楊子江，馮 帥，張 鵬

(1. 中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601；2. 國家投資項目評審中心，北京 100037)

防滲設(shè)計是水庫設(shè)計的重要內(nèi)容，直接影響水庫設(shè)計施工和水庫建成后功能的發(fā)揮。如何選擇防滲方案也一直是工程技術(shù)人員研究的課題，不僅對當(dāng)下水利工程建設(shè)有著借鑒意義，對已建成的病險水庫除險加固也有一定指導(dǎo)意義。水利工程中常見的防滲技術(shù)有混凝土防滲墻技術(shù)[1- 2]、高壓旋噴灌漿防滲技術(shù)[3]、攪拌樁防滲墻技術(shù)[4]、土工膜防滲技術(shù)[5]、帷幕灌漿防滲技術(shù)[6]等。水利工程防滲設(shè)計需在充分分析工程區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料對滲漏情況進(jìn)行分析計算后選擇防滲效果好、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好的防滲方案[7]。本文以亳州調(diào)蓄水庫為例，結(jié)合水庫工程實際情況，經(jīng)方案比選確定了水庫的防滲方案，為類似工程提供參考。

1 工程概況

亳州市地處淮北平原，為水資源極度缺乏地區(qū)，全市工業(yè)和城市生活長期依賴中深層地下水，水量和水質(zhì)均難以保證[8]。為確保亳州市城區(qū)用水安全，亳州城市供水工程作為引江濟(jì)淮工程的一部分，于2017年12 月開工建設(shè)，工程建成運(yùn)行后，亳州市將逐漸封存地下水，引江濟(jì)淮工程引調(diào)水將成為亳州市唯一水源[9]。亳州城市供水工程由加壓站、供水管道及調(diào)蓄水庫等三部分組成，其中調(diào)蓄水庫位于亳州市林擁城森林公園南側(cè)，主要工程任務(wù)是作為應(yīng)急備用水庫蓄水，在輸水管道檢修以及突發(fā)事故時向亳州城區(qū)自來水廠供水，水庫總庫容493.0萬m3，調(diào)蓄庫容460萬m3，向亳州城區(qū)多年平均凈供水量12645萬m3(2040水平年)，主要建筑物包括圍壩、入庫涵洞、出庫涵洞、放水洞及庫周渠系工程等[10]。

亳州調(diào)蓄水庫是典型的平原水庫，工程區(qū)內(nèi)地勢平坦，地面高程由西北側(cè)的36.2m漸變至東南側(cè)的35.2m，平均高程35.6m，采用下挖式庫區(qū)，正常蓄水位取平地面高程35.6m，高于周邊地下水位(32.5～34.5m)。庫周利用開挖土料填筑圍壩，水壩軸線總長約8.35km，庫區(qū)水面開闊，水域面積較大，正常蓄水時水面面積約170萬m2。庫區(qū)采用壓力管道輸水充庫，無天然河道徑流入庫，工程無防洪任務(wù)。根據(jù)亳州市水資源緊缺的現(xiàn)狀以及平原水庫的特點(diǎn)，庫區(qū)防滲是本工程設(shè)計的重點(diǎn)，也是工程建設(shè)單位和管理單位關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 防滲方案設(shè)計

2.1 庫區(qū)地質(zhì)條件

工程區(qū)位于華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)，第四系地層發(fā)育，分布廣泛，主要以沖積類型為主，其次為湖積、沼澤相沉積和殘坡積。工程勘探深度范圍內(nèi)主要分布土層為：第①- 1層、第①- 2層粉質(zhì)黏土或重粉質(zhì)壤土；第①- 3層重中粉質(zhì)壤土；第①- 4層重中粉質(zhì)壤土(含砂礓)；第①- 5層中輕粉質(zhì)壤土夾砂壤土；第①- 6層重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土；第②- 1層粉土和中粉質(zhì)壤土互層；第②- 2層中重粉質(zhì)壤土；第③層粉細(xì)砂和砂壤土互層；第④層輕粉質(zhì)壤土；第⑥層輕粉質(zhì)壤土等。

