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摘要：群力水库坝身施工质量差，漏水严重，需采取坝身防渗加固，经方案比选选用土工膜防渗。经计算采用土工膜加固后，坝身渗流稳定可以满足规范要求。
关键词：土工膜；防渗
P343.3
0 前言
土工膜是以塑料薄膜作为防渗基材，与无纺布复合而成的土工防渗材料，其防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。目前，国内外防渗应用的塑料薄膜，主要有聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）、EVA（乙烯/醋酸乙烯共聚物），它们是一种高分子化学柔性材料，比重较小，延伸性较强，适应变形能力高，耐腐蚀，耐低温，抗冻性能好。
在透水地基上建造土石坝，斜墙（心墙）铺盖是一种较为普遍常见的型式。采用复合土工薄膜做斜墙（心墙）铺盖的防渗材料时，主要在于复合土工膜的主膜渗透系数通常为10-11~10-12cm/s，远比粘性土(K=10-6~10-7cm/s)和混凝土(K=10-6~10-8cm/s)的渗透系数要小，而且复合土工薄膜具有较大的弹性和塑性变形，故它可适应土体的沉降、涨缩或者偶然的超载、滑坡和渗漏所造成的过量位移和变形，为粘性土和土工膜所不及[1]。
1 工程概况
群力水库位于安徽省东至县洋湖镇高山村，属长江水系黄湓河流域，在东至县城以东偏北方向约38km处，1966年4月主体工程基本竣工，是一座以灌溉饮水为主的小(2)型水利工程。工程等别为Ⅴ等，永久性主要水工建筑物级别为5级。经计算水库正常蓄水位108.90m（吴淞高程系，下同），20年一遇设计洪水位为109.78m，300年一遇校核洪水位110.41m，总库容46.11万m3。水库有效灌溉面积耕地0.07万亩，实际灌溉面积0.06万亩，下游保护耕地0.09万亩。[2]
大坝为粘土心墙坝，筑坝材料受当时历史条件限制，就地取土填筑（未做勘测和土工试验），填筑均由民工采取常年施工和突击施工相结合方式修筑。受当时技术限制，心墙清基不彻底，填筑质量差，上下游未设过渡反滤层，坝基、坝体存在不同程度渗漏。大坝上游无护坡，下游无排水设施，坝脚无排水棱体。
坝身粘土心墙土料主要来源于坝址附近山坡表层的坡积物，成份较杂，从物质组成来看，成份为重粉质壤土夹碎石，局部粒径大于5mm的颗粒含量超过50%，且粗料还存在局部架空现象，不能满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)中不超过50%的要求；从现场的注水试验来看，粘土心墙渗透系数为2.71×10-5～1.34×10-4cm/s之间，大部分属中等透水性，亦不能满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)中渗透系数不大于1×10-5cm/s要求。
大坝坝基截渗槽虽清至基岩面，但截渗槽与坝基基岩面防渗处理效果不好，从现场的注水试验来看，其渗透系数为5.47×10-4～1.43×10-3cm/s，属中等透水性，从坝后两处常年渗水点也能说明坝身与坝基接触效果较差，存在沿接触面的渗漏通道。
2 坝身防渗方案比选
由于大坝填土，土料质量及填筑质量未加控制或控制较差，导致现状坝身填土压实度与干密度偏低，含水量偏大，渗透系数偏大，坝脚渗漏严重等问题；因此，经渗流稳定分析，坝基渗流存在安全问题，危及大坝安全运行，因此须对大坝进行防渗加固处理。
（1）方案一：混凝土防渗墙
优点是适用性广，几乎可适应于各种地质条件，从松软的淤泥到密实的沙卵石，甚至漂石和岩层；适用性强：深可达100m左右；与其他防渗措施相比，混凝土防渗墙耐久性较好，防渗效率较高，安全、可靠；施工条件要求低。此方案的缺点是：机械进场费较高，成本较高，工程投资较大。
（2）方案二：多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙
多头小直径截渗墙由于搭接头施工简单，截渗效果好可靠，不用增加任何施工设备和辅助工艺，因而工期短、成本低。此方案的缺点是：当遇到碎石土和岩石时，难以搅拌成墙。
（3）方案三：复合土工膜防渗
复合土工膜+混凝土防渗墙相结合，该方案成墙价低，取材方便，施工速度快，施工工序少，工效高，成墙耐久性好。缺点是：复合土工膜和混凝土防渗墙联接部位容易产生破坏。
（4）方案选用
