山区水库库盘土工膜防渗的适用性与防渗方案研究

武 清

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

对于某些小型水库或引水注入式平原水库，由于坝址和库盘条件限制，为了降低工程投资，只能选择在出山口以后河段或利用天然洼地，或截断冲沟垭口围坝挡水蓄库，库坝区多为山前大厚度的第四系冲洪积透水地层，库盘和坝基防渗问题均较突出。不乏彻底解决水库大范围渗漏的工程应用，例如平原水库或抽水蓄能电站做全库盘土工膜防渗。但对于山区及丘陵区拦河筑坝水库，库盘土工膜防渗应用和研究较少。也有山区拦河水库在施工期遭遇洪水，对库盘土工膜防渗结构造成冲刷和地下水顶托破坏的工程实例。由于山区水库地层结构的差异及地下潜水的存在使得工程地质条件和水文地质条件复杂，采用库盘防渗结构可能会存在地下水顶托的影响，汛期地下潜水上升或溢出地表，以及施工期和空库条件下顶托作用尤为明显，甚至会破坏防渗结构。

本文结合小龙口水库库区地下水的出溢流量监测以及水文地质条件的分析，对山区拦河水库库盘土工膜防渗自身的结构稳定及其适用性进行了研究。结合分区域的防渗要求和坝址地层结构的分析，在满足大坝渗流稳定和安全运行的前提下，提出了针对性且适合的坝基垂直防渗方案。

1 工程和地质概况

1.1 工程概况

小龙口水库坝址选择在库盘地形和径流条件较好的出山口丘陵地带河段上，坝址多年平均年径流量为1204万m3。水库总库容227万m3，正常蓄水位917m。工程由拦河主坝、右岸副坝、放水涵洞、坝上溢洪道以及引水入库兼导流渠等建筑物组成。根据坝址库区的地形地质条件，主坝段垂直于河道布置，采用分离式素混凝土面板砂砾石坝坝型，最大坝高25.0m，右岸副坝段采用土工膜斜墙防渗砂砾石坝坝型，最大坝高5.5m。

水库前期勘探库盘范围为第四系全新统(Q4)强透水的砂卵砾石地层，初步设计推荐采用防渗效果较好的复合土工膜全库盘防渗方案。考虑库区位于泉水溢出带，岸坡和库底膜下均设置了纵横向的排水暗渠，膜上设置了0.6～1.5m的砂砾石保护层。

水库开工后对库盘进行了清理，并修建了入库兼导流渠及放水涵洞，此时库盘土工膜尚未铺设。在将入库导流渠临时开挖排水沟回填后，即发现导流明渠两侧有渗水明流溢出，相应衬砌混凝板板块间发现了3处较为明显的错动变形，变形量为3～8cm，分析为渠下地下潜水顶托所致。随即对库盘补充了详细的地勘工作，并开展了深入的水文地质条件分析。

1.2 地形地质条件

水库坝址属构造堆积地貌，河谷宽130～250m，河床纵坡2.5%～2.7%。左岸岸坡坡度在10°～40°之间，低洼平坦处，受出露泉水渗流影响，已产生沼泽湿地化现象。

施工期进一步揭露库坝区表层出露岩性主要为第四系砾质土及卵砾石层，下部为巨厚的新近系N2砾岩，其埋深自岸坡向河床逐渐变深。其中主坝左岸砾质土直接出露于岸坡表层，层厚在1.5～5.0m，其下为大厚度的新近系砾岩，以砂、泥质胶结为主，胶结层厚0.2～0.6m，分布不连续。

河床段表层出露4.7～5.0m厚卵砾石层，孔隙以砂质填充为主，局部夹薄层砾质土及砂层透镜体，约占9.7%～27.3%。砾岩分布于全新统卵砾石层之下，勘探深度80m未揭穿，泥岩层占比平均值为18.5%。副坝段位于河床右岸Ⅱ级阶地之上，出露岩性为砾质土、卵砾石层及砾岩。

根据钻孔抽(压)水试验，砾质土及粉土层渗透系数为2.5×10-4～5.2×10-5cm/s，具中等-弱透水性；卵砾石层渗透系数为3.13×10-2～5.4×10-3cm/s，平均值为1.1×10-2cm/s，具有强透水性；砾岩层渗透系数为6.3×10-3～4.6×10-5cm/s，平均值为5×10-4cm/s，具有中等透水性；砾岩层中分布多层透镜体状泥岩层，试验渗透系数3.6×10-5～5.4×10-6cm/s，为弱透水层。