表1 各土層滲透系數(shù)及允許水力比降值

根據(jù)各層土顆粒分析，第①- 1、①- 2、①- 3、①- 4、①- 6層土的粘粒含量18.2%～31.0%，塑性指數(shù)為12.8～15.0，但由于場區(qū)內(nèi)地下水水位變化頻繁，產(chǎn)生淋濾作用，鈣離子下移至①- 4層重中粉質(zhì)壤土內(nèi)膠結(jié)成砂礓，形成結(jié)核層，在①- 3層土體內(nèi)形成豎向滲漏通道。上述土層統(tǒng)稱為砂礓粘土，其滲透性為中等，局部為強(qiáng)透水性，厚度3.5～4.0m，其下部①- 5層中輕粉質(zhì)壤土與粉土或細(xì)砂互層、①- 6層重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土受到淋濾作用的影響較小，細(xì)層理清晰。經(jīng)現(xiàn)場試驗坑滲透試驗、注水試驗，以及室內(nèi)滲透試驗，工程區(qū)內(nèi)各土層滲透系數(shù)和允許滲透比降見表1。

從表1可以看出，庫區(qū)內(nèi)的①- 1、①- 2、①- 3、①- 4、①- 5層土為相對透水層，①- 6層重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土的滲透系數(shù)為7×10-6～8×10-6cm/s，弱至微滲透性，為相對隔水層。另根據(jù)鉆孔及物探資料顯示，庫區(qū)范圍①- 6層土層頂高程29.05～32.98m，層厚0.6～4.0m，在庫區(qū)范圍內(nèi)廣泛分布，局部層厚較大，可作為庫底有效隔水層，但在水庫東北區(qū)(約27萬m2)該層土缺失。

2.2 無防滲措施滲漏量估算

根據(jù)庫區(qū)水文地質(zhì)資料以及水庫圍壩設(shè)計斷面，對不采取防滲措施的水庫進(jìn)行滲流分析計算，估算水庫滲漏量。滲流計算采用河海大學(xué)編制的Autobank7程序[11]，結(jié)合壩段地形特點(diǎn)、壩基①- 6層土分布情況及蓄水位變化情況等資料，選擇5個斷面為計算斷面進(jìn)行滲流分析計算，庫外地下水按水庫周邊河道攔河節(jié)制閘的蓄水情況分別取34.5、32.5m，各斷面滲流計算結(jié)果見表2。根據(jù)各典型斷面代表壩段長度及庫外地下水變化情況估算，不采取防滲措施庫區(qū)年滲漏量約154.14萬m3，其中①- 6層土缺失的東北庫區(qū)滲漏量約84.48萬m3，其他區(qū)域滲漏量約69.66萬m3，總滲漏量占水庫總庫容的31.03%，占設(shè)計年調(diào)水量的1.22%，滲漏較嚴(yán)重。按照《引江濟(jì)淮工程(安徽段)初步設(shè)計報告》 (第十六章經(jīng)濟(jì)評價)[12]對單位供水成本測算結(jié)果，安徽省工程分水口門斷面單方水供水成本為0.78元/ m3，單位運(yùn)行成本為0.37元/ m3，亳州調(diào)蓄水庫滲漏年直接經(jīng)濟(jì)損失約177.1萬元。為減少水庫滲漏量及經(jīng)濟(jì)損失，提高水庫供水效益，需對水庫采取必要的防滲措施。

表2 無防滲措施典型斷面滲漏量計算結(jié)果 單位：m3/(s·m)

2.3 防滲方案比選

根據(jù)工程地質(zhì)條件，庫區(qū)大部分區(qū)域庫底均分布一層相對隔水層，且埋深較淺，頂高程在29.05～32.98m，基本位于庫底高程32.25m上下1.0～1.5m左右，利用庫區(qū)開挖土料在庫周設(shè)粘土斜墻截水槽與庫底相對隔水層連接，使庫區(qū)形成完整封閉的防滲體系，既能滿足水庫防滲和水質(zhì)保護(hù)要求，也能節(jié)約工程投資。因此，該區(qū)域庫區(qū)的防滲方案確定為在庫周設(shè)粘土斜墻與庫底相對隔水層連接，對庫底相對隔水層較薄的區(qū)域設(shè)粘土鋪蓋以減少水庫滲漏量。

