【摘　要】针对瀑河水库渗漏严重的问题，为保证大坝渗流稳定和减小渗漏量，通过分析库区地质资料，推荐采用土工膜水平防渗处理方案。根据库区天然铺盖等厚度图分析和必要的渗流计算，确定了库区土工膜水平防渗的范围。 该方案可以基本解决大坝存在的问题。保证大坝安全。
【关键词】渗流稳定；渗漏量；防渗处理；土工膜
1 工程概况


    瀑河水库位于海河流域大清河水系的瀑河中游，坝址座落在河北省保定市徐水县解村村北0.5 km处，距徐水县城25 km。水库控制流域面积263km2。
    瀑河水库总库容为0.975亿m3,洪水标准为100年一遇洪水设计、2000年一遇洪水校核,是一座以防洪为主兼顾灌溉的中型水利枢纽工程.
2  工程存在的主要问题
    长期以来，由于坝基渗漏严重，致使工程不能正常发挥应有的效益。 坝后曾多次出现管涌和大面积沼泽化现象，大坝存在渗透破坏的危险。经过多年的运用观测表明：当水库蓄水时，坝下游地下水随库水位的增高变化明显， 说明坝基渗透强烈。1973年10月蓄水后，库水位达到39.4m，至1974年3月库水位已下降到36m，总渗漏量1300万 m3；当库水位高于38m时，库水渗漏明显加剧。水库实际运用过程中也曾发生过多次管涌破坏，1960年6月，当库水位达40m时， 水库下游3～4 km处的户木、南城村一带，出现严重沼泽化。主坝后发生管涌,河滩出现涌泉，井水外流，户木村局部住房地面渗水。
    1963年8月8日，当库水位达45.18m时， 桩号1+050处坝后反滤沟出现管涌13处，冒出带泥沙的浑水。
    1977年8月27日，当时库水位40.38m，在桩号0+406的坝后反滤沟沟头，距坝轴线58.75 m，高程33.83m的位置，发生管涌。为保大坝安全，采取放水降低库水位措施，使集中渗流有所减少。但在一个月后，即9月25日，库水位40.05m，上述位置再次出现管涌。1978年和1979年为了渡汛安全，用滤料对管涌部位进行临时处理,并将反滤沟改为盲沟。1979年8月20日～12月10日4个月内,库水位保持在40.13～40.40m之间，坝后未发生管涌现象，但坝后地下水位明显升高，与上游库水位几乎同步变化，水位最高达到38.56m。
3  水库渗漏和发生管涌原因分析
3.1  地质条件
    根据工程地质资料，桩号0＋100～0＋380 段河床砂卵石与下部卵砾石层连通，下部卵砾石层不仅厚度大，而且分布在库区下部、坝基和库外的广大范围内，形成库内外的连通，因此形成良好的渗漏通道。
    桩号2＋080～3＋220段表层黄土状壤土中所夹粗砂层，层厚4～6m；埋深3～11m，顶板高程32～39.5m,与河漫滩砂卵石层相通，库内外亦连通。在枯水年，该砂层无水，当库水位上升时，该段成为水平集中渗漏段。
    桩号4＋200～5＋700段，砂卵石层埋深为2～10m，顶板高程34．6～44m，与河漫滩卵砾石层相通,库内外亦连通。该层厚度大且与桩号4+200段以前的深层卵砾石层为一层。库水位一旦上升，这里将成为集中渗漏带，其渗漏量将比桩号2+080～3+220段渗漏量还大。
    范村村北地表以下6～7m,广泛分布有粗砂层透镜体,回水淹没后易形成水平渗漏。1985年勘探时,在桩号0+500～0+800段发现埋深8.0m,厚0.8m的透水砂带，按其走向和高程分析，此砂带从坝前延伸至坝外，副坝坝后管涌与该透水砂带有关。
    水库水平防渗重点应放在库区上游段现代河床和二级阶地以下砂层出露或埋深较小地段， 其它部位要视天然铺盖分布厚度考虑。防渗的目的是要最大限度地减小坝基渗漏量和坝下卵砾石层的渗压水头。
3.2渗漏和管涌原因分析
