引江济淮亳州调蓄水库防渗方案研究与应用

杨子江，冯 帅，张 鹏

(1. 中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601；2. 国家投资项目评审中心，北京 100037)

防渗设计是水库设计的重要内容，直接影响水库设计施工和水库建成后功能的发挥。如何选择防渗方案也一直是工程技术人员研究的课题，不仅对当下水利工程建设有着借鉴意义，对已建成的病险水库除险加固也有一定指导意义。水利工程中常见的防渗技术有混凝土防渗墙技术[1- 2]、高压旋喷灌浆防渗技术[3]、搅拌桩防渗墙技术[4]、土工膜防渗技术[5]、帷幕灌浆防渗技术[6]等。水利工程防渗设计需在充分分析工程区水文地质条件的基础上，结合工程地质勘察资料对渗漏情况进行分析计算后选择防渗效果好、技术经济性好的防渗方案[7]。本文以亳州调蓄水库为例，结合水库工程实际情况，经方案比选确定了水库的防渗方案，为类似工程提供参考。

1 工程概况

亳州市地处淮北平原，为水资源极度缺乏地区，全市工业和城市生活长期依赖中深层地下水，水量和水质均难以保证[8]。为确保亳州市城区用水安全，亳州城市供水工程作为引江济淮工程的一部分，于2017年12 月开工建设，工程建成运行后，亳州市将逐渐封存地下水，引江济淮工程引调水将成为亳州市唯一水源[9]。亳州城市供水工程由加压站、供水管道及调蓄水库等三部分组成，其中调蓄水库位于亳州市林拥城森林公园南侧，主要工程任务是作为应急备用水库蓄水，在输水管道检修以及突发事故时向亳州城区自来水厂供水，水库总库容493.0万m3，调蓄库容460万m3，向亳州城区多年平均净供水量12645万m3(2040水平年)，主要建筑物包括围坝、入库涵洞、出库涵洞、放水洞及库周渠系工程等[10]。

亳州调蓄水库是典型的平原水库，工程区内地势平坦，地面高程由西北侧的36.2m渐变至东南侧的35.2m，平均高程35.6m，采用下挖式库区，正常蓄水位取平地面高程35.6m，高于周边地下水位(32.5～34.5m)。库周利用开挖土料填筑围坝，水坝轴线总长约8.35km，库区水面开阔，水域面积较大，正常蓄水时水面面积约170万m2。库区采用压力管道输水充库，无天然河道径流入库，工程无防洪任务。根据亳州市水资源紧缺的现状以及平原水库的特点，库区防渗是本工程设计的重点，也是工程建设单位和管理单位关注的焦点。

2 防渗方案设计

2.1 库区地质条件

工程区位于华北地层区淮河地层分区，第四系地层发育，分布广泛，主要以冲积类型为主，其次为湖积、沼泽相沉积和残坡积。工程勘探深度范围内主要分布土层为：第①- 1层、第①- 2层粉质黏土或重粉质壤土；第①- 3层重中粉质壤土；第①- 4层重中粉质壤土(含砂礓)；第①- 5层中轻粉质壤土夹砂壤土；第①- 6层重粉质壤土或粉质黏土；第②- 1层粉土和中粉质壤土互层；第②- 2层中重粉质壤土；第③层粉细砂和砂壤土互层；第④层轻粉质壤土；第⑥层轻粉质壤土等。

表1 各土层渗透系数及允许水力比降值

根据各层土颗粒分析，第①- 1、①- 2、①- 3、①- 4、①- 6层土的粘粒含量18.2%～31.0%，塑性指数为12.8～15.0，但由于场区内地下水水位变化频繁，产生淋滤作用，钙离子下移至①- 4层重中粉质壤土内胶结成砂礓，形成结核层，在①- 3层土体内形成竖向渗漏通道。上述土层统称为砂礓粘土，其渗透性为中等，局部为强透水性，厚度3.5～4.0m，其下部①- 5层中轻粉质壤土与粉土或细砂互层、①- 6层重粉质壤土或粉质黏土受到淋滤作用的影响较小，细层理清晰。经现场试验坑渗透试验、注水试验，以及室内渗透试验，工程区内各土层渗透系数和允许渗透比降见表1。

从表1可以看出，库区内的①- 1、①- 2、①- 3、①- 4、①- 5层土为相对透水层，①- 6层重粉质壤土或粉质粘土的渗透系数为7×10-6～8×10-6cm/s，弱至微渗透性，为相对隔水层。另根据钻孔及物探资料显示，库区范围①- 6层土层顶高程29.05～32.98m，层厚0.6～4.0m，在库区范围内广泛分布，局部层厚较大，可作为库底有效隔水层，但在水库东北区(约27万m2)该层土缺失。

