东吉湖库区防渗处理技术初探

树 锦，袁 健

（1.南京市水利规划设计院，江苏南京 210016；2.河海大学,水利水电工程学院，江苏南京 210098）

1 水库渗漏和发生管涌原因分析

1.1 工程概况

东吉谷地区位于南京市江宁区中部，地处东山副城到禄口新城这一发展“金轴”上，具有连接南京南站和禄口机场两大枢纽港的黄金区位，是南京历次总规都明确重点发展的“金轴”的重要组成部分，见图1。交通便捷，腹地充沛。北靠吉山和东大山，西临牛首—云台生态廊道的地理位置令“东吉谷”坐拥青山、纵览视野，蜿蜒流淌的云台山河水系从地区中部经过，在南面汇入外秦淮河。群山环抱水网纵横的东吉谷是江宁不可多得的宝地，更是南京新兴产业发展的绝佳舞台。

图1 工程地理位置图

新建东吉湖蓄水工程完工后，经过两个汛期的考验，运行情况良好。

1.2 地质条件

东吉湖库岸填土中较大地段分布为强透水层。该层素填土灰黄色、灰褐色，可塑状态，粘性土为主，其主要成份为粉质粘土局部地段混块石，层厚变化很大，碎石含量高，主要呈松散状，块石含量5%～48%，块石直径5 cm～200 cm。该层层厚0.20～11.80 m，层底高程 10.29～23.19 m，可能成为水平集中渗漏层。

水库库区内素填土遍布于整个场区，除碎石含量较高且厚度较大的区域外，该层土为弱透水层。强透水层分部地段渗透系数经验值2.0×10-4cm/s，场区中这两段区域将成为水平集中渗漏段。河床夹碎石土不仅厚度大，而且分布在库区下部、坝基和库外的广大范围内，形成良好的渗漏通道。

1.3 渗漏和管涌原因分析

根据以上现象和地质条件分析可知，水库水平防渗重点应放在库区北端强风化安山岩和二级库区块石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。由于存在良好的渗流通道，因此水库蓄水后可能渗漏严重。

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。

2 库区防渗处理方案比较

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，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，可以采用深入基岩的垂直防渗墙[1,2]。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。

针对东吉湖水库的地层分布情况及蓄水后渗漏的特点，提出以下3个设计方案进行比选。

2.1 复合土工膜水平防渗方案

根据工程地质资料分析，沿线部分库岸附近的壤土覆盖层较小，平均厚度不足50 cm；也就是说该段库岸是主要的垂直入渗部位，水库蓄水后容易造成岸坡失稳。在库区沿原河道部位，存在一条天然铺盖薄弱带，且在东吉湖二级阶地部位，有砂层或者砂卵石出露，为主要的垂直入渗部位，是造成库区渗漏的主要原因。因此对库区弱透水层较薄部位和砂层出露部位，采用复合土工膜水平防渗处理。

库区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。对于可能存在局部的渗漏通道，也应进行封堵处理[3-5]。在上游渗流通道进口采取粘土斜墙防渗措施，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。

2.2 壤土水平防渗方案

对天然铺盖厚度小于2.0 m的部位,先进行平整,用壤土进行铺盖补强。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2.0 m，要求土料粘粒含量不少于20%，塑性指数取15～20，不得含有植物根茎、砖瓦垃圾等杂质；粘土土料含水率与最优含水率允许偏差为±3%；土方分层碾压，厚度不大于0.3 m，压实度不低于0.93。

2.3 垂直防渗方案

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，下端要求穿透夹石层至不透水层。坝基为素填土、粉质粘土、残积土及安山岩多层结构，其中夹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2.0 m，粘土层较薄的部位要求防渗墙嵌入基岩[7-9]。防渗墙平均深度为7.5 m，墙体厚度0.6 m，混凝土强度为C10。

2.4 方案比较

经比较分析可知[6]：（1）垂直防渗方案。防渗效果好，但是渗墙总面积达1.8万m2，工期长。工程总投资最高，达2160万元。（2）壤土水平防渗方案。施工较易，但防渗处理效果不如复合土工膜水平防渗方案，总投资为1990万元。施工用的粘壤土要到库区或库外较远的地方运土，施工时要严格控制碾压质量。（3）复合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1180万元，施工方法简单，复合土工膜埋于地下，不存在老化，耐久性较好。

通过综合分析比较，结合大坝防渗，在迎水坡进行加高培厚，新筑粘土斜墙，回填土压实度要求在0.96以上，渗透系数不大于1×10-5cm/s，采用坝体粘土斜墙防渗与库区复合土工膜水平防渗补强方案相结合的形式，能够较好地解决东吉湖库区现状的渗漏问题，见图2。

3 复合土工膜水平防渗方案设计

3.1 天然铺盖渗透稳定分析

库区最低点的高程为12.5 m，校核洪水位为21.82 m，因此黄土状壤土层所承受的最大水头为9.32 m。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2.0 m的部位需要做防渗处理，才能保证防渗层的渗透稳定。

图2 桩号K0+143大坝加固横剖面设计图（单位：mm）

3.2 库区防渗面积分析

在确定复合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。正常蓄水位情况下，铺设复合土工膜防渗，需要复合土工膜面积为26.4万 m2。

3.3 复合土工膜设计

3.3.1 材料选择

选用聚乙烯（PE）膜，两布一膜复合土工膜厚度选取为0.5 mm。

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900 kg/m3，破坏拉应力不应低于12 MPa，断裂伸长率不应低于300%，弹性模量（E）在5℃不应低于70 MPa，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40 N/mm，抗渗强度应在1.05 MPa水压下48 h不渗水，渗透系数应小于10-11cm/s。

同时，复合土工膜应满足饮水工程和其它卫生性能要求，所用材料均符合国家现行有关环保标准的规定。

3.3.2 结构设计

复合土工膜防渗结构设计，包括膜上保护层、支持层和复合土工膜防渗层。

膜上保护层的主要作用是减缓复合土工膜的老化、防御水流和波浪对复合土工膜的冲刷、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70 cm。水位变幅区考虑波浪冲刷，局部加厚为100 cm。

膜下为黄土状壤土，没有尖锐的石子等物，所以可以直接铺设复合土工膜；对于砂卵石出漏部位，在砂卵石上部要铺设10 cm厚壤土，再铺设复合土工膜。

库区防渗采用埋压式PE复合土工膜防渗。根据复合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不陡于为1∶5，见图3。

图3 复合土工膜结构设计示意图

3.3.3 联接设计

复合土工膜联接好坏直接影响防渗的效果。复合土工膜周边与相对不透水的铺盖紧密联接，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50 cm，槽底宽50 cm，将复合土工膜锚固于槽内。膜与膜之间搭接宽度应满足焊接工艺要求，取为10 cm。

4 结论及建议

（1）通过对东吉湖水库新建工程的现场调查分析，提出了复合土工膜水平防渗与粘土斜墙垂直防渗相结合的设计方案，并论证分析该方案的科学合理及可行性。

（2）库区铺设复合土工膜施工过程中可能造成膜体损坏，无法运用大型碾压设备，宜改用蛙式打夯机进行碾压。

（3）建议在人工湖泊多级库区防渗处理施工过程中，采用逐级设围堰分段施工的方式，针对不同的地质条件查明渗漏原因，避免造成工程措施投资偏高的现象。