    通过以上现象和地质条件分析可知，坝基渗漏基本上是沿库区现代河床以及二级阶地的砂层出露部位， 渗入下部的深厚砂卵石层，通过深厚的砂卵石层排泄到库外的。由于存在良好的渗流通道，因此渗漏严重。


    由钻探剖面可知，发生管涌范围上游在高程33.5m左右夹有薄层砂层呈条带状分布区域，走向几乎与该段坝轴线平行,分布宽度约70m，厚度一般0.2～0.7m。砂层的存在是坝后管涌形成的基本条件，反滤沟将砂层切割形成临空面是诱发管涌的外在原因。由管涌发生时库水位分析，砂层与库区上游二级阶地所夹砂层特别是与某处阶地坎壁出露的砂层相连通。当库水位升高， 库水进入阶地坎壁出露砂层形成渗流时，渗透坡降增大，流速增强，在反滤沟内的临空出逸点附近形成较集中的渗流，且对与砂层接触的土层产生接触冲刷， 并携带细颗粒出逸，造成管涌现象的发生。
4   库区防渗处理方案比较
    通过对2000年和2002年在下库库区进行的地勘资料及天然铺盖等厚度图分析，除冲沟以外,坝前200m范围内的天然壤土铺盖较为连续，厚度达4～15m，具有弱～中等透水性，因此，通过这部分渗漏的水量不会很大。一级阶地和右侧二级阶地以及主河床部位， 大面积的土层较薄，厚度不足3m，甚至小于2 m，而且还存在局部砂层、砂卵石层出露的现象，这些部位出露的高程大多在38m以上。这也是库水位在38m以上坝基渗漏加剧的原因。虽然这些部位距坝体较远，但由于其下的卵石层连续性较好，厚度较大，渗透性强，渗漏量还是相当大的。
    大坝坝基的地质勘探资料表明，坝基的地质条件和水文地质条件十分复杂， 卵砾石层厚度大、分布范围广，渗透性强，基岩埋深最大83.6m，河床宽度大，施工难度大,而且费用高。如果为了达到彻底解决渗漏问题,保证坝基不发生渗透破坏和下游不再发生沼泽化的效果，可以采用深入基岩的垂直防渗墙。另外，如果本着上堵下排的原则， 也可以采用上游加强防渗与下游排渗减压相结合的防渗措施，采用水平防渗方案。
    针对瀑河水库的地层分布情况及水库渗漏的特点，分别对水平防渗和垂直防渗方案进行了分析比较。提出以下3个设计方案进行比选。
4.1土工膜水平防渗方案
    根据工程地质资料分析，水库大坝附近的壤土覆盖层平均厚度为5～20 m；也就是说，主坝前的人工铺盖及副坝前的天然铺盖较好，不是主要的垂直入渗的部位。
    在库区沿原河道部位，存在一条天然铺盖薄弱带，且在河道二级阶地部位，有砂层或者砂卵石出露， 为主要的垂直入渗部位，是造成渗漏的主要原因。因此对库区弱透水层较薄部位和砂层出露部位，采用土工膜水平防渗处理。
    土坝水平防渗处理的原则是上堵下排，以保证大坝渗流稳定。从库区天然铺盖等厚度图可以明显看出， 坝前壤土层的厚度较大，垂直入渗量不大，而现代河床部位弱透水层很薄，局部砂层出露直接与深层砂卵石层相通， 主要垂直入渗部位为现代河床，因此水平防渗重点为库区大面积的现代河床位置。对于局部的采砂坑和范村旧址的坑圈井窖导致局部的渗漏通道,也进行封堵处理。在主坝和靠近主坝的部分副坝，也就是曾经发生管涌的位置，需增加坝体排水。


    根据计算成果分析，当砂卵石层渗透系数与上层壤土渗透系数相差100倍以上时，库区渗漏量与上层壤土的厚度和渗透系数有直接的关系。当壤土的渗透系数为1.0×10-4cm/s,上层壤土的厚度较大时，砂卵石层的渗漏量有大幅度降低,或者当上层壤土厚度较小，但是渗透系数也较小时，达到1.0×10-6cm/s，渗漏量也会有大幅度的降低。由渗流计算可知，当壤土厚度达到3.0m时，渗透系数达到1.0×10-5cm/s,当水位为40m的情况下,水库渗漏量为0.28m3/d?m;当水位为46.59m时,水库渗漏量为1.92m3/d?m。基本可满足防渗要求.而土工膜的渗透系数为1.0×10-14cm/s，根据达西定律可知，渗漏量与渗透系数成正比关系，所以土工膜防渗可满足防渗要求。
