地下水漏斗區(qū)平原水庫(kù)防滲方案分析

王金山

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014）

臨清市地處黃泛平原，城區(qū)用水幾乎全靠地下水供給，隨著開采量的逐年增加，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，形成大面積漏斗區(qū)。為了有效扼制這種狀況持續(xù)發(fā)展，保障臨清市城區(qū)工業(yè)和生活用水，調(diào)整南水北調(diào)第一期工程臨清市分配水量，決定興建張官屯水庫(kù)作為臨清市南水北調(diào)配套工程的調(diào)蓄平原水庫(kù)，兼顧調(diào)蓄黃河水。

張官屯水庫(kù)樞紐工程包括入庫(kù)泵站、出庫(kù)泵站、水庫(kù)圍壩、入庫(kù)閘、排水溝等。水庫(kù)總庫(kù)容為2 293.0萬(wàn)m3，年充庫(kù)水量5 999.0萬(wàn)m3。

水庫(kù)庫(kù)區(qū)揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積堆積土層，各層從上至下依次為①層砂壤土（Q）、①-1層裂隙黏土（Q）、②層粉砂（Q）、③層黏土（Q）、④層砂壤土（Q）、④-1層壤土（Q）、⑤層粉細(xì)砂。各土層均具中等透水性，水力聯(lián)系密切，勘探深度內(nèi)沒有穩(wěn)定、統(tǒng)一、連續(xù)的相對(duì)隔水層。

1 防滲方案研究

1.1 水庫(kù)無(wú)防滲方案

根據(jù)本工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合選定的水庫(kù)圍壩設(shè)計(jì)斷面，對(duì)水庫(kù)不設(shè)防滲體工況，進(jìn)行水庫(kù)滲流分析計(jì)算。從水庫(kù)滲漏損失水量以及水庫(kù)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理性方面進(jìn)行防滲方案比選。

本文采用基于非飽和土力學(xué)有限元方法的Geo studio SEEp/W模塊來(lái)進(jìn)行滲流分析。根據(jù)壩段地形特點(diǎn)、壩基地質(zhì)等情況，選用一個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算。庫(kù)內(nèi)水位取平均水位28.58m，庫(kù)外水位取多年平均地下水位18.28m。壩基各土層滲透系數(shù)計(jì)算采用值見表1。

表1 各土層滲透系數(shù)計(jì)算采用值

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)和壩基地質(zhì)情況等資料，在不采取防滲措施情況下，經(jīng)計(jì)算，水庫(kù)滲漏量為1 183.54萬(wàn) m3/a。

在無(wú)防滲措施情況下，水庫(kù)年滲漏水量約為1 183.54萬(wàn)m3，占水庫(kù)總庫(kù)容的51.61%，占水庫(kù)總充庫(kù)水量的19.73%，滲漏嚴(yán)重。按照國(guó)家核定的南水北調(diào)山東平均供水價(jià)格1.54元/m3，計(jì)算水庫(kù)滲漏年直接經(jīng)濟(jì)損失為1 822.65萬(wàn)元。為有效減少水庫(kù)滲漏量，確保水庫(kù)安全運(yùn)行，提高水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益，水庫(kù)必須采取可靠的防滲措施。

1.2 水庫(kù)垂直防滲方案

水庫(kù)防滲方案分兩大類：一類是垂直截滲，一類是水平防滲。垂直防滲的方法較多，主要有垂直鋪膜、深層攪拌樁、混凝土連續(xù)防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻等。

1.2.1 各垂直防滲方案特點(diǎn)及適用性分析

根據(jù)本工程地質(zhì)條件分析，截滲深度較小的垂直鋪塑方案及深層攪拌防滲墻方案不適用。高壓噴射灌漿防滲墻方案適用范圍較廣，但易出現(xiàn)開叉、搭接不嚴(yán)等現(xiàn)象，對(duì)不同土層的施工工藝參數(shù)難以把握，施工質(zhì)量可控性差，本工程不宜采用。

混凝土連續(xù)防滲墻方案：成墻完整連續(xù)，質(zhì)量有保證，有豐富成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，防滲墻滲透系數(shù)可達(dá)1×10-7cm/s，防滲效果較好。缺點(diǎn)是需要優(yōu)質(zhì)泥漿固壁，如遇流砂、漂石等地層，會(huì)增加施工難度，工程造價(jià)較高。

結(jié)合本工程實(shí)際情況及垂直防滲方案適用性分析，本工程選擇混凝土防滲墻方案作為垂直截滲方案，進(jìn)行防滲方案比選。

1.2.2 垂直截滲效果分析

混凝土防滲墻截滲深度為壩基以下30 m，厚度采用60 cm，防滲墻滲透系數(shù)取1×10-7cm/s，進(jìn)行水庫(kù)垂直截滲方案滲流分析計(jì)算。滲流計(jì)算工況及方法與不設(shè)防滲體情況相同，滲流量為924.26萬(wàn)m3/a。

由計(jì)算結(jié)果可知，在水庫(kù)采用垂直防滲措施情況下，平均蓄水位年滲漏量為924.26萬(wàn)m3，占水庫(kù)總庫(kù)容的40.3%，占水庫(kù)年充水量的15.41%。按防滲墻500元/m2）計(jì)算，水庫(kù)垂直截滲深度30m工程投資約為10 941.55萬(wàn)元?？梢姡捎趬位翆訚B透性太強(qiáng)，垂直截滲效果不明顯，不滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求，方案不可行。

