王立國

(德州市水利局，山東 德州 253000)

1 工程概況

根據(jù)某灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)水資源供需存在著可供水量與灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)需水水量，用水過程的不匹配性、用水量嚴重不足等問題，需要引入新的供水工程對灌區(qū)供水進行調(diào)蓄，工程由輸水工程和調(diào)蓄水庫組成。新建調(diào)蓄水庫布置于引水線路接近末尾處的右側(cè)山前沖洪積平原上，南北長約500 m，東西寬約400 m，預(yù)計開挖深度8 m。蓄水量為122萬m3，采用平地開挖、周邊筑堤蓄水，半挖半填的結(jié)構(gòu)形式。本工程壩的等級為4級，壩型為非土質(zhì)材料土工膜防滲體壩，壩體和壩基材料均為砂礫碎石，擬定上游壩坡為1∶2.75，下游壩坡為1∶2.0。壩頂寬度為6.0 m，采用0.3 m厚砂碎石路面，上游面設(shè)高1.2 m的防護欄桿，下游側(cè)設(shè)路緣石。為方便排水，壩頂路面向外側(cè)作成2%的坡度，設(shè)0.3 m×0.3 m集水溝，與外壩坡橫向排水溝連接排水。類比相似已建工程，并對工程區(qū)巖土類型和特性進行分析，壩體地基及壩體回填料砂礫碎石屬強透水層，調(diào)蓄水庫存在滲漏問題，在設(shè)計施工中應(yīng)做好防滲處理措施。

2 工程地質(zhì)問題

2.1 地形地貌及巖性

擬建調(diào)蓄水庫場地地形由西南向東北傾斜、開闊，現(xiàn)為荒灘，場地地層巖性上部為(Q4alp)粉質(zhì)壤土，稍濕，結(jié)構(gòu)稍密，厚度0.0～2.1 m，表層有0.2 m～0.3 m壓砂用的塊碎石土層，局部表層有壓砂用的塊碎石，下部為(Q4alp)沖洪積砂礫碎石層，結(jié)構(gòu)中密～密實，局部夾有厚度0.1 m～0.2 m的透鏡狀土層，該層厚度大于20 m，砂礫碎石的顆粒組成200 mm～60 mm碎石含量2.8%～11.3%，60 mm～2 mm礫石含量65.9%～72.4%，<2 mm砂含量17.5%～24.6%。特征粒徑：限制粒徑d60=10.44 mm～22.66 mm，平均15.00 mm，分界粒徑d30=2.37 mm～4.41 mm，平均3.68 mm，有效粒徑d10=0.222 mm～0.628 mm，平均0.332 mm，不均勻系數(shù)Cu=23.7～80.6，曲率系數(shù)Cc=2.1～4.0，多為級配良好礫，滲透系數(shù)(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層。對調(diào)蓄水庫庫底、庫周進行全庫盆防滲處理，填筑壩體進行碾壓分層回填砂礫碎石，干密度不小于2.10 g/cm3，相對密度不小于0.75，迎水面永久回填邊坡比1∶1.5～1∶1.75，背水面永久邊坡比1∶1.0～1∶1.25。根據(jù)本階段野外及室內(nèi)試驗成果，參照該區(qū)已建工程，砂礫碎石層建議參數(shù)值見表1。

表1 砂礫碎石層建議參數(shù)表

2.2 調(diào)蓄水庫主要工程地質(zhì)問題及評價

調(diào)蓄水庫處于山前洪積平原區(qū)，砂礫碎石層顆粒較粗，透水性強，局部夾有薄層的含碎石粉質(zhì)壤土，無其它的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，工程運行后，含礫粉細砂層位于地下水位以上，不存在地基土地震液化問題；池底地基巖性為砂礫碎石，

滲透系數(shù)(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層，場區(qū)內(nèi)地下水埋深均大于20 m，而池底開挖深度6 m～8 m。因而，不存在水庫在施工及運行期間地下水的頂托問題。類比相似已建工程，并對工程區(qū)巖土類型和特性進行分析，調(diào)蓄水庫存在滲漏問題、基礎(chǔ)穩(wěn)定等問題。