    根据地质资料发现，对于水库的渗流稳定问题， 主要原因应为存在渗流通道导致库区渗漏严重，而坝体下游较单薄的壤土层，不能承受几乎没有消减的上游水头,使土体承受的水力坡降大于土体允许的出逸坡降，发生管涌等渗透破坏。因此通过在上游渗流通道进口采取防渗措施，消减水头，使下游土体承受的水头减小，达到解决大坝渗流稳定的目的。
    根据渗流计算分析，库区天然铺盖厚度小于3.0m时，渗漏将加剧；当天然铺盖厚度大于3.0 m时，渗漏量相对较小。因此，水平防渗处理范围为天然铺盖厚度小于3.0m的部位，主要分布在现代河床部位。
4.2  壤土水平防渗方案  
    对天然铺盖厚度小于3.0m的部位,先进行平整,用壤土进行铺盖补强。与土工膜水平防渗方案不同的是防渗体由土工膜改为壤土.因此，要求作为防渗铺盖的壤土必须有较小的渗透系数。
    施工过程中，采用分层碾压，控制最大干容量和最优含水量。土料压实标准要根据当地土料用击实仪进行击实试验来决定。
    壤土平均补强厚度为2.0m，要求土料粘粒含量不少于20%，压实度不低于0.93。
    该方案要到库区以外寻找料场，运输到库区。防渗铺盖占用部分库容。
4.3  垂直防渗方案
    根据地质勘察资料可知，坝前天然铺盖厚度不均，具中等透水性，大范围的垂直入渗较强烈；库区河床靠上游段壤土层较薄， 局部卵砾石层出露，坝基卵砾石层厚度较大，且分布连续广泛，并与河床卵石层相通，导致库水垂直入渗后通过卵砾石层向库外排泄,造成坝基渗漏严重。由于局部地段卵砾石层与上部土层直接接触，卵砾石层粗粒含量较高，缺少砂粒填充，透水性强， 高水头作用下易产生层间接触冲刷，潜蚀作用会影响坝基渗透稳定。为解决坝基严重渗漏与坝基渗透稳定， 对深厚的砂卵石地基采用混凝土防渗墙防渗是行之有效的措施。


    混凝土防渗墙布置在坝轴线上游坝脚位置。防渗墙顶端埋入坝脚，下端要求穿透深层的砂卵石层,打入相对不透水层。坝基为粘性土、砂性土、碎石土及坚硬岩多层结构，其中砂卵石层下分布有较连续的粘土层， 渗透系数较小，可作为相对隔水层，为减少工程量及施工难度，在粘土层较厚部位，防渗墙下端打入粘土层内不小于2.0m，粘土层较薄的部位要求防渗墙嵌入基岩。防渗墙平均深度为62m，墙体厚度0.8m，混凝土强度为C10。
4.4 方案比较
    经比较分析可知：①垂直防渗方案。防渗效果好，但是防渗墙深度大，坝线长，防渗墙总面积达32万m2，施工难度大，工期长达4年。工程总投资最高，达46371万元。 ②壤土水平防渗方案。施工较易，但防渗处理效果不如土工膜水平防渗方案，总投资为13998万元，比土工膜水平防渗方案大。施工用的粘壤土要到库区或库外较远的地方运土， 对库容有一定减小。施工时要严格控制碾压质量，对施工要求严格。③土工膜水平防渗方案。施工容易，防渗效果好于壤土防渗方案，总投资为5983.99万元，是3个方案中最小的。 施工条件优越，施工方法简单，土工膜埋于地下，不存在老化而导致的防渗失效，耐久性较好。
    通过综合分析比较，采用土工膜水平防渗补强方案。
5  土工膜水平防渗方案设计
5.1  天然铺盖渗透稳定分析
