平原水库坝基防渗膜水平铺盖长度的确定

王猛

【摘要】平原水库的坝基防渗设计是土坝设计的关键技术之一，应结合当地的社会经济条件，因地制宜地选择坝基防渗结构型式。土工膜水平防渗技术因其施工简便，造价经济为首选型式，因此水平防渗铺盖长度的确定就成为防渗设计的关键,直接影响工程造价和防渗效果。通过对已建喀什地区叶城县苏依提勒克水库防渗膜铺盖长度的分析研究,提出坝基水平铺盖合理长度的选定。

【关键词】平原水库；坝基防渗；土工膜铺盖；长度

1  引言

平原水库的坝基防渗设计是土坝设计的关键技术之一，应结合当地的社会经济条件，因地制宜地选择坝基防渗结构型式。坝基防渗技术措施有两大类，一为水平防渗，二为垂直防渗，水平防渗技术因其施工简便，造价经济为平原水库首选的型式。因该地区坝基无相对不透水层，垂直防渗为悬挂结构，为提高坝基渗透稳定性，在水库除险加固的高坝段,因施工期水库不可能放空排干无法实施水平防渗的前提下才被采用。因此水平防渗铺盖长度的确定就成为防渗设计的关键,直接影响工程造价和防渗效果。通过对苏依提勒克水库扩建工程铺盖长度的分析研究,确定水平铺盖的合理长度,并在该水库除险加固中得到运用,并经实践检验防渗效果良好，可供参考。

2  苏依提勒克水库扩建工程概况

苏依提勒克水库位于叶城县境内,属提孜那甫河流域,水库距叶城县东北约12km，地理座标在东径77°26′～77°30′,北纬37°54′～37°58′,是一座灌注式平原水库，水源主要来自提孜那甫河,通过吐古其干渠吐古其分水闸分水，然后经引水渠入库。该水库扩建后设计库容为1.2亿m3，淹没面积46.8km2，设计水位1036.5m，主要由土坝工程、放水工程、引水工程组成。新坝线长14.756km,最大坝高8m,坝型为均质土坝，坝顶宽5m，上游坡比1:2.5，下游坡比1:2，坝体坝基防渗均采用土工膜，坝基防渗型式采用水平铺盖，上游坝坡采用砌石、砼板综合护坡。

3  坝基防渗设计

3.1防渗结构型式选择

根据本地的施工力量和条件，采用施工简便防渗效果显著的土工膜防渗铺盖作为坝基防渗的基本型式。土工膜采用与坝体相同的聚乙烯材料，厚度0.18毫米。为防止芦苇穿孔要求在施工时应捡净芦苇根，并在铺膜的基面喷洒两遍灭草剂。

3.2坝基渗透变形型式及容许水力坡降

(1)渗透变形型式

坝基浅层普遍分布有沙壤土、壤土及不均系数η＜10的粉细砂层，在渗流作用下可能产生渗透变形。本工程基土粉细砂颗粒细粒含量（指粒径在0.01毫米以下的颗粒）在25～35％之间时，渗透破坏的主要型式可能是流土也可能是管涌，设计中均应考虑。

(2)容许水力坡降

采用J容许＝0.25。

3.3铺盖长度的确定

铺盖长度设计应保证坝下游地基的渗透比降在安全允许范围内，还应使坝基的渗漏量在经济允许范围之内。设计的关键是通过技术经济比较确定其合理长度。

3.3.1根据安全要求确定铺盖的最小长度

能满足坝下游渗透稳定要求的铺盖的最小长度为：

Smin =

式中：

H上-H下—在设计情况下的坝上下游水位差。因H下≈0。故即为设计坝前水深（米）。

L—为透水坝体的地下轮廓线，近似取坝底水平投影长。即L＝b+4.5H(H为坝高，b为坝顶宽，以下计算b均取4米)

