洪屏上水库底部防渗措施种类分析

3.3.2.1　上水库概况及防渗分区

上水库为一四面环山的沟源天然库盆，集水面积约6.67km2，盆底高程690.0m～710.0m，地势平坦开阔，库岸的山坡坡角15°～45°。上水库库盆是对于储水、防渗有利的向斜构造，地表水、地下水丰富，地下水位埋深较浅，库底基岩透水性微弱，处于保水状态，库盆封闭条件极好。上水库由西副坝、西南副坝两座面板堆石坝、一座混凝土重力坝主坝以及进出水口等组成，总库容2956×104m3，设计最大渗量5681.59m3/d，约占总库容的0.019%，满足抽水蓄能电站日渗漏量不超过0.5‰的要求。

盆底西侧、南侧及西南侧各有一个垭口。南垭口为水库水流主要出口，坝型为混凝土重力坝(主坝)，坝顶高程737.5m，坝顶宽度为7m，坝顶长度为107m，最大坝高42.5m;西垭口峡谷底高程688.5m，坝型为混凝土面板堆石坝(西副坝)，坝顶高程为738.9m，坝顶宽7.0m，最大坝高57.7m，坝顶长360m。西南侧有一“U”形山垭，高程707m～708m，坝型为混凝土面板堆石坝(西南副坝)，坝顶高程为740.1m，坝顶宽度为7.0m，坝顶长738.9m，最大坝高37.4m。

主坝至西南副坝称为南库底，该段库盆底部断层较为发育，共揭露大小断层共10条，断层的渗透系数值约在1.0×10-4cm/s～2.33×10-4cm/s，为中等透水性，受到NW 方向的断层切割沟通，经示踪试验结果验证:南库底存在向地下厂房平洞及其支洞渗漏的贯穿断裂或者断裂网络，即上水库南库岸及南库底断层发育，与地下厂房存在水力联系，为确保工程安全，南库岸采用钢筋混凝土面板防渗，南库底采用水平铺盖防渗。具体防渗方案为:主坝-西南副坝采用钢筋混凝土面板和帷幕灌浆进行防渗处理，南库底断层发育区采用土工膜和黏土铺盖复合防渗处理。库底防渗分区如图3-13所示，南库底防渗区土工膜铺设如图3-14所示。

图3-13　洪屏上水库库底防渗分区示意

图3-14　南库底土工膜铺设结构布置图

3.3.2.2　土工膜的防渗结构形式

防渗结构一般由下部支持层、土工膜防渗层及上部保护层构成。

(1)下部支持层。

土工膜铺设在密实的基础上，层面平整。下支持层根据工程的类别、天然基础的条件和土工膜的特性进行选择，与膜接触的表面宜为压实的细土料层、细沙或平整的混凝土层，一般在土工膜与基础间加设土工织物垫层，有膜下排水、排气要求的需增加排水排气层或者安装呼吸阀。

为防止土工膜被刺破，膜与基础之间需设置隔层，目前可采用的土工织物垫层主要有三维土工排水网、土工布、土工席垫、GCL(Geosynthetic clay liners，土工聚合黏土衬垫，常用作膨润土防水毯)，洪屏抽水蓄能电站上水库库底是天然库底，自上而下分布有冲洪积粉质黏土层、砂卵砾石层、全风化基岩、强风化基岩，全风化及以上覆盖层厚度平均达到5m～6m。除靠近混凝土重力坝主坝坝基连接段开挖至高程701m以外，其他区域只需清理表层的松散的耕植土0.5m后，平整碾压后分层碾压回填50cm～100cm厚黏土作为土工膜的下卧支持层基础。下支持层在设计时，考虑到黏土下支持层不能单独满足防渗要求，所起作用仅为支撑层+辅助防渗层，土工膜为主要防渗层，作为黏土及土工膜的联合防渗体系，需在两种材料之间设置一层柔软垫层。

最终确定在黏土的基础面上铺设一层400g/m2 的土工布作为土工膜的保护层，即可开始土工膜的防渗施工。形成土工膜的下部支持层结构如下(从下至上分层):

①整平后的天然库底(压实度达到95%);

②黏土下支持层(50cm，设计渗透指标1×10-5cm/s);