表3 比選防滲方案基本情況表

根據(jù)滲漏量計算結(jié)果，庫區(qū)滲漏量主要集中在水庫東北側(cè)①- 6層土缺失區(qū)域，該區(qū)域面積約占庫區(qū)總面積的16.88%，滲漏約占庫區(qū)總滲漏量的57.45%，因此，需對該區(qū)域采取可靠的防滲措施。針對此類庫底及庫周均無相對隔水層的庫區(qū)，常規(guī)的防滲措施有：①在庫周、庫底設(shè)粘土斜墻及鋪蓋；②在庫底及壩坡滿鋪防滲土工膜；③庫周設(shè)垂直防滲墻。據(jù)此，對亳州調(diào)蓄水庫東北區(qū)域相對隔水層缺失的區(qū)域擬定三個防滲處理方案，具體見表3。

從表3可以看出，方案一投資最少,滲漏量居中,且方案一可就地取材，水庫建成后能保持庫內(nèi)外水體交換，利于保證水質(zhì)，經(jīng)綜合考慮,推薦選用方案一。

2.4 水庫防滲設(shè)計

鑒于庫區(qū)開挖土料重塑后可做為有效防滲土料、水庫正常蓄水位與庫外地下水位差較小，結(jié)合水質(zhì)保障要求，亳州調(diào)蓄水庫采取的防滲措施為：充分利用庫內(nèi)開挖粘性土料對庫底、庫周砂礓土進(jìn)行換填，與庫底相對隔水層連接，使庫區(qū)形成完整、封閉的防滲體系。根據(jù)勘探資料，工程區(qū)內(nèi)①- 6層土分布共分為三個區(qū)域，分別采取不同的換填方案。A區(qū)：庫底面積116萬m2，區(qū)內(nèi)①- 6層土厚度1.0～4.0m，該區(qū)域僅在庫周結(jié)合圍壩填筑設(shè)粘土防滲斜墻，墻底與庫底①- 6層土連接；B區(qū)：庫底面積17萬m2，區(qū)內(nèi)①- 6層土厚度小于1.0m，在庫周結(jié)合圍壩填筑設(shè)粘土防滲斜墻與庫底①- 6層土連接，并在庫底設(shè)粘土防滲鋪蓋，加大庫底防滲層厚度；C區(qū)：庫底面積27萬m2，區(qū)內(nèi)①- 6層土缺失，對庫周、庫底分別設(shè)粘土斜墻及鋪蓋。采取防滲措施后，對庫區(qū)采取防滲措施后的水庫進(jìn)行滲流分析計算，結(jié)果見表4。

表4 采取防滲措施后典型斷面滲漏量計算結(jié)果 單位：m3/s/m

從表4可以看出，在采取防滲措施后，各典型斷面滲漏量均有明顯減小，①- 6層土缺失區(qū)域圍壩單寬滲漏量減小85.3%，其他區(qū)域圍壩單寬滲漏量55.1%～67.3%，庫區(qū)年滲漏量約36.72萬m3，較無防滲措施庫區(qū)滲漏量減少76.2%，總滲漏量占水庫總庫容的7.45%，占設(shè)計年調(diào)水量的0.29%，說明選用的防滲方案有效，防滲效果較好。

2.5 空庫期運(yùn)行情況

2020年3月亳州調(diào)蓄水庫庫區(qū)內(nèi)土方全部開挖完成，庫內(nèi)防滲體填筑完成。2020年6月水庫開始通過壓力管道輸水充庫，此期間水庫一直保持空庫運(yùn)行，庫外地下水位保持在33.5～33.8m，高于庫底高程1.25～1.55m，庫內(nèi)無大面積明顯積水，實踐表明水庫總體防滲效果較好。

3 結(jié)語

平原水庫普遍具有庫區(qū)面積大、圍壩軸線長、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，庫區(qū)滲漏是建設(shè)各方關(guān)注的焦點(diǎn)，防滲方案是工程設(shè)計的重中之重。本文結(jié)合亳州調(diào)蓄水庫庫底相對隔水層分布特點(diǎn)及水庫運(yùn)行期內(nèi)外水頭差較小的實際情況，綜合考慮工程投資、年滲漏量以及水質(zhì)保障要求等方面因素，最終選用充分利用庫區(qū)開挖粘性土料，對庫底、庫周進(jìn)行斜墻、鋪蓋填筑以及庫底防滲層補(bǔ)厚的設(shè)計方案。理論分析計算和空庫期運(yùn)行實踐表明選用的防滲方案有效，防滲效果較好，防滲方案設(shè)計可為類似工程提供參考。