(1)滲漏問題：水庫地基為洪積砂礫碎石，厚度大于20 m，碎石含量2.8%～11.3%，礫石含量65.9%～72.4%，砂含量17.5%～24.6%，泥質(zhì)含量4.4%～6.0%，不均勻系數(shù)Cu=23.7～80.6，曲率系數(shù)Cc=2.1～4.0，多為級配良好礫，滲透系數(shù)(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層。地下水埋深大于20 m，池底地基位于地下水位以上的強透水層中，滲漏問題十分明顯，建議對庫底、庫周進行土工膜防滲處理。

(2)地基穩(wěn)定問題：擬建水庫預(yù)計開挖深度6 m～8 m，表層為粉質(zhì)壤土，厚度約為0.0～2.1 m，表層有0.2 m～0.3 m壓砂用的塊碎石土層，下部為砂礫碎石，同時，調(diào)蓄水庫上部采用砂礫卵石填筑，回填高度約為6 m～8 m。經(jīng)對調(diào)蓄水庫內(nèi)砂礫碎石的取樣分析，其不均勻系數(shù)23.7～80.6(>5)，土的區(qū)分粒徑顆粒含量d=22.7%～24.8%(25%≤P)，天然狀態(tài)臨界坡降0.47～0.51，地基砂卵礫石層具備產(chǎn)生滲透變形的條件，滲透破壞形式為管涌型。

3 工程措施

3.1 壩體防滲設(shè)計

3.1.1 土工膜防滲層類型選擇

土工膜防滲層類型可分為單層膜防滲、多層膜防滲和土工膜復(fù)合防滲層三種類型(見圖1)[1]。單層土工膜防滲層適用于對防滲要求不高的建筑物，多層土工膜防滲層，對于防止有毒氣體或液體的滲漏，常采用這種結(jié)構(gòu)，復(fù)合土工膜是在土工膜下鋪設(shè)一層滲透性較小的土層。根據(jù)工程特點，水庫滲漏將嚴重影響到工程效益的發(fā)揮，故水庫對防滲要求較高，應(yīng)采用復(fù)合土工膜進行壩體防滲。為防止裂隙處產(chǎn)生管涌、坍坑，防滲土工膜應(yīng)采用土工織物復(fù)合土工膜[2]，其物理力學(xué)性能指標應(yīng)見表2。

圖1 土工膜防滲層類型結(jié)構(gòu)圖

表2 土工織物復(fù)合土工膜物理力學(xué)性能指標

3.1.2 防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計

防滲結(jié)構(gòu)包括防滲材料的上墊層和下墊層、上墊層上部的防護層、下墊層下部的支持層以及排水、排氣設(shè)施[3]。

①防護層和上墊層設(shè)計

壩體防滲土工膜防護層有預(yù)制混凝土板、現(xiàn)澆混凝土板、干砌石、漿砌塊石等類型。根據(jù)工程區(qū)建筑材料、施工、造價等因素，本工程防護層設(shè)計為現(xiàn)澆混凝土板。

上墊層材料可采用砂礫料、水泥砂漿、無砂混凝土、瀝青混凝土、土工織物或土工網(wǎng)等。本工程上墊層材料選用M10水泥砂漿，上墊層厚度設(shè)計為5 cm。

②下墊層和支持層設(shè)計

根據(jù)《土合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及類似工程施工經(jīng)驗，下墊層材料可選用壓實細粒土、土工織物、土工網(wǎng)和土工格柵等，當選用復(fù)合土工膜鋪設(shè)時可不設(shè)下墊層，本工程考慮筑壩材料為砂礫碎石，粒徑2 mm～60 mm占70%左右，為保障防滲土工膜在施工、運行中不被礫石刺破，設(shè)置下墊層，下墊層采用0.3 m細礫墊層。壩體為碾壓砂礫碎石壩，不再另設(shè)支持層。防滲結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 壩體防滲結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 土工膜厚度及穩(wěn)定計算

①土工膜厚度確定

根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》施工要求，用于土石堤、壩的防滲土工膜，膜厚度不應(yīng)小于0.5 mm，本工程防滲膜厚度確定為0.5 mm。

②抗滑穩(wěn)定計算

土工膜與膜下墊層之間的抗滑穩(wěn)定可按公式(1)計算，即：

K=f/tanα

(1)