③土工布(400g/m2，渗透系数1×10-1cm/s～1×10-2cm/s)。

(2)土工膜防渗层。

①土工膜生产工艺及主要性能指标。

土工膜的防渗层采用分离式“两布一膜”形式，膜材选用1.5mm厚单层光面高密度聚乙烯膜(HDPE)，上下层铺设400g/m2 的纯新涤纶针刺非织造型土工织物。对于厚度较大的HDPE 土工膜(厚度大于1mm)，生产工艺的不同膜材质量和技术性能表现的差异也较大，常用的方法为压延法(也称为平挤法)和吹塑法(也称为吹膜法)，压延法生产的膜材要优于吹塑法生产的土工膜。1.5mm厚的HDPE 土工膜在目前的生产已比较成熟，经过“三辊压光”压延法生产的1.5mm厚的HDPE 土工膜其工艺质量能够满足施工要求。

本工程设计时，为保证土工膜的生产质量，按照驻厂监造的要求，采用了压延法生产的光面膜。土工膜的性能指标见表3-1、表3-2。

表3-1　1.5mmHDPE膜基本物理性能

续表

表3-2　土工膜原材料的检测试验结果

注:执行标准为GB/T 17643-1998 GH-2

(3)土工膜厚度。

土工膜在厚度上的选择需满足的主要条件:膜片保证足够的不透水性;具有满足抵抗设计水压破坏的能力;满足与环境的协调变形;同时考虑便于施工等。

土工膜的厚度选择可按照理论公式得出。目前运用较多的三种计算方法主要为:顾淦臣的薄膜理论公式;前苏联全苏水工科学研究院的经验公式;美国J.P.Giroud 的铺在窄缝上的膜近似公式。国内在土工膜防渗设计时，根据经验和工程类比选择土工膜厚度。对于本工程，库底土工膜水平防渗，其支撑体主要为土料、沙砾料或者透水卵石料，虽然设计了膜下土工布隔层防止有尖锐棱角的碎石刺破土工膜，但是难以避免土料、石料等颗粒之间会产生空隙，在水压力的作用下，土工膜会产生鼓胀变形。土工膜的厚度设计，除需考虑水压力的强度外，尚应考虑暴露、埋压、气候、使用寿命等应用条件。根据《聚乙烯(PE)土工膜防渗工程的技术要求规范》，拉应力和拉应变的安全系数一般可取4～5。参考我国顾淦臣的薄膜理论(张在正方形边界上的膜)公式:

式中:T—单位宽度膜的张力，kN/m;

ε—拉应变，以小数表示;

p—水压力荷载，kPa;

a—正方形边界的边长，m。校核厚1.5mm HDPE 膜设置在含颗粒最大粒径为20mm的黏土层上，承受最大31.5m(高程701.5m～高程733m)水头时的顶张安全。计算步骤如下:(www.xing528.com)

根据公式，其孔隙直径约为均匀粒径的1/2.5，即20×1/2.5=8mm，若孔隙形状视为正方形，近似取p=0.008m，承受的水头压力a=1×9.8×31.5=308.7kPa。代入公式，作图求解，此曲线与1.5mm厚的HDPE 膜的屈服拉伸曲线的交点纵横坐标值分别为T=2.55kN，ε=1.4%。该膜的屈服拉伸率实测值均≥12%，拉伸屈服强度≥22kN/m，计算见图3-15。

图3-15　1.5mm HDPE膜顶张变形计算图

拉力安全系数FT=22/2.25=9.78＞5，应变安全系数Fε=12/1.4=8.57＞5，即在用1.5mm HDPE 土工膜屈服变形情况下，其顶张变形满足要求。更不必考虑极限拉伸变形的情况。同时，对于HDPE 膜，划痕深度若达到厚度的25%，屈服强度可能减少25%，破坏的应变减少约7%～14%，则选择相对较厚的土工膜是很必要的。

除满足规范要求外，土工膜焊接在保证一定厚度的情况下，才能更易于材料生产、运输、摊铺及焊接。

(4)土工膜的上部保护层。

为使土工膜表面避免紫外线照射、高温低温冻融破坏、生物损坏和机械损伤，一般都会在土工膜上部设置上层保护层。保护层的结构和材料根据工程类别、重要程度、使用条件及材料的来源等情况来确定。保护层主要有压实的黏土、砂砾石料、预制或者现浇的圆角混凝土板(块)甚至浆砌块石、干砌块石，但在预制或者现浇的混凝土板、浆砌块石和干砌石与土工膜之间设置了垫层，垫层采用砂浆、苯板、泡沫塑料或者针刺土工织物等材料。

