黏土心墻和土工膜在水庫(kù)增容工程防滲設(shè)計(jì)中的對(duì)比研究

匡 鼎

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 云南分院，昆明 650000)

1 概 述

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)水利工程建設(shè)得到快速發(fā)展，同時(shí)也面臨著對(duì)已建工程進(jìn)行除險(xiǎn)、加固和增容等問(wèn)題，以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[1-2]。滲漏是水利工程最主要的危險(xiǎn)因素之一，壩基、壩體以及溢洪道等建筑滲漏是比較常見(jiàn)的滲漏形式，應(yīng)做好防滲設(shè)計(jì)工作，以確保水利工程的安全與穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。

尹天祥在處理黃土和土石山區(qū)的水庫(kù)增容設(shè)計(jì)過(guò)程中提出，在溢洪道上增設(shè)簡(jiǎn)單高效的迷宮堰來(lái)達(dá)到增容效果，并能達(dá)到防滲要求[5]。崔亞軍等對(duì)增容圍堤的填筑土料進(jìn)行了土力學(xué)試驗(yàn)，提出了相應(yīng)級(jí)配下的最佳防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。趙學(xué)輝等在菩薩廟水庫(kù)增容方案設(shè)計(jì)時(shí)，探討了抬高不同高度水位下的可行性和經(jīng)濟(jì)性[7]。艾海提江·艾木拜爾則對(duì)復(fù)合土工膜在水庫(kù)除險(xiǎn)加固防滲設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析探討，認(rèn)為復(fù)合土工膜具有較好的防滲效果[8]。

本文以某增容工程為例，利用數(shù)值分析軟件，對(duì)比分析土工膜和黏土心墻在防滲設(shè)計(jì)中的滲流穩(wěn)定特性，并將兩種方案的工程投資作對(duì)比。在考慮綜合影響因素下，建議選用土工膜進(jìn)行本水庫(kù)工程的增容防滲材料。

2 水庫(kù)概況及防滲設(shè)計(jì)必要性

2.1 水庫(kù)概況

該水庫(kù)控制流域面積約為28 km2，呈闊葉狀形式分布，河道平均比降0.025 8?，F(xiàn)水庫(kù)的興利庫(kù)容為186×104m3,調(diào)洪庫(kù)容約為102×104m3，總庫(kù)容達(dá)到302×104m3。水庫(kù)主要作用為防洪，同時(shí)兼顧周邊城鎮(zhèn)居民的供水，日供水量?jī)H為0.23×104m3，不能滿足2020年設(shè)計(jì)水平年下的需求水量。為了減輕下游河道的防洪壓力，同時(shí)滿足周邊城鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)用水量不斷增長(zhǎng)的需要，改善沿河流域的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，決定對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)建增容工程。

2.2 防滲設(shè)計(jì)必要性

設(shè)計(jì)擴(kuò)建水庫(kù)庫(kù)容總量為1 020×104m3，水位為317.25 m，對(duì)應(yīng)興利庫(kù)容為800×104m3，相應(yīng)水位為314.22 m，設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及死水位分別約為318.23、319.22和289.90 m。由于原水庫(kù)壤土心墻滲透系數(shù)偏大(7.1×10-5cm/s)，根據(jù)計(jì)算，已經(jīng)不能滿足增容過(guò)后的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)滲透穩(wěn)定及安全運(yùn)營(yíng)具有重要影響，因此需要對(duì)原壤土心墻及增容后的壩體進(jìn)行新的防滲處理。工程設(shè)計(jì)時(shí)，擬采用兩種方案進(jìn)行處理：①黏土心墻土石壩；②復(fù)合土工膜斜墻土石壩。具體的壩體布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 兩種方案布置示意圖

3 方案分析結(jié)果對(duì)比

3.1 滲流分析

根據(jù)本次設(shè)計(jì)使用材料的性質(zhì)及地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，黏土心墻壩各分區(qū)材料的滲透系數(shù)值見(jiàn)表1。采用GEO-studio數(shù)值模擬分析軟件對(duì)壩體進(jìn)行滲流分析，分別得到兩種防滲方案下死水位、興利水位、設(shè)計(jì)洪水位以及校核洪水位下的等勢(shì)線，見(jiàn)圖2和圖3。