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為土工膜與膜下墊層之間的摩擦系數(shù)，取0.49；α為壩坡坡角，α=19.98°。

計算得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.32，滿足規(guī)范要求。

3.1.4 膜鋪設(shè)與聯(lián)接設(shè)計

本工程復(fù)合土工膜采用埋壓式敷設(shè)，土工膜的底邊和周邊以及與結(jié)構(gòu)物連接處都必須錨固，并應(yīng)符合下列要求[4～5]：

①在壩頂應(yīng)使土工膜向外延升0.8 m～1.0 m為宜，將土工膜埋入預(yù)先挖好的溝槽內(nèi)，用挖出的土分層回填夯實。溝深約0.5 m，寬0.4 m。

②在壩坡連接處，鋪膜地面應(yīng)先平整，鋪厚30 cm的細礫，其上鋪土工膜，再蓋上5 cm的M10砂漿墊層，壩坡每8 m設(shè)置一道水平錨固溝，溝寬30 cm，溝深50 cm，土工膜沿溝道回轉(zhuǎn)鋪設(shè)，錨固溝間土工膜預(yù)留1.5%的余幅，以備局部下沉拉伸，且縱向接頭應(yīng)距壩腳及轉(zhuǎn)彎處1.5 m以上。

③壩趾與地基連接處，鋪膜地面應(yīng)先平整，鋪厚30 cm的細礫，其上鋪土工膜，再蓋30 cm的細礫和50 cm厚砂礫石壓重層。

④庫底鋪膜面平整后，直接鋪設(shè)土工膜，每10 m回折20 cm，以防地基不均勻沉陷，拉伸土工膜，膜上覆30 cm的細砂和50 cm厚砂礫石的壓重。

⑤土工膜連接采用布縫膜焊的連接方式，搭接寬度不小于30 cm，搭接時應(yīng)使高端在低端上。

⑥土工膜與輸水管等結(jié)構(gòu)的聯(lián)接應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生較大位移，相鄰材料的彈性模量不應(yīng)相差過大。

3.2 壩基處理措施

壩基處理主要考慮滿足滲流控制、穩(wěn)定和變形等方面的要求，以保證壩的安全運行。砂礫碎石壩基的強度和穩(wěn)定性是足夠的，地基處理的主要任務(wù)是控制滲流量在容許范圍以內(nèi)、不發(fā)生滲透穩(wěn)定破壞現(xiàn)象[6]。

(1)壩基表面處理

調(diào)蓄水庫處于山前洪積平原區(qū)，地形由西南向東北傾斜、開闊，現(xiàn)為荒灘，場地上部為碎石土，結(jié)構(gòu)稍密，土質(zhì)不均，下部為砂礫碎石，厚度大于20 m。在壩斷面范圍內(nèi)清除上部0～2.1 m碎石土層，含草皮、植物的表土、垃圾及其它廢料，并將清理后的壩基表面土層壓實，采用振動碾進行碾壓。

(2)砂礫碎石的滲流控制

調(diào)蓄水庫地基為砂礫碎石，滲透系數(shù)k=(3.5～3.8)×10-2cm/s，屬強透水層。采用半挖半填，庫底和壩基均屬強透水。滲流控制庫底采用兩布一膜復(fù)合土工膜(250 g/0.5 mm/250 g)，鋪塑膜上設(shè)上細礫墊層厚0.3 m，其上設(shè)0.5 m厚砂礫碎石蓋重，膜下設(shè)細礫墊層厚0.3 m。

4 結(jié)論及建議

新建調(diào)蓄水庫工程區(qū)為砂礫碎石層，結(jié)構(gòu)中密～密實，可就地取材，用于大壩壩體回填。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，砂礫碎石層顆粒較粗，透水性強，池底地基位于地下水位以上的強透水層中，滲漏問題十分明顯，因此需對庫底、庫周進行土工膜防滲處理。通過工程建設(shè)經(jīng)驗及防滲體材料比較選擇，確定復(fù)合土工膜作為防滲體，調(diào)蓄水庫壩坡、岸坡和池底均采用兩布一膜全防滲結(jié)構(gòu)。水庫于2019年進行防滲處理，建后防滲效果顯著。