1.3 水庫(kù)水平防滲方案

水平防滲方案主要有黏土鋪蓋防滲、復(fù)合土工膜防滲、膨潤(rùn)土復(fù)合防水毯防滲等，根據(jù)張官屯水庫(kù)地質(zhì)條件，無(wú)足夠黏土形成一定厚度的黏土鋪蓋；膨潤(rùn)土復(fù)合防水毯因造價(jià)高不適用大面積防滲應(yīng)用。復(fù)合土工膜防滲方案投資節(jié)省、施工方便，故采用復(fù)合土工膜防滲。

土工膜鋪設(shè)方案分別考慮水平鋪設(shè)距壩腳100m、200m、300m及全庫(kù)鋪設(shè)4種方案，復(fù)合土工膜考慮一定量缺陷綜合滲透系數(shù)取5×10-10cm/s，分別計(jì)算各方案滲漏量，結(jié)果見表2。

根據(jù)上表可知，100m、200m、300m長(zhǎng)防滲長(zhǎng)度時(shí)，在平均水位情況下，年滲漏損失仍然較大，防滲效果不理想，采用全部鋪設(shè)，考慮土工膜缺陷的情況下，水庫(kù)年滲漏量為184.69萬(wàn)m3，占總庫(kù)容的8.07%，占總充庫(kù)水量的3.08%，滲漏減少較為明顯。

表2 不同防滲長(zhǎng)度防滲效果比較表

根據(jù)以上計(jì)算分析，由于壩基滲透性太強(qiáng)，采用懸掛式垂直截滲方案和部分鋪設(shè)土工膜水平防滲方案截滲效果不理想，因此本工程采用全庫(kù)鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲方案，防滲效果較好。

2 水庫(kù)防滲設(shè)計(jì)

2.1 防滲方案設(shè)計(jì)

水庫(kù)庫(kù)底及壩坡均采用土工膜防滲，土工膜上、下層設(shè)200 g/m2土工布，PE膜采用0.5mm厚。庫(kù)底防滲土工膜采用膜布分置方案，壩坡土工膜采用復(fù)合土工膜方案。

針對(duì)張官屯水庫(kù)土工膜鋪設(shè)面積大，地下水埋藏深，水庫(kù)蓄水后地下水位抬升易產(chǎn)生氣漲的問題，采用排氣盲溝及壓重組合措施。庫(kù)底復(fù)合土工膜下的排氣盲溝間距按50.0m布置，在距壩腳20.0m處設(shè)一道環(huán)形盲溝與庫(kù)底盲溝聯(lián)通；壩坡盲溝垂直壩軸線布置，壩坡盲溝一直通到防浪墻底，在防浪墻處設(shè)φ50PPR管將膜下氣體排出。盲溝尺寸30 cm×30 cm，盲溝內(nèi)布置一條φ100的軟式透水管，管周回填0.5～1.0 cm碎石，碎石外包一層300 g/m2的短絲土工布。

2.2 水庫(kù)防滲后滲漏量計(jì)算

庫(kù)底全鋪膜滲漏量分為土工膜滲漏和缺陷滲漏兩部分。土工膜的滲漏量按滲流有限元進(jìn)行計(jì)算；缺陷滲漏量根據(jù)《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》提供公式計(jì)算，土工膜缺陷取每4 000m2出現(xiàn)一個(gè)孔徑為3.5mm進(jìn)行缺陷滲漏量計(jì)算。

1）土工膜的施工缺陷引起的缺陷滲漏量計(jì)算公式：

式中：μ為流量系數(shù)，取μ＝0.70；A為土工膜上孔的面積，m2；Hw為土工膜上、下水頭差，m；g為重力加速度，取9.81m/s2。

2）滲漏量計(jì)算結(jié)果。根據(jù)水庫(kù)興利調(diào)算水位，以水庫(kù)月末水位為月平均水位計(jì)算單月滲漏量，計(jì)算結(jié)果見表2。全庫(kù)鋪設(shè)土工膜方案滲漏量為 184.69 萬(wàn) m3。

表2 滲流量計(jì)算結(jié)果

2.3 防滲效果

張官屯水庫(kù)工程已于2016年12月通過水庫(kù)蓄水驗(yàn)收，2017年5月開始蓄水，第一次充庫(kù)水量500萬(wàn)m3，最高蓄水位25.85m；2018年4月，水庫(kù)第二次蓄水，充庫(kù)水量1 500萬(wàn)m3，最高蓄水位31.30m，經(jīng)過近9個(gè)月觀測(cè)，水庫(kù)滲漏損失低于計(jì)算滲漏損失量，全庫(kù)鋪復(fù)合土工膜防滲效果較好。

3 結(jié)語(yǔ)

地下水漏斗區(qū)地下水位埋深較大，水庫(kù)蓄水后庫(kù)水位與地下水位水頭差較大，水庫(kù)滲漏以垂直滲漏為主，如庫(kù)區(qū)無(wú)連續(xù)深厚隔水層，水庫(kù)采用垂直防滲方案效果不明顯。本文以南水北調(diào)山東段臨清市張官屯水庫(kù)工程為例，介紹了地下水漏斗區(qū)平原水庫(kù)防滲方案比選確定、全庫(kù)鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲方案設(shè)計(jì)、水庫(kù)滲漏量的有限元計(jì)算方法等。通過蓄水觀測(cè)表明，采用全庫(kù)底鋪設(shè)復(fù)合土工膜的方法對(duì)平原水庫(kù)防滲效果良好，可在同類地區(qū)水利工程，特別是井灌區(qū)水庫(kù)防滲中應(yīng)用。