水磨沟水库大坝复合土工膜防渗斜墙设计分析

张 臻

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

水库坝体渗漏对运行安全有着极大威胁，全球超过50%的溃坝事故均是由坝体渗漏引发的。我国境内目前存在有小型水库超过10×104座，而且这些水库大部分面临渗漏严重、缺乏管理等问题，存在诸多安全隐患，也时刻威胁着周边区域人们的生命财产安全。因此，应用最简单经济的办法对其进行防渗加固才是消除隐患的最佳途径，其中复合土工膜防渗斜墙便是简单、实用的大坝防渗技术之一。

1 工程概况

水磨沟水库位于新疆自治区阜康市境内，是一座平原注入型水库，无防洪任务。大坝全长1 678.3 m，最大坝高5.5 m，设计总库容101.65×104m3，工程规模为小(Ⅰ)型，工程等别Ⅳ等，永久建筑物中坝体及放水涵洞均为4级，临时建筑物为5级。2015年8月，阜康市水利局组织专家对水磨沟水库坝体实地调研发现，坝面高低不平，坝坡土体松散且无任何护坡，存在渗漏量较大问题。为保证坝体安全稳定性，决定对其进行防渗加固处理。

2 坝体及坝基土体性力学质分析

2.1 坝体土物理力学性质分析

水磨沟水库坝体土均为低液限黏土，棕黄色～棕褐色，干～稍湿，可塑～硬塑状态，韧性强，干强度高。本次勘察采取坝体部分坝段土样进行物理力学性质试验，各段指标见表1[1]。

表1 坝体物理力学性质指标

2.2 坝基土的物理力学性质分析

水磨沟水库坝基地层为第四系全新统冲洪积层，主体为低液限黏土，部分存在厚度小于0.3 m的粉土、粉砂夹层。低液限黏土为棕黄色～棕红色，稍湿，韧性较强，干强度较高。坝基部分坝段物理力学性质见表2。

表2 坝基土物理力学性质指标

3 复合土工膜防渗斜墙设计分析

3.1 水库大坝渗漏量计算

3.1.1 坝体渗漏量计算

根据试验室渗透试验结果，确定水磨沟水库坝体土的渗透系数为1.8×10-7～7.2×10-6cm/s，属微透水性土层。水库正常水位为504.1 m，坝后地下水位埋深1.5 m。坝体渗漏属均一单层渗漏类型，坝体渗漏量Q的计算见式(1)[2]。经粗略估算，坝体渗漏量Q=6.5×104m3。该值较大，说明坝体渗漏较严重，需进行防渗加固。

(1)

式中：k为坝体土渗透系数，m/d；H1，H2为水库正常蓄水位，坝后地下水位，m；h1，h2为坝体上下游含水层厚度，m；L为坝体透水部分平均距离，m；B为渗漏段总宽度，m。

3.1.2 坝基渗漏量计算

由于水磨沟水库坝基由低液限黏土构成，不存在透水砂层，渗透系数为1.8×10-7～5.3×10-6cm/s，属微透水层。根据地层结构及透水性，计算采用H.H巴甫洛夫斯基公式计算坝基渗漏量Q，见式(2)。经计算，全坝段坝基渗漏量为4.15 m3/d，全年按200天计算得总渗漏量为830 m3，说明坝基渗漏问题不严重，无需处理[3]。

Q=B·K·H·qr

(2)

式中：B为渗漏计算段长度，m，取1 677 m；K为渗透系数，m/d，取0.003 m/d；H为上下游水头差，m，取5.5 m；qr为含水层厚度和坝基基底宽有关的流量参数，取0.15。

3.2 复合土工膜防渗斜墙设计

根据上文坝体和坝基两部分渗漏量计算结果，水磨沟水库大坝的渗漏部位主要集中在坝体，因此本项目设计复合土工膜防渗斜墙对坝体进行防渗加固。

3.2.1 复合土工膜厚度设计

复合土工膜厚度δm对坝体防渗性、土工膜抗拉性、土工膜寿命等参数均有直接影响，因此其厚度要根据土工膜承受载荷、坝体不均匀沉降等进行设计计算。本项目采用苏联水工科学院的推荐公式计算δm，见式(3)。经计算，δm=0.2 mm，设计结构为两布一膜[4]。

(3)

式中：E为塑料膜弹性模量，kPa；H为铺膜范围最大水头，m；d为砂砾料保护层最大粒径，mm；σ为塑料膜允许拉应力，kPa。

3.2.2 土工膜锚固形式设计

本项目设计防浪方案有两个：①坝顶设置钢筋砼防浪墙；②坝顶不设计防浪墙(加高培厚坝体)，经估算，方案①比②投资多128元/m，因此选取方案②。而土工膜锚固只能在坝顶位置设计锚固沟，有V型和U型两种形式(图1)[5]。

图1 土工膜锚固形式

通过利用ABAQUS有限元模拟软件对两种锚固方案土工膜最大主应变(锚固沟内)进行模拟，发现U型锚固的最大主应变达到0.17，而V型锚固最大主应变为0.08，相差2.15倍，因此最终设计采用V型锚固形式。见图2。

图2 土工膜不同锚固型式最大主应变结果

3.2.3 复合土工膜防渗斜墙结构设计

根据坝坡设计经验、稳定计算成果、培厚加高等要求，水磨沟水库大坝上游坝坡设计1∶2.5，下游坝坡设计1∶2，上游需增加平均厚度为1 000 mm(最下端为5 000 mm，随着高度增加厚度逐渐减小至500 mm)。上游护坡设计为现浇混凝土板结构，其厚度t对坝坡寿命、工程投资有直接影响，经验公式见(4)[6]。经计算，t=150 mm，参照已有工程经验，本项目设计混凝土护坡板厚取200 mm。

(4)

式中：η为相关系数，取1.0；Lm为平均波长，m；ρc为板的密度，t/m3；ρw为水的密度，t/m3；hp为累计频率为1%的波高，m。

最终水磨沟水库坝体复合土工膜防渗斜墙结构从下至上依次为：黏土层(200 mm)、砂砾料(300 mm)、土工膜、砂砾料(300 mm)、混凝土板(200 mm)，其中砂砾料作为土工膜保护层(图3)。

图3 复合土工膜防渗墙结构示意图

4 结 语

水磨沟水库大坝经本次防渗加固后，坝体渗漏量降至1.6×104m3/a，较加固前下降75.4%，防渗效果显著。复合土工膜防渗斜墙施工简单、快速，特别适合坝体较长、等级较低坝体除险加固工程。在设计相关参数时，应充分结合工程实际和其他工程经验，本次水磨沟项目的设计值较理论计算值适当有所提高，也是在调研其他项目基础上作出的决定。