2.2 无防渗措施渗漏量估算

根据库区水文地质资料以及水库围坝设计断面，对不采取防渗措施的水库进行渗流分析计算，估算水库渗漏量。渗流计算采用河海大学编制的Autobank7程序[11]，结合坝段地形特点、坝基①- 6层土分布情况及蓄水位变化情况等资料，选择5个断面为计算断面进行渗流分析计算，库外地下水按水库周边河道拦河节制闸的蓄水情况分别取34.5、32.5m，各断面渗流计算结果见表2。根据各典型断面代表坝段长度及库外地下水变化情况估算，不采取防渗措施库区年渗漏量约154.14万m3，其中①- 6层土缺失的东北库区渗漏量约84.48万m3，其他区域渗漏量约69.66万m3，总渗漏量占水库总库容的31.03%，占设计年调水量的1.22%，渗漏较严重。按照《引江济淮工程(安徽段)初步设计报告》 (第十六章经济评价)[12]对单位供水成本测算结果，安徽省工程分水口门断面单方水供水成本为0.78元/ m3，单位运行成本为0.37元/ m3，亳州调蓄水库渗漏年直接经济损失约177.1万元。为减少水库渗漏量及经济损失，提高水库供水效益，需对水库采取必要的防渗措施。

表2 无防渗措施典型断面渗漏量计算结果 单位：m3/(s·m)

2.3 防渗方案比选

根据工程地质条件，库区大部分区域库底均分布一层相对隔水层，且埋深较浅，顶高程在29.05～32.98m，基本位于库底高程32.25m上下1.0～1.5m左右，利用库区开挖土料在库周设粘土斜墙截水槽与库底相对隔水层连接，使库区形成完整封闭的防渗体系，既能满足水库防渗和水质保护要求，也能节约工程投资。因此，该区域库区的防渗方案确定为在库周设粘土斜墙与库底相对隔水层连接，对库底相对隔水层较薄的区域设粘土铺盖以减少水库渗漏量。

表3 比选防渗方案基本情况表

根据渗漏量计算结果，库区渗漏量主要集中在水库东北侧①- 6层土缺失区域，该区域面积约占库区总面积的16.88%，渗漏约占库区总渗漏量的57.45%，因此，需对该区域采取可靠的防渗措施。针对此类库底及库周均无相对隔水层的库区，常规的防渗措施有：①在库周、库底设粘土斜墙及铺盖；②在库底及坝坡满铺防渗土工膜；③库周设垂直防渗墙。据此，对亳州调蓄水库东北区域相对隔水层缺失的区域拟定三个防渗处理方案，具体见表3。

从表3可以看出，方案一投资最少,渗漏量居中,且方案一可就地取材，水库建成后能保持库内外水体交换，利于保证水质，经综合考虑,推荐选用方案一。

2.4 水库防渗设计

鉴于库区开挖土料重塑后可做为有效防渗土料、水库正常蓄水位与库外地下水位差较小，结合水质保障要求，亳州调蓄水库采取的防渗措施为：充分利用库内开挖粘性土料对库底、库周砂礓土进行换填，与库底相对隔水层连接，使库区形成完整、封闭的防渗体系。根据勘探资料，工程区内①- 6层土分布共分为三个区域，分别采取不同的换填方案。A区：库底面积116万m2，区内①- 6层土厚度1.0～4.0m，该区域仅在库周结合围坝填筑设粘土防渗斜墙，墙底与库底①- 6层土连接；B区：库底面积17万m2，区内①- 6层土厚度小于1.0m，在库周结合围坝填筑设粘土防渗斜墙与库底①- 6层土连接，并在库底设粘土防渗铺盖，加大库底防渗层厚度；C区：库底面积27万m2，区内①- 6层土缺失，对库周、库底分别设粘土斜墙及铺盖。采取防渗措施后，对库区采取防渗措施后的水库进行渗流分析计算，结果见表4。

表4 采取防渗措施后典型断面渗漏量计算结果 单位：m3/s/m

从表4可以看出，在采取防渗措施后，各典型断面渗漏量均有明显减小，①- 6层土缺失区域围坝单宽渗漏量减小85.3%，其他区域围坝单宽渗漏量55.1%～67.3%，库区年渗漏量约36.72万m3，较无防渗措施库区渗漏量减少76.2%，总渗漏量占水库总库容的7.45%，占设计年调水量的0.29%，说明选用的防渗方案有效，防渗效果较好。

2.5 空库期运行情况

2020年3月亳州调蓄水库库区内土方全部开挖完成，库内防渗体填筑完成。2020年6月水库开始通过压力管道输水充库，此期间水库一直保持空库运行，库外地下水位保持在33.5～33.8m，高于库底高程1.25～1.55m，库内无大面积明显积水，实践表明水库总体防渗效果较好。

3 结语

平原水库普遍具有库区面积大、围坝轴线长、地质条件复杂等特点，库区渗漏是建设各方关注的焦点，防渗方案是工程设计的重中之重。本文结合亳州调蓄水库库底相对隔水层分布特点及水库运行期内外水头差较小的实际情况，综合考虑工程投资、年渗漏量以及水质保障要求等方面因素，最终选用充分利用库区开挖粘性土料，对库底、库周进行斜墙、铺盖填筑以及库底防渗层补厚的设计方案。理论分析计算和空库期运行实践表明选用的防渗方案有效，防渗效果较好，防渗方案设计可为类似工程提供参考。