗材料来说，本工程推荐天然钠基膨润土（GCL）防水毯+HDPE 土工膜。该方案工程投资5 036.00万元。

3.1.2 垂直防渗

所梅乐水库地层以细小裂隙为主，垂直防渗沿库区周边和坝基进行帷幕灌浆，其中库区帷幕灌浆线平面布置沿等高线1 992.00 m 布置，单排孔，孔距1.50 m，分三序孔施工，防渗平面总长度2 105.00 m。库区帷幕钻孔最大深度90.23 m，最小深度16.43 m，平均深度55.38 m，总钻孔长度77 718.00 m；灌浆深度按深入5Lu 线5.00 m 控制。坝基帷幕防渗灌浆线沿坝轴线布置，与库区帷幕灌浆连接。工程总投资5 278.00万元。

3.1.3 优缺点比选

相对于水平防渗方案，帷幕灌浆的优点主要有：不会产生地下水及地下岩溶管道气体对铺盖的顶托刺破现象而造成防渗失效现象。不必对库区内外岩溶管道进出口作封堵或反滤设计，不必对库区内淤泥（不良地基土）作换填或挖除等方式处理，不必对库区覆盖层进行开挖，减少开挖土石方量。

相对于铺盖方案，帷幕方案的缺点主要有：会改变工程区地下水现状运移规律，防渗深度大。需准确查明渗漏断面及漏水通道的边界条件，帷幕灌浆孔较深，特别是岩溶管道和溶隙深层发育时，注浆量大且工程量不易控制。防渗帷幕体因被冲蚀、淋滤或管涌而出现局部破坏或老化，从而导致渗漏量的增加，因此在水库运行若干年后，要进行防渗处理补强。

3.1.4 防渗方案选择

所梅乐水库水平防渗和垂直防渗两种方案工程投资相差不多，施工工期、工程占地相近，两方案均存在一定风险，所梅乐水库库盆渗漏几乎是发生在整个库盆区，渗漏位置通道呈面状分布，完全调查清楚难度很大，若采取水平防渗，铺盖面积17.35万m2，尽管该方案设置了完善的排水排气系统，仍存在铺盖局部被击穿的风险和地下岩溶管道气体对铺盖的顶托现象而造成水库渗漏，增加运行管理风险。如果采取垂直防渗处理措施，由于岩溶地质条件的复杂性，钻探资料很难查清所有的溶洞大小、位置、深度等参数，会造成后期工程量变化大，存在较多的设计变更，对控制工程投资不利。结合现有地勘资料与垂直防渗相比，水平防渗风险相对较小，因此推荐膨润土防水毯+土工膜复合防渗防渗铺盖。

3.2 防渗方案设计

库盆经整平并清除较大粒径后铺设4 000.00 g/m2GCL 防水毯作为次防渗层，为方便施工过程中监测HDPE 膜是否破损，主防渗层采用膜布分离方式，即先铺设0.80 mm 厚HDPE膜，然后再在膜上铺设300.00 g/m2无纺布保护层，最后覆盖60 cm厚风化料护面；对于边坡，经修整后，铺设20.00 cm厚砂石混合垫层，然后铺设4 000.00 g/m2GCL防水毯次防渗层，防水毯上上铺设一布一膜，规格型号为0.80 mm厚HDPE膜和300.00 g/m2，土工布和膜采用弱连接；为保证边坡上主防渗层膜稳定，选用加糙膜；一布一膜上铺设0.30 m厚砂、碎石混合垫层上垫层，上垫层上采用12.00 cm厚C15混凝土护面，库区防渗体系与原坝坡粘土斜墙及岸坡连接，库尾与库底防渗相连。所梅乐水库土工膜膜下设排水排气系统，排气系统由排水管道、次排水盲沟和顺坡排水排气盲沟组成。膜下水通过膜下砾石垫层排到顺坡排水排气盲沟和次排水盲沟，再由顺坡排水排气盲沟和次排水盲沟排到排水管道，最终由排水管道排到排水输水隧洞。膜下产生的气体通过膜下砾石垫层排到顺坡排水排气盲沟，再由顺坡排水排气盲沟顶部的排气管排出外部。

4 结语

所梅乐水库岩溶发育范围在库区普遍存在，并且库盆不大，通过方案比选，对库区防渗采用GCL+土工膜复合防渗是较优方案，但施工时仍需要保证施工质量，如严格控制土料质量及压实度标准、保证膨润土防水毯和土工膜材料的质量、施工时避免对防渗层造成破坏、对于土工复合材料的搭接应严格控制，防止产生施工和制造质量缺陷等，才能达到防渗处理效果。

对于溶洞和溶隙发育的地质条件下水库的防渗设计，一直是水利工程中的热点和难点问题，国内处理类似工程经验不多。所梅乐水库作为灌区水源工程，水库蓄水前应制定详细的蓄水方案，初次蓄水时，建议水位上升高度 2.00 m/d，同时应密切监测水库周边水量渗漏情况。