    库区最低点的高程为33.5 m，校核洪水位为46.83 m，因此黄土状壤土层所承受的最大水头为13.33m。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，斜墙的容许渗透梯度为5，心墙的容许渗透梯度为4。实际上,防渗体的容许渗透梯度视土的性质不同而异，轻壤土为3～4，壤土为4～6，粘土为6～8。通常控制防渗体的容许梯度为5～6。因此，从渗透稳定考虑，库区较低部位，天然铺盖小于3.0 m的部位需要做防渗处理，才能保证防渗层的渗透稳定。
5.2  库区处理前后渗漏量分析
    在确定土工膜防渗的范围时，需要从投资和防渗效果两个方面考虑。处理范围小，则不能达到预期的防渗效果； 处理范围过大，将会使投资量大。
    当只对天然铺盖厚度小于2m的区域铺设土工膜防渗后，正常蓄水位情况下，总渗漏量仍达10.46万m3/d，显然渗漏量太大，防渗效果不明显；对天然铺盖厚度小于3.0m的区域铺设土工膜防渗，需要土工膜面积为207.57万m2，渗流量为205万m3/d；当铺设土工膜的范围扩大为天然铺盖厚度小于4.0m的区域时，渗流量为1.71m3/d，但是铺设土工膜面积增大为327.9万m2。
    在正常蓄水位41.0m的情况下，库区铺设土工膜防渗后，渗漏量仍很大，达3.7万m3/d。但是考虑到水库达到41.0m的情况较少，且持续时间很短。而库水位大多数情况下维持在40m以下。在库水位40.0m和39.0m时,渗漏量分别为1.74万m3/d和7438m3/d。库水位低于39.0m，渗漏量更小。库区铺设土工膜的防渗处理后，可满足蓄水运用要求。因此推荐处理范围为：高程40m以下，天然铺盖厚度小于3.0m的区域。对于局部水头较高的部位，适当扩大到天然铺盖厚度3.0～4.0m的区域。
5.3  土工膜设计
5.3.1  材料选择
    选用聚乙烯（PE）膜，土工膜厚度选取为0.5mm。
    选用材料物理力学性能指标应符合下列要求：密度不应低于900kg/m3，破坏拉应力不应低于12MPa，断裂伸长率不应低于300%，弹性模量（E）在5℃不应低于70MPa，抗冻性（脆性温度）不应低于-60℃， 联接强度应大于母材强度；撕裂强度应大于等于40N/mm，抗渗强度应在1.05MPa水压下48h不渗水，渗透系数应小于10-11cm/s。
    同时，根据环境保护要求，土工膜应满足饮水工程和其它卫生性能要求，其所用材料均符合国家现行有关环保标准的规定。
5.3.2  结构设计


    土工膜防渗结构设计，包括膜上保护层、支持层和土工膜防渗层。
    膜上保护层的主要作用是减缓土工膜的老化、 防御水流和波浪对土工膜的冲刷、人蓄破坏、冰冻损害以及作为压重抵抗膜下水气压力的浮起等。材料为原地壤土压实。 同样要检查与膜直接接触的壤土中不能有尖锐材料。考虑水深、流速、日晒和冰冻等因素，选定膜上保护层厚度为60cm。靠近水面部位，考虑波浪冲刷，局部加厚为100cm。
    膜下支持层为地基土，平整好场地后，上铺设土工膜，根据库区地质资料，膜下为黄土状壤土， 没有尖锐的石子等物，所以可以直接铺设土工膜，但同时也要注意检查局部可能有的尖锐材料刺破土工膜；对于砂卵石出漏部位，在砂卵石上部要铺设10 cm厚壤土，再铺设土工膜。
    根据库区防渗的特点，采用埋压式PE土工膜防渗。根据土工膜与膜上保护层之间的摩擦系数，经过计算控制边坡系数为5。
5.3.3  联接设计
    土工膜联接好坏直接影响防渗的效果。 土工膜周边与相对不透水的天然铺盖紧密联接，形成封闭的不透水结构体。因此，在周边设锚固槽，槽深度为膜下50cm，槽底宽50cm，将土工膜锚固于槽内。膜与膜之间搭接宽度应满足焊接工艺要求，取为10cm。
    通过对瀑河水库除险加固工程初步设计，提出了土工膜水平防渗设计方案。通过论证分析该方案科学合理可行。