以上三种方案在技术上都是可行的，均能够达到控制坝体和坝基渗流，降低坝体浸润线的目的。现对混凝土防渗墙、多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙、坝体复合土工膜防渗+坝基混凝土防渗墙防渗三个方案进行技术经济分析比较。三种方案计算各方案的工程量及投资见表1。
表1大坝防渗加固方案投资比较表
综合技术和经济比较结果决定采用方案三：复合土工膜防渗是在大坝上游满坝坡铺设复合土工膜(支持层:土工布，防渗层:PE土工膜，保护层:针刺土工布)，坝基土工膜与混凝土防渗墙联接，两岸锚固在岩石上，形成封闭的防渗体系。
3 渗流稳定分析计算
（1）渗流计算
Ⅰ.计算断面及地层简化
根据群力水库工程地质报告提供的地质资料，结合地形和坝高，大坝加固后渗流计算同样选取主河槽段桩号桩号0＋050断面作为渗流复核计算断面。并做了适当简化。计算断面示意图见图1。
图10＋050断面渗流复核计算断面示意图
Ⅱ.计算參数选取
本工程计算断面各土层渗透系数依照地质报告，地质资料选取(采用建议值)。计算采用的各土层渗透系数取值见表2。
Ⅲ.计算工况
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)的有关规定，群力水库渗流计算应主要分析上游正常蓄水位与下游不利水位组合的情况。但为预测在未来高水位情况下坝体的渗流稳定和为坝身结构稳定复核提供基础数据，计算还选择了设计及校核水位的工况。[3]相应水位组合见表3。
表2 渗流计算参数表
表3计算工况及相应水位组合表
①计算成果
主坝渗流计算采用二维稳定渗流有限元法，计算分析软件采用河海大学土木工程学院开发的“AutoBANK-水工结构有限元分析系统”。加固后渗流计算成果见表4；各种水位组合下大坝流网图及水力坡降数值图见图2。
②计算成果分析
由以上计算成果可以看出，大坝横剖面上的计算等势线分布符合一般均质坝的渗流规律。防渗加固后渗流计算断面同样选在桩号0＋050处，结果表明，坝内浸润线位置、渗流出逸点渗透流量等都比较低，说明采取复合土工膜结合混凝土截渗墙防渗防渗加固能够满足大坝防渗要求。
（2）稳定计算
Ⅰ.土坝稳定分析计算断面选择
根据群力水库现状，仍然选择0+050断面进行稳定分析。
根据地质报告，断面土层做了适当简化。土坝稳定分析简图见图1。
表4 0＋050断面渗流计算主要成果表
图2 0＋050断面渗流计算成果图
Ⅱ.计算工况选定
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的有关规定，群力水库大坝抗滑稳定计算包括如下内容：
①上游坡
非常运用条件：库水位自校核洪水位110.41m非常骤降至死水位93.70m的工况。
②下游坡
A．正常运用条件：库水位为正常蓄水位108.90m、下游水位92.56m坝体形成稳定渗流下的工况；库水位为设计洪水位109.78m、下游水位92.56m坝体形成稳定渗流下的工况。B．非常运用条件：库水位为校核洪水位110.41m、下游水位92.56m，坝体形成稳定渗流下的工况。
III.计算参数的确定
本次设计为了查明坝体填筑质量，验证岩土物理力学参数和工程地质条件，进行了勘探钻孔取样，并做了各项参数的土工试验。根据土工试验资料，结合坝身填筑工程质量评价，确定各材料的计算参数。坝身土料的物理力学指标直接采用地勘报告提供的成果，有效应力强度指标采用直剪试验值近似折算，总应力强度指标采用固结快剪试验值。稳定计算所采用参数见表5。
Ⅳ.计算方法及计算成果
大坝抗滑稳定分析采用河海大学土木工程学院开发的“Slope－土石坝稳定分析系统”进行计算，计算方法采用瑞典圆弧法。稳定渗流期稳定计算和水位骤降气计算均采用有效应力法。群力水库大坝工程等级为Ⅴ等5级，坝坡允许抗滑稳定安全系数根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)确定。加固后坝坡稳定计算成果见表6。加固后抗滑稳定计算成果图见图4。
坝坡稳定计算成果显示由于坝身采取了有效截渗措施，计算得坝坡稳定安全系数均满足规范要求，因此采取的截渗加固措施是科学有效的。
表5大坝稳定分析选用物理力学指标表
表6 0＋050断面稳定计算安全系数成果表
图4 大坝加固后0＋050断面抗滑稳定计算成果图
4、结语
土工膜在小型水库坝身防渗中已经取得了广泛的应用。采用土工膜防渗，不仅节约了资金，而且缩短了施工工期，降低了施工难度。
〔参考文献〕
[1] 张启岳.土石坝加固技术.北京：中国水利水电出版社，1999.