J容许 —坝下游地基允许水力坡降，取0.25。

对不同挡水高度下铺盖长计算均得Smin＜0，即说明坝基长就可满足抗渗稳定性的要求，为安全计，取坝前水头的5倍长作为Smin设计采用值。

3.3.2铺盖长度与渗流量的关系

根据无限深透水地基渗流量计算式求得的坝前水头H＝6.5米、铺盖前渗流区域a一定情况下、单宽渗流量q与铺盖长S之间的关系曲线q＝f（s）。从图可知坝基的渗流量随着铺盖的增加而不断减少。同时反映着铺盖防渗效果的渗流比降△q／△L是变化的，由大变小，开始变率大效果大，以后变率小效果小，最后△q／△L→0，表明铺盖继续增长，渗流量将趋向一定值。即表明铺盖长度达某一值后，其节水的效益可能不足以抵偿铺盖增长的投资，显然太长的铺盖即无必要又不经济。

3.3.3根据经济性确定铺盖最大长度

①计算不同长度铺盖的渗流量

为选定一个较经济合理的铺盖长，本设计作了如表2的几个方案比较，表中H为坝前设计水头，根据挡水高度基本相同，地基条件相近等因素将坝分成五段：0+000～3+600、3+600～5+000、5+000～7+650、7+650～10+000、10+000～14+765。根据一个调度年内水库各月平均水位求出各月的坝基渗流量和全年总渗流量。

计算式：

式中：

q—坝基单宽1米的渗流水量（米3／秒／米）。

k—坝基综合渗透系数。

桩号0+000～7+650坝段普遍有一层1～2米以上的砂壤土、壤土，桩号7+650～14+756亦有一层厚几十厘米至约1米的砂壤土，其下均为深厚的粉细砂层，因此精确确定坝基综合渗透系数较困难。根据水库总渗流量，经试算反求得7+650前的高坝段K＝2.9×10

-3厘米／秒。7+650后的低坝段K＝4.1×10-3厘米／秒。

H－计算坝段各月平均挡水高度，根据水土平衡计算中的月平均水面积查水面积—库容—水位关系曲线求得。

L—包括铺盖长在内坝基宽度（水平投影长）的一半长度（米）。

S—铺盖长（米）。

X—自坝基（含铺盖）中点起算得的水平坐标值，即渗流界面至坝基中心的水平距离（米）。对于无限深透水地基，渗漏区域可近似认为是以坝基（含铺盖）中心为圆心，以2倍坝基宽度为半径的半圆。

a—上游渗流段长度（米）。

X＝a+L    a=3L

②不同长度铺盖造价分析

铺盖工程包括基础清基、地基处理（碾压、晒灭芦剂等）铺土工膜、人工盖土、铺盖回填、土场清废等工程，根据估算定额分析取每平米铺盖造价约8.0元／米2。由于铺盖长S≥30H后导致土坝及缓坡土料的运距增加，其增加的造价也计入铺盖的造价中。

③计算各方案的投资回收年限

目前我国工程投资偿还年限为8～12年，当铺盖长S＝40H时，已超过合理范围。考虑静态分析对造价的影响，铺盖的最大经济长度不宜超过30H。

④确定铺盖长度的设计采用值

由上分析可知，根据安全要求，铺盖长度满足S≥5H；根据经济效益要求，应满足S≤30H，H为坝前水头。经综合考虑并结合本地区经济实力和已建水库工程经验，因此确定铺盖长度的设计采用值为20H，节水率为25.9％。

4  防渗效果分析

苏依提勒克水库采用土工膜水平防渗铺盖长度为20倍坝前水头，通过运行观测，其防渗效果明显，对延长土坝渗流，保证坝基的渗透稳定，降低坝体浸润线，减少坝基的渗漏水量等方面均有较明显的作用。

实测坝基测压管水位线均低于理论测压管水位线和理论浸润线，浸润线在坝后坡的实际逸出也比较低，而且呈逐年递减趋势，这对于土坝运行安全是十分有利的，说明土工膜水平铺盖的防渗效果良好。

根据苏依提勒克水库扩建工程土工膜水平铺盖防渗设计的成功经验，在其后三座平原水库除险加固中均作为土坝坝基防渗的一种措施加以运用，通过实际运行检验均达到设计要求，效果良好。

作者简介 王猛，男，1976年2月，大学本科、2000年毕业于西北农林科技大学，新疆泓润源水利水电勘测设计研究院有限公司、高级工程师。