黏土心墙和土工膜在水库增容工程防渗设计中的对比研究

匡 鼎

(新疆兵团勘测设计院有限责任公司 云南分院，昆明 650000)

1 概 述

近年来，国内水利工程建设得到快速发展，同时也面临着对已建工程进行除险、加固和增容等问题，以满足社会经济发展的需要[1-2]。渗漏是水利工程最主要的危险因素之一，坝基、坝体以及溢洪道等建筑渗漏是比较常见的渗漏形式，应做好防渗设计工作，以确保水利工程的安全与稳定运行[3-4]。

尹天祥在处理黄土和土石山区的水库增容设计过程中提出，在溢洪道上增设简单高效的迷宫堰来达到增容效果，并能达到防渗要求[5]。崔亚军等对增容围堤的填筑土料进行了土力学试验，提出了相应级配下的最佳防渗设计标准[6]。赵学辉等在菩萨庙水库增容方案设计时，探讨了抬高不同高度水位下的可行性和经济性[7]。艾海提江·艾木拜尔则对复合土工膜在水库除险加固防渗设计中的应用进行了分析探讨，认为复合土工膜具有较好的防渗效果[8]。

本文以某增容工程为例，利用数值分析软件，对比分析土工膜和黏土心墙在防渗设计中的渗流稳定特性，并将两种方案的工程投资作对比。在考虑综合影响因素下，建议选用土工膜进行本水库工程的增容防渗材料。

2 水库概况及防渗设计必要性

2.1 水库概况

该水库控制流域面积约为28 km2，呈阔叶状形式分布，河道平均比降0.025 8。现水库的兴利库容为186×104m3,调洪库容约为102×104m3，总库容达到302×104m3。水库主要作用为防洪，同时兼顾周边城镇居民的供水，日供水量仅为0.23×104m3，不能满足2020年设计水平年下的需求水量。为了减轻下游河道的防洪压力，同时满足周边城镇工农业发展对用水量不断增长的需要，改善沿河流域的生态环境，实现社会经济及生态环境的可持续发展，决定对该水库进行扩建增容工程。

2.2 防渗设计必要性

设计扩建水库库容总量为1 020×104m3，水位为317.25 m，对应兴利库容为800×104m3，相应水位为314.22 m，设计洪水位、校核洪水位及死水位分别约为318.23、319.22和289.90 m。由于原水库壤土心墙渗透系数偏大(7.1×10-5cm/s)，根据计算，已经不能满足增容过后的设计规范要求，对渗透稳定及安全运营具有重要影响，因此需要对原壤土心墙及增容后的坝体进行新的防渗处理。工程设计时，拟采用两种方案进行处理：①黏土心墙土石坝；②复合土工膜斜墙土石坝。具体的坝体布置示意图见图1。

图1 两种方案布置示意图

3 方案分析结果对比

3.1 渗流分析

根据本次设计使用材料的性质及地质勘探数据，黏土心墙坝各分区材料的渗透系数值见表1。采用GEO-studio数值模拟分析软件对坝体进行渗流分析，分别得到两种防渗方案下死水位、兴利水位、设计洪水位以及校核洪水位下的等势线，见图2和图3。

表1 各分区渗透系数统计表

从图2可以看到，在死水位情况下，浸润线基本沿着坝体底部，随着水位的升高，浸润线在原坝体、新筑上游坝壳以及黏土心墙区的位置不断升高，最终基本与心墙下游分界线重合，而在下游新筑坝体区内，等势线则基本沿着坝底的趋势变化。图3表明，当水位超过原坝壳高度后，等势线基本是沿着土工膜的布置变化，通过砼防渗墙后，才逐步沿着坝体降低。

图2 黏土心墙等势线数值模拟分析

图3 土工膜等势线数值模拟分析

分析得到的渗流结果见图4。图4表明，随着水位的升高，大坝的渗流量逐渐增大，黏土心墙下的出逸比降呈对数型增加，而土工膜的出逸比降则相差不大。对比两种方案下的渗流量和出逸比降可以发现，采取两种方案的防渗措施后，在各工况下的大坝渗流情况满足设计需求，但在同等工况下，黏土心墙的渗流量和出逸比降均较土工膜小。

图4 渗流分析结果

3.2 稳定分析

利用GEO-studio软件中的毕肖普分析法，对两种方案下不同工况的应力情况进行分析，工况分为正常运用和非正常运用。正常运用包括死水位、兴利水位以及设计洪水位；非正常运用包括施工期、校核洪水位、水位降落工况1(由校核水位降为兴利水位，下游水位为285.48 m)以及水位降落工况2(由校核洪水位降为兴利水位，下游水位为285.48 m)，计算分析结果见表2。

表2 稳定计算分析成果表

从表2中可以看到，不管是黏土心墙方案还是土工膜方案，其在正常与非正常情况下所能承受的有效应力值均大于规范允许的最小承受力，表明两种防渗方案均能满足坝坡的稳定性要求。

3.3 经济性分析

投资控制是工程建设中比较重要的一环，因此需要对两种方案的投资指标进行对比分析。经计算，方案一黏土心墙坝的土石方及拆除工程需要3 256万元，砌石工程需772万元，其它工程及材料调差分别预算为156及870万元，总计投资预算为5 054万元；方案二土工防渗设计土石方及拆除工程、砌石工程、砼及钢筋砼工程、基础处理工程分别需2 368、669、40及259万元，其它工程和材料调差分别为239及892万元，总工程预算为4 467万元。可见，土工膜防渗设计方案具有更高的经济性，其工程投资可较黏土心墙节省约600万元。

3.4 讨 论

通过对两种方案的渗流稳定分析及经济性比较可以看出，无论是黏土心墙坝还是土工膜设计，其防渗效果和坝体稳定性均能满足相关规范要求，这种情况下就需要对经济性、安全性以及工程施工综合等作为主要的选定依据。由上文分析可以看到，土工膜的工程投资预算较黏土心墙方案减少约600万元，这主要是由于土工膜方案利用人工材料作为防渗体，对坝体料材料的性能要求不高，能充分利用库区的土料，节省了大量的运输和转运费用；同时还能大大节省施工工期，减少人员设备的投入。因此，从技术、经济、安全整体考虑，认为土工膜方案优于黏土心墙方案。

4 结 论

黏土心墙和土工膜是较为常用的防渗设计方案，基于某水库增容工程，对两种方案的技术、安全和经济性做了对比分析。分析结果表明，两种方案均能满足渗流稳定要求，但后者较前者具有更高的工程投资经济性，同时能大大缩短施工工期，因而建议选用土工膜对本增容工程进行防渗设计。