2 库区水文地质条件分析

工程场区地下水主要赋存于河床及岸坡阶地之下的第四系砂卵砾石及砾岩地层，地下水位埋深0～2.0m，在砂卵砾石地层中以潜流的形式补给下游，并以泉水的形式出露于岸坡。

其中河谷右岸库尾发育有一条较大的支沟，泉水主要汇流入支沟集中出露，实测泉水流量约10.4L/s。河谷左岸地形相对开阔平缓，泉水在岸坡上以水平向条带状出露，出露点主要分布于坝址区附近及左岸岸坡砾岩层之上的砂卵砾石层面，出溢影响带高程在920～925m之间，呈水平向略微倾向下游，影响长度约0.8km，在坝址断面附近泉水出露点高程为913～915m，略低于水库正常蓄水位，单泉流量最大约2～3L/s，经岸坡漫流最终汇流至河床中，分区实测左岸泉水合计出露流量为20.23L/s。

由于布置的入库渠为全挖方渠道，施工期库底清理和开挖致使局部渠段渠底低于地下水位，导致潜流溢出地表，分区实测河底地下潜流出溢地表流量为25.06L/s。

从库盘水文地质条件分析，库址位于该河段泉水出溢较为集中的区域，说明库区两岸及库底地下潜水和泉水出溢流量较大。库盘及岸坡卵砾石层下部为砾岩层，并存在泥岩夹层透镜体，导致库区泉水和地下水的溢出，说明砾岩层具有相对隔水层的作用。

3 库区渗水溢出对库盘防渗结构的影响分析

小龙口水库左岸泉水溢出带下部为砾岩层，阻止了地下水的入渗，泉水溢出带出露位置高，涉及岸坡影响范围较长，布置纵横向排水设施工程量大，且岸坡垂直落差10～18m，极易沿排水暗渠集聚水头对库盘铺膜产生顶托破坏，土工膜防渗结构自身也不稳定。因此左库岸边坡不宜采用大面积的铺盖式防渗措施。

库盘底部从库尾到主坝断面长近800m，最大落差22m，由于河道原有纵坡及自然落差的存在，布置纵横向排水暗渠很容易随着水流的集聚，而对库盘铺膜产生顶托作用，不利于防渗结构的整体稳定，在施工期和水库初期蓄水期为最不利工况。已发生的入库导流渠衬砌混凝土板的错动变形即说明问题。结合实测渗水量监测，经复核计算原设计方案膜下设置的汇流排导措施，布置范围和断面设计不能满足实际排水要求。为了满足排水效果宜采用铺盖式排水措施，但对工程投资和施工工期均有显著影响。若增加膜上保护层厚度或盖重，则会进一步增加土方开挖，甚至占用水库有效库容，对于小型水库而言则会影响水库效益的正常发挥。

库址位于该河段泉水出溢较为集中的区域，排水体长期运行的可靠性难以准确把握，库盘地下水对膜可能造成的顶托，势必会影响库盘防渗结构的运行安全。并且排水体位于防渗膜下部，若在施工中存在质量缺陷，则排水体极易成为集中渗漏通道，对水库蓄水也存在一定的风险和隐患。

新疆某山区拦河水库库盘为大厚度强透水的砂卵砾石地层，设计采用库盘复合土工膜防渗结构，在施工阶段汛期导流期间即因为地下潜流的汇集和抬升，导致入库渠衬砌混凝土板及库盘土工膜产生地下水顶托而大面积冲毁。国外较早建成的塔贝拉坝采用水平铺盖防渗，运行20a经多次维修才基本处于安全状态，其运行管理中大量持续的维修工作量不利于工程的运行管理。

基于上述分析认为，该工程采用全库盘土工膜防渗结构存在地下水顶托破坏的安全风险，库盘土工膜防渗措施不适用于库区位于泉水溢出带、地下水位埋藏浅、库底和岸坡纵坡较大的水库作全库盘或水平防渗措施考虑。

4 分区防渗措施分析

经实测流量估算，不考虑河床地下潜流的影响，仅库区两岸每年泉水溢出量就达96.6万m3，占全年年径流量的8%。该水库库区两岸岸坡采取防渗措施反而会减少泉水入库水量，也不利于岸坡的整体稳定。左库岸砾岩层出露高程大部分位于水库正常蓄水位以上，只在坝址断面低于库水位1.5～3.5m，在左坝肩存在绕坝渗漏的集中渗漏通道。根据类似工程经验，分区设计上可对砂砾石夹层在坝址断面采用垂直封闭防渗处理措施，向岸坡延伸长度需经渗流和渗漏量的分析计算综合确定；右库岸泉水溢出集中在支沟内，宜采用截渗和排导措施使其入库。