对于必须裸露，不能加盖岩土保护层的永久防渗工程，应该在PE 土工膜上采用深水保护。深水保护能有效地保持土工膜的性能，水中不易老化，阻隔空气中的NO2、SO2、低温、氧化、细菌、热量、紫外线等。

本工程采取深水保护方式，库底铺盖顶高程705.5m，水库蓄水死水位高程716.0m，土工膜基本位于10m以上深水中，可以满足防止因水位差露出土工膜，使土工膜遭到生物破坏及紫外线照射影响耐久度等问题。同时，根据现行技术规范，防渗土工膜在水库蓄水后，局部由于焊缝不严密、土工膜受损或地基绕渗等原因，水仍可能进入黏土面与土工膜的中间夹层，置换出部分积存空气，并与原膜下的向下水压力共同作用，使膜处于漂浮状态。鉴于以上原因，在完成膜上铺设土工织物后，上方采用25kg/个的土工沙袋进行压重，间排距为2.5m×2.5m，可避免土工膜后期运行中受到内外水压力共同作用时产生飘动及在施工期防止上覆土工布被风掀动。

土工布型号为短针刺非织造土工布，单位面积质量为400g/m2，采购要求土工布幅宽不小于6m，标准土工布幅长不小于100m。性能指标要求见表3-3。

表3-3　土工布物理性能检验项目及质量指标

(5)土工膜的锁边设计。

对于岩石地基，一般采用的方式是混凝土垫、压，并用螺栓和槽钢锚固，或将PE 土工膜浇筑在混凝土内。

土工膜的锁边设计依据工程的防渗形式、地质条件有所不同，洪屏上水库南库底的土工膜锁边设计为在周边设置混凝土齿槽。挖除表层覆盖层及全风化层后，齿槽坐落在强风化基岩上，混凝土齿槽采用C20 混凝土，顶部宽度4m，底部宽度3m，高2.5m，齿槽内基础设置2 排锚筋，锚筋的规格为Φ25mm，L=4m，间排距2m×2m，锚筋锚入齿墙混凝土钢筋内侧，深入基岩3.5m。混凝土齿槽浇筑完成后，开始基础的双排固结灌浆施工，孔深12m～15m，灌浆后的透水率q≤3Lu。齿槽与黏土搭接部位采用1/4 椭圆弧线进行渐变，曲线方程x2/402+y2/202=1。锁边采用铆接，如图3-16、图3-17所示。

库底土工膜防渗体系与库岸、进/出水口、混凝土主坝等通过趾板、齿槽、连接板等混凝土结构物连接，土工膜周边采用铆接即不锈角钢压边、不锈钢膨胀螺栓锚固，利用螺栓收紧角钢挤压SR 材料(中水水电顾问集团华东勘察设计研究院专门为混凝土面板接缝止水而研制的嵌缝、封缝材料，具有高塑性、耐老化、延伸率高、与混凝土粘接性能好及施工性能好等特点)防止渗漏。周边连接的混凝土结构物:

①西南副坝水平趾板;

②南库岸趾板;

③前池拦渣坎;

④混凝土齿墙(包括齿槽、挡墙及连接板)三种形式。

图3-16　土工膜周边锚固示意图

图3-17　斜坡段土工膜铺设示意图

土工膜施工前要求周边连接混凝土结构物施工完成并应达到28d 龄期，完成周边混凝土结构物的灌浆施工及裂缝处理，结构形式如图3-18所示。

(6)土工膜与黏土铺盖区的连接设计。

黏土铺盖与土工膜的搭接区域采用土工膜外延，黏土压覆的方式处理。土工膜与该区域的齿墙铆接，上部采用黏土覆盖，最大厚度为7.5m。

(7)设计的主要特点。

主要包括土工膜下支持层的设计、土工膜的选用、土工膜与混凝土结构物、黏土的连接方式等几个方面。归纳为以下几点:

①上水库库盆采用局部土工膜防渗，面积虽然不大，但是相当重要。防渗区域为与厂房形成渗漏通道的南库底;

②土工膜下支持层不同于其他完建工程，其他工程多为透水层，本工程为黏土和土工膜复合防渗，为不透水层;

③土工膜的周边连接采用混凝土齿槽，铆接方式，不设锚固沟及后浇筑混凝土;

④土工膜防渗区与土质防渗区搭接部位采用了黏土压覆土工膜的方式处理。

图3-18　土工膜周边锚固分层示意图