表1 各分區(qū)滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從圖2可以看到，在死水位情況下，浸潤(rùn)線基本沿著壩體底部，隨著水位的升高，浸潤(rùn)線在原壩體、新筑上游壩殼以及黏土心墻區(qū)的位置不斷升高，最終基本與心墻下游分界線重合，而在下游新筑壩體區(qū)內(nèi)，等勢(shì)線則基本沿著壩底的趨勢(shì)變化。圖3表明，當(dāng)水位超過(guò)原壩殼高度后，等勢(shì)線基本是沿著土工膜的布置變化，通過(guò)砼防滲墻后，才逐步沿著壩體降低。

圖2 黏土心墻等勢(shì)線數(shù)值模擬分析

圖3 土工膜等勢(shì)線數(shù)值模擬分析

分析得到的滲流結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4表明，隨著水位的升高，大壩的滲流量逐漸增大，黏土心墻下的出逸比降呈對(duì)數(shù)型增加，而土工膜的出逸比降則相差不大。對(duì)比兩種方案下的滲流量和出逸比降可以發(fā)現(xiàn)，采取兩種方案的防滲措施后，在各工況下的大壩滲流情況滿足設(shè)計(jì)需求，但在同等工況下，黏土心墻的滲流量和出逸比降均較土工膜小。

圖4 滲流分析結(jié)果

3.2 穩(wěn)定分析

利用GEO-studio軟件中的畢肖普分析法，對(duì)兩種方案下不同工況的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，工況分為正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用。正常運(yùn)用包括死水位、興利水位以及設(shè)計(jì)洪水位；非正常運(yùn)用包括施工期、校核洪水位、水位降落工況1(由校核水位降為興利水位，下游水位為285.48 m)以及水位降落工況2(由校核洪水位降為興利水位，下游水位為285.48 m)，計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定計(jì)算分析成果表

從表2中可以看到，不管是黏土心墻方案還是土工膜方案，其在正常與非正常情況下所能承受的有效應(yīng)力值均大于規(guī)范允許的最小承受力，表明兩種防滲方案均能滿足壩坡的穩(wěn)定性要求。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

投資控制是工程建設(shè)中比較重要的一環(huán)，因此需要對(duì)兩種方案的投資指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)計(jì)算，方案一黏土心墻壩的土石方及拆除工程需要3 256萬(wàn)元，砌石工程需772萬(wàn)元，其它工程及材料調(diào)差分別預(yù)算為156及870萬(wàn)元，總計(jì)投資預(yù)算為5 054萬(wàn)元；方案二土工防滲設(shè)計(jì)土石方及拆除工程、砌石工程、砼及鋼筋砼工程、基礎(chǔ)處理工程分別需2 368、669、40及259萬(wàn)元，其它工程和材料調(diào)差分別為239及892萬(wàn)元，總工程預(yù)算為4 467萬(wàn)元?？梢?jiàn)，土工膜防滲設(shè)計(jì)方案具有更高的經(jīng)濟(jì)性，其工程投資可較黏土心墻節(jié)省約600萬(wàn)元。

3.4 討 論

通過(guò)對(duì)兩種方案的滲流穩(wěn)定分析及經(jīng)濟(jì)性比較可以看出，無(wú)論是黏土心墻壩還是土工膜設(shè)計(jì)，其防滲效果和壩體穩(wěn)定性均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，這種情況下就需要對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性以及工程施工綜合等作為主要的選定依據(jù)。由上文分析可以看到，土工膜的工程投資預(yù)算較黏土心墻方案減少約600萬(wàn)元，這主要是由于土工膜方案利用人工材料作為防滲體，對(duì)壩體料材料的性能要求不高，能充分利用庫(kù)區(qū)的土料，節(jié)省了大量的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用；同時(shí)還能大大節(jié)省施工工期，減少人員設(shè)備的投入。因此，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全整體考慮，認(rèn)為土工膜方案優(yōu)于黏土心墻方案。

4 結(jié) 論

黏土心墻和土工膜是較為常用的防滲設(shè)計(jì)方案，基于某水庫(kù)增容工程，對(duì)兩種方案的技術(shù)、安全和經(jīng)濟(jì)性做了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，兩種方案均能滿足滲流穩(wěn)定要求，但后者較前者具有更高的工程投資經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)能大大縮短施工工期，因而建議選用土工膜對(duì)本增容工程進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)。