同时分析认为，可以利用坝基下伏以及岸坡出露的砾岩层作为相对不透水层，通过库区渗流和渗漏敏感性分析，在不影响水库效益和满足坝基渗透稳定的基础上，提出主副坝采用坝基垂直防渗方案，以避免库盘铺膜存在的结构破坏风险。

新疆大石门水利枢纽工程库区左岸存在宽2.6km的古河道，古河道内沉积了深厚的Q2泥质半胶结砂卵砾石地层，底部基岩面低于正常蓄水位205m。根据中国水利水电科学研究院对库区左岸进行的三维渗流计算成果及敏感性分析表明，通过增加帷幕长度的方式对于减少水库渗漏、降低下游出溢水力坡降作用明显，经方案比较在古河道左岸推荐采用只封闭570m的帷幕灌浆垂直防渗处理方案。[4]

综合以上分析，小龙口水库库区左、右岸坡不宜做铺盖式防渗处理。由于泉水溢出量较大，强透水层出露位置较高，分区上防渗的意义不大。河床坝基存在强透水地层，但厚度不大，水库渗漏量及坝基渗透稳定也容易控制，采用沿主副坝坝基垂直防渗方案，相较库盘水平防渗方案不存在防渗结构破坏的安全风险。

结合工程实践经验，垂直防渗形式上结合主坝混凝土面板和副坝土工膜斜墙防渗，在前坝坡坡脚位置采用槽孔混凝土防渗墙的施工技术方案，其施工质量更容易控制。左岸泉水溢出带在坝址断面存在绕坝渗流的卵砾石夹层，采用坝基防渗墙向岸坡的延伸方案，以防止绕坝渗流对坝体及下游岸坡的渗流破坏为原则。

5 坝基垂直防渗深度及左岸延伸长度的确定

小龙口水库为双层结构坝基，河床及岸坡表层出露砂卵砾石地层最大厚度为5.0m，下伏砾岩层渗透系数取值为5×10-4cm/s，小于上覆砂卵砾石地层渗透系数约1/100，可视为相对不透水层。地质建议砂卵砾石层允许渗透比降为0.12，砾岩层允许渗透比降为0.21，砾质土允许渗透比降为0.3。因此坝基垂直防渗设置深度按深入相对不透水层5m及坝高的2/3和最大坝高来拟定，垂直防渗范围为主坝段0-050～0+300及副坝0+000～0+285处。渗流分析主坝分别按垂直防渗深度10、16和25m 3个方案进行计算，副坝统一按防渗深度10m设计，左岸岸坡防渗墙坝顶以外延伸长度统一按50m考虑。

渗流计算和对比分析成果表明，增加防渗墙的设置深度，能够降低下游溢出部位的水力坡降，减少水力坡降超过卵砾石层允许渗透比降的出溢范围，同时也表明N2地层渗透系数越小，通过加深防渗墙深度的方式来减少出溢比降的作用越小。但考虑地层结构的差异性，坝后坡脚及出溢范围宜设排水和反滤保护。

在主坝防渗墙深度16m、副坝10m条件下，主副坝坝基及左岸岸坡溢出点渗透比降均小于卵砾石土体的允许渗透比降，坝体和坝基渗透稳定满足要求。相应坝基渗漏量为39.7万m3，约占水库总库容的17.4%，小于库区的泉水入库水量，水库渗漏量可控制在允许范围。其中坝基渗漏量中卵砾石层的渗漏量为34.1万m3，为主要的渗漏地层。该方案较原设计库盘土工膜防渗方案减少投资177万元，约占总投资的1.8%，其安全性和可靠性更优。

6 结论

库区渗漏条件和地层结构的判定是决定水库防渗型式选择的关键，前期工程地质勘察深度和水文地质条件分析对于库盘防渗型式的选择至关重要。对于有地表径流和地下潜流汇集的山区或丘陵区拦河水库，选择库盘防渗型式尤其要慎重，其结构自身的稳定会对水库的安全运行带来隐患。

本文只针对山区拦河水库库区水文地质条件的影响，进行了相关分析和研究。而入库水流及推移质泥沙冲刷对库盘土工膜防渗结构的影响，在小龙口水库不突出，限于篇幅本文未进行深入研究和探讨，留待今后结合工程实例再进行总结。