石砭峪水库属全国首批四十三座重点病险库之一，1978年底大坝堆石及沥青斜墙防渗工程基本完成后，1980年正式关闸蓄水，当库水位上升到718.7m时，发生了坝后地表渗流量0.85m³/s的严重问题。经过2000年—2002年期间对水库大坝进行防渗处理，2005年再次高水位蓄水到728.60m时，实测坝后渗流量仅0.06m³/s，说明复合土工膜防渗处理在高坝渗漏处理中的应用是成功有效的。本文从工程实际出发，通过对防渗处理方案的选择、从复合土工膜抗拉强度及复合土工膜稳定分析，确定了材料类型。拓宽了复合土工膜做为防渗透材料在高坝防渗处理方面的应用范围，为其它相类似的工程的防渗处理提供经验。

浅议石砭峪水库除险加固工程技术应用与创新

安燕群

1、工程概况

    石砭峪水库位于秦岭北麓长安区境内，距西安市35公里，是一座灌溉、防洪、发电和城市供水等综合利用的中型水库。枢纽工程由大坝、输水洞、泄洪洞、坝后两级电站组成。水库流域面积132平方公里。石砭峪水库于1971年动工兴建，大坝下部为定向爆破堆石体，上部为人工堆石体，防渗面板周边与坝基截水墙、岸边防渗帷幕连接，防渗面板总面积40000 m²。由于受财力和历史条件的限制，使其设计标准低，施工质量差，特别是由于工程资金不足，定向爆破前，坝基未彻底清理，坝下坡积土层未清除，加之坝体填筑时，坝体上部的人工堆石体采用端头推进，高差达10米，孔隙率达30%～35%，从而为工程运用埋下了隐患，一遇高水位蓄水，大坝即产生不均匀沉陷，导致沥青砼斜墙发生裂缝漏水，漏水不仅影响坝体稳定，更使坝体内细粒移动或冲走，从而加剧了裂缝的发展或形成塌坑，自1981年开始试蓄水后，水库先后曾出现三次大的渗漏险情。

2、           方案的选择

石砭峪水库大坝存在的主要问题有三点：一是当水库蓄水位较高时，沥青斜墙塌陷漏裂，700平台及其以下反弧段是事故多发区，而斜墙的破坏是由于其基础人工堆石和坡积土是松散不密实，产生较大的不均匀深陷引起；其二是上游坝体坡形状复杂多变，不规则，尤其有三个反弧（实为倒圆锥面，水平截面为反拱），在水压力作用下使斜墙受拉，产生裂缝；其三是703m以上人工堆石密实度低，高水位蓄水时，势必产生较大不均匀深陷，导致斜墙开裂而漏水。

大坝周边防渗体系及坝基截渗墙暴露出来的问题不明显。周边防渗体系及坝基防渗墙还能继续用，沥青砼斜墙大部分完好，周边防渗体与斜墙目前还没有达到完全不能用而撇弃的地步。

水利部大坝安全监管中心经对石库大坝稳定分析，认为：“坝体不发生漏裂时，无论库水位降落期、稳定渗流期及地震荷载作用时，计算结果K值满足规范要求，说明大坝的稳定性是安全的。”又指出“在任何库水位下运行，即使发生漏裂破坏，大坝的整体渗透稳定都是满足的。”以上说明，大坝整体是稳定的，只需解决渗漏问题。

实施中初步拟定采用沥青砼斜墙方案，但考虑到坝顶防渗墙方案的主要问题：技术复杂、难度大、投资大，墙的基础不可靠、施工质量较难控制，出了问题无法修补，且斜墙的沥青砼这种材料应变能力太小，不能适应石库这种有较大变形不均匀深陷的坝体，需要另寻求一种有较大变形能力的防渗材料来代替沥青砼。

综上所述，针对水库大坝存在的主要问题，对症下药，拟采用复合土工膜斜墙。它的特点是仍利用石库坝的防渗体系——坝基砼截渗墙、周边防渗帷幕及其坝坡沥青砼斜墙，对斜墙基础进行加固，并在沥青砼墙上铺设一层变形性能好的材料——复合土工膜。

