王金山

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 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作為臨清市南水北調(diào)配套工程的調(diào)蓄平原水庫，兼顧調(diào)蓄黃河水。

張官屯水庫樞紐工程包括入庫泵站、出庫泵站、水庫圍壩、入庫閘、排水溝等。水庫總庫容為2 293.0萬m3，年充庫水量5 999.0萬m3。

水庫庫區(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)的相對隔水層。

1 防滲方案研究

1.1 水庫無防滲方案

根據(jù)本工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合選定的水庫圍壩設(shè)計斷面，對水庫不設(shè)防滲體工況，進行水庫滲流分析計算。從水庫滲漏損失水量以及水庫運行經(jīng)濟合理性方面進行防滲方案比選。

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

表1 各土層滲透系數(shù)計算采用值

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)計算，水庫滲漏量為1 183.54萬 m3/a。

在無防滲措施情況下，水庫年滲漏水量約為1 183.54萬m3，占水庫總庫容的51.61%，占水庫總充庫水量的19.73%，滲漏嚴重。按照國家核定的南水北調(diào)山東平均供水價格1.54元/m3，計算水庫滲漏年直接經(jīng)濟損失為1 822.65萬元。為有效減少水庫滲漏量，確保水庫安全運行，提高水庫經(jīng)濟效益，水庫必須采取可靠的防滲措施。

1.2 水庫垂直防滲方案

水庫防滲方案分兩大類：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、搭接不嚴等現(xiàn)象，對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，防滲墻滲透系數(shù)可達1×10-7cm/s，防滲效果較好。缺點是需要優(yōu)質(zhì)泥漿固壁，如遇流砂、漂石等地層，會增加施工難度，工程造價較高。

結(jié)合本工程實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，進行水庫垂直截滲方案滲流分析計算。滲流計算工況及方法與不設(shè)防滲體情況相同，滲流量為924.26萬m3/a。

由計算結(jié)果可知，在水庫采用垂直防滲措施情況下，平均蓄水位年滲漏量為924.26萬m3，占水庫總庫容的40.3%，占水庫年充水量的15.41%。按防滲墻500元/m2）計算，水庫垂直截滲深度30m工程投資約為10 941.55萬元?？梢姡捎趬位翆訚B透性太強，垂直截滲效果不明顯，不滿足技術(shù)經(jīng)濟要求，方案不可行。

1.3 水庫水平防滲方案

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

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

根據(jù)上表可知，100m、200m、300m長防滲長度時，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，水庫年滲漏量為184.69萬m3，占總庫容的8.07%，占總充庫水量的3.08%，滲漏減少較為明顯。

表2 不同防滲長度防滲效果比較表

根據(jù)以上計算分析，由于壩基滲透性太強，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鋪設(shè)復合土工膜防滲方案，防滲效果較好。

2 水庫防滲設(shè)計

2.1 防滲方案設(shè)計

水庫庫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。庫底防滲土工膜采用膜布分置方案，壩坡土工膜采用復合土工膜方案。

針對張官屯水庫土工膜鋪設(shè)面積大，地下水埋藏深，水庫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。庫底復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 水庫防滲后滲漏量計算

庫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行計算；缺陷滲漏量根據(jù)《土工合成材料工程應(yīng)用手冊》提供公式計算，土工膜缺陷取每4 000m2出現(xiàn)一個孔徑為3.5mm進行缺陷滲漏量計算。

1）土工膜的施工缺陷引起的缺陷滲漏量計算公式：

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

表2 滲流量計算結(jié)果

2.3 防滲效果

張官屯水庫工程已于2016年12月通過水庫蓄水驗收，2017年5月開始蓄水，第一次充庫水量500萬m3，最高蓄水位25.85m；2018年4月，水庫第二次蓄水，充庫水量1 500萬m3，最高蓄水位31.30m，經(jīng)過近9個月觀測，水庫滲漏損失低于計算滲漏損失量，全庫鋪復合土工膜防滲效果較好。

3 結(jié)語

地下水漏斗區(qū)地下水位埋深較大，水庫蓄水后庫水位與地下水位水頭差較大，水庫滲漏以垂直滲漏為主，如庫區(qū)無連續(xù)深厚隔水層，水庫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工程為例，介紹了地下水漏斗區(qū)平原水庫防滲方案比選確定、全庫鋪設(shè)復合土工膜防滲方案設(shè)計、水庫滲漏量的有限元計算方法等。通過蓄水觀測表明，采用全庫底鋪設(shè)復合土工膜的方法對平原水庫防滲效果良好，可在同類地區(qū)水利工程，特別是井灌區(qū)水庫防滲中應(yīng)用。