[2] 安徽省东至县群力水库除险加固工程初步设计.合肥工业大学建筑设计研究院，2011.
[3] 林继镛.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，2006.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：土工膜；防渗
P343.3
0 前言
土工膜是以塑料薄膜作为防渗基材，与无纺布复合而成的土工防渗材料，其防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。目前，国内外防渗应用的塑料薄膜，主要有聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）、EVA（乙烯/醋酸乙烯共聚物），它们是一种高分子化学柔性材料，比重较小，延伸性较强，适应变形能力高，耐腐蚀，耐低温，抗冻性能好。
在透水地基上建造土石坝，斜墙（心墙）铺盖是一种较为普遍常见的型式。采用复合土工薄膜做斜墙（心墙）铺盖的防渗材料时，主要在于复合土工膜的主膜渗透系数通常为10-11~10-12cm/s，远比粘性土(K=10-6~10-7cm/s)和混凝土(K=10-6~10-8cm/s)的渗透系数要小，而且复合土工薄膜具有较大的弹性和塑性变形，故它可适应土体的沉降、涨缩或者偶然的超载、滑坡和渗漏所造成的过量位移和变形，为粘性土和土工膜所不及[1]。
1 工程概况
群力水库位于安徽省东至县洋湖镇高山村，属长江水系黄湓河流域，在东至县城以东偏北方向约38km处，1966年4月主体工程基本竣工，是一座以灌溉饮水为主的小(2)型水利工程。工程等别为Ⅴ等，永久性主要水工建筑物级别为5级。经计算水库正常蓄水位108.90m（吴淞高程系，下同），20年一遇设计洪水位为109.78m，300年一遇校核洪水位110.41m，总库容46.11万m3。水库有效灌溉面积耕地0.07万亩，实际灌溉面积0.06万亩，下游保护耕地0.09万亩。[2]
大坝为粘土心墙坝，筑坝材料受当时历史条件限制，就地取土填筑（未做勘测和土工试验），填筑均由民工采取常年施工和突击施工相结合方式修筑。受当时技术限制，心墙清基不彻底，填筑质量差，上下游未设过渡反滤层，坝基、坝体存在不同程度渗漏。大坝上游无护坡，下游无排水设施，坝脚无排水棱体。
坝身粘土心墙土料主要来源于坝址附近山坡表层的坡积物，成份较杂，从物质组成来看，成份为重粉质壤土夹碎石，局部粒径大于5mm的颗粒含量超过50%，且粗料还存在局部架空现象，不能满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)中不超过50%的要求；从现场的注水试验来看，粘土心墙渗透系数为2.71×10-5～1.34×10-4cm/s之间，大部分属中等透水性，亦不能满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)中渗透系数不大于1×10-5cm/s要求。
大坝坝基截渗槽虽清至基岩面，但截渗槽与坝基基岩面防渗处理效果不好，从现场的注水试验来看，其渗透系数为5.47×10-4～1.43×10-3cm/s，属中等透水性，从坝后两处常年渗水点也能说明坝身与坝基接触效果较差，存在沿接触面的渗漏通道。
2 坝身防渗方案比选
由于大坝填土，土料质量及填筑质量未加控制或控制较差，导致现状坝身填土压实度与干密度偏低，含水量偏大，渗透系数偏大，坝脚渗漏严重等问题；因此，经渗流稳定分析，坝基渗流存在安全问题，危及大坝安全运行，因此须对大坝进行防渗加固处理。
（1）方案一：混凝土防渗墙
优点是适用性广，几乎可适应于各种地质条件，从松软的淤泥到密实的沙卵石，甚至漂石和岩层；适用性强：深可达100m左右；与其他防渗措施相比，混凝土防渗墙耐久性较好，防渗效率较高，安全、可靠；施工条件要求低。此方案的缺点是：机械进场费较高，成本较高，工程投资较大。
（2）方案二：多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙
多头小直径截渗墙由于搭接头施工简单，截渗效果好可靠，不用增加任何施工设备和辅助工艺，因而工期短、成本低。此方案的缺点是：当遇到碎石土和岩石时，难以搅拌成墙。
（3）方案三：复合土工膜防渗
复合土工膜+混凝土防渗墙相结合，该方案成墙价低，取材方便，施工速度快，施工工序少，工效高，成墙耐久性好。缺点是：复合土工膜和混凝土防渗墙联接部位容易产生破坏。
（4）方案选用
以上三种方案在技术上都是可行的，均能够达到控制坝体和坝基渗流，降低坝体浸润线的目的。现对混凝土防渗墙、多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙、坝体复合土工膜防渗+坝基混凝土防渗墙防渗三个方案进行技术经济分析比较。三种方案计算各方案的工程量及投资见表1。
表1大坝防渗加固方案投资比较表
综合技术和经济比较结果决定采用方案三：复合土工膜防渗是在大坝上游满坝坡铺设复合土工膜(支持层:土工布，防渗层:PE土工膜，保护层:针刺土工布)，坝基土工膜与混凝土防渗墙联接，两岸锚固在岩石上，形成封闭的防渗体系。
3 渗流稳定分析计算
（1）渗流计算
Ⅰ.计算断面及地层简化
根据群力水库工程地质报告提供的地质资料，结合地形和坝高，大坝加固后渗流计算同样选取主河槽段桩号桩号0＋050断面作为渗流复核计算断面。并做了适当简化。计算断面示意图见图1。
图10＋050断面渗流复核计算断面示意图
Ⅱ.计算參数选取
本工程计算断面各土层渗透系数依照地质报告，地质资料选取(采用建议值)。计算采用的各土层渗透系数取值见表2。
Ⅲ.计算工况
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)的有关规定，群力水库渗流计算应主要分析上游正常蓄水位与下游不利水位组合的情况。但为预测在未来高水位情况下坝体的渗流稳定和为坝身结构稳定复核提供基础数据，计算还选择了设计及校核水位的工况。[3]相应水位组合见表3。
表2 渗流计算参数表
表3计算工况及相应水位组合表
①计算成果
主坝渗流计算采用二维稳定渗流有限元法，计算分析软件采用河海大学土木工程学院开发的“AutoBANK-水工结构有限元分析系统”。加固后渗流计算成果见表4；各种水位组合下大坝流网图及水力坡降数值图见图2。
②计算成果分析
由以上计算成果可以看出，大坝横剖面上的计算等势线分布符合一般均质坝的渗流规律。防渗加固后渗流计算断面同样选在桩号0＋050处，结果表明，坝内浸润线位置、渗流出逸点渗透流量等都比较低，说明采取复合土工膜结合混凝土截渗墙防渗防渗加固能够满足大坝防渗要求。
（2）稳定计算
Ⅰ.土坝稳定分析计算断面选择
根据群力水库现状，仍然选择0+050断面进行稳定分析。
根据地质报告，断面土层做了适当简化。土坝稳定分析简图见图1。
表4 0＋050断面渗流计算主要成果表
图2 0＋050断面渗流计算成果图
Ⅱ.计算工况选定
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的有关规定，群力水库大坝抗滑稳定计算包括如下内容：
①上游坡
非常运用条件：库水位自校核洪水位110.41m非常骤降至死水位93.70m的工况。
②下游坡
A．正常运用条件：库水位为正常蓄水位108.90m、下游水位92.56m坝体形成稳定渗流下的工况；库水位为设计洪水位109.78m、下游水位92.56m坝体形成稳定渗流下的工况。B．非常运用条件：库水位为校核洪水位110.41m、下游水位92.56m，坝体形成稳定渗流下的工况。
III.计算参数的确定
本次设计为了查明坝体填筑质量，验证岩土物理力学参数和工程地质条件，进行了勘探钻孔取样，并做了各项参数的土工试验。根据土工试验资料，结合坝身填筑工程质量评价，确定各材料的计算参数。坝身土料的物理力学指标直接采用地勘报告提供的成果，有效应力强度指标采用直剪试验值近似折算，总应力强度指标采用固结快剪试验值。稳定计算所采用参数见表5。
Ⅳ.计算方法及计算成果
大坝抗滑稳定分析采用河海大学土木工程学院开发的“Slope－土石坝稳定分析系统”进行计算，计算方法采用瑞典圆弧法。稳定渗流期稳定计算和水位骤降气计算均采用有效应力法。群力水库大坝工程等级为Ⅴ等5级，坝坡允许抗滑稳定安全系数根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)确定。加固后坝坡稳定计算成果见表6。加固后抗滑稳定计算成果图见图4。
坝坡稳定计算成果显示由于坝身采取了有效截渗措施，计算得坝坡稳定安全系数均满足规范要求，因此采取的截渗加固措施是科学有效的。
表5大坝稳定分析选用物理力学指标表
表6 0＋050断面稳定计算安全系数成果表
图4 大坝加固后0＋050断面抗滑稳定计算成果图
4、结语
土工膜在小型水库坝身防渗中已经取得了广泛的应用。采用土工膜防渗，不仅节约了资金，而且缩短了施工工期，降低了施工难度。
〔参考文献〕
[1] 张启岳.土石坝加固技术.北京：中国水利水电出版社，1999.
[2] 安徽省东至县群力水库除险加固工程初步设计.合肥工业大学建筑设计研究院，2011.
[3] 林继镛.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，2006.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。