3、           复合土工膜的选择

石砭峪水库大坝高85米，斜墙最大坡比为1︰1.80，而且沥青砼斜墙面上有一层封闭层，比较光滑，对此应寻求一种既有较大抗拉强度，又能满足水库大坝防渗要求的膜，还要使该膜在斜墙上、在各种水位运行条件下满足稳定的粘切方法。

石砭峪水库大坝700米高程以下采用400/1.5（PE）/400膜；700米高程以上采用350/1.0（PE）/350膜，经2000年4月河海大学按《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》SL/T225—98要求，对规格为A：450/1.0（PE）/450、B：450/1.0（PE）、C：450/1.0（PVC）/450DG三种材料进行严格测验计算分析，得出结果为：

三种规格的产品，因膜厚和织物重量不同，其检测结果也不一样，且无线性比例关系。如A土工织物单位质量为990克每平方米，B土工织物单位质量为908 克每平方米，C土工织物单位质量为849 克每平方米。A的比C的大141 克每平方米，比B的大82克每平方米，而极限抗拉能力以B最高，C第二，A最低。相应的极限伸长率以A最大，B第二，C第三。土工织物单位面积每毫米克重以C最高，B第二，A最小。单位厚度的极限抗拉强度则以C最高，B第二，A最小。

用极限割线模量法求得的复合土工膜抗拉安全系数在720水位和731水位作用下纵向、横向三种均大于5.0。但用曲线应力应变对应法求得的安全系数，B产品均不满足要求；A产品横向抗拉在731水位下安全系数为4.71，小于0.5，其它各项均满足要求。C产品纵向抗拉在731水位下安全系数为3.77，其它各项均满足要求。

A和C产品基本符合强度要求。A、C两种产品在731水位下各有一个方向（A在横向，C在纵向）尚不满足要求，且A相差不大，C因土工布重量比A轻141g，故安全系数相差较多。

复合土工膜是一种防渗效果好适应变形能力强的新材料。通过试验和计算前三种复合土工膜样品，A和C的样品基本满足《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》SL/T225—98的安全系数要求。但是在731米高水位作用下还有一个方向（A在横向，C在纵向）不能满足要求。因此欲使复合土工膜在各种水位和各个方向上均满足要求，建议适当加大土工织物单位面积质量，可考虑上下两层都用500克每平方米的土工织物为宜，膜厚可不变，土工织物以密实一些为宜。

依据河海大学的试验结果建议，石砭峪水库除险加固工程施工过程中，在膜的选择上选取了500/1.0（PVC）/500型膜，原因为：如果采用焊接技术处理膜与膜的粘接，当时国内PE膜的焊接厚度在1.0毫米以下，而焊接抗拉强度只能达到原材料的70—80%；布与布缝拉不紧，抗拉强度不大。经多方讨论、分析决定采用国内现已规模生产的PVC膜，膜厚1.0毫米，该膜经多批次抽样，在西北水科所进行抗拉强度试验，质量达到或超过设计要求，胶粘抗拉强度高达90%，尤其“丁”字缝抗拉强度达120%。

4、           复合土工膜的稳定分析

复合土工膜沿斜墙抗滑稳定性的校核。

在700m高程以下复合土工膜可不用粘结剂面直接铺设在沥青砼斜墙上，而700m以上需要用沥青将复合土工膜粘贴在斜墙上，这样才能保证在任何荷载下复合土工膜不下滑。复合土工膜与斜墙之间的摩擦系数小于堆石的内摩擦系数，亦小于倒闭墙与堆石之间摩擦系数，它是一个薄弱面，需要校核复合土工膜沿斜墙的平面抗滑稳定。

700m以下复合土工膜的抗滑稳定性。由于复合土工膜下部土工布为平面排水层，同时又设水平排水管，以收集渗流。可以认为排水效果是好的，当水库水位降落时，复合土工膜与斜墙之间无水压力，不会将膜鼓起或影响膜的抗滑稳定。

水库无水时，膜的抗滑稳定性最低，故校核此时膜的抗滑稳定性。复合土工膜与沥青砼斜墙的摩擦系数为0.64，复合膜的抗滑稳定安全系数采用1.2，700m以下坝坡为1：2.25，则K=mf=0.25*0.64=1.44式中K——抗滑稳定安全系数； m坝坡坡度a的余切；f——两种材料的摩擦系数。计算得的抗滑稳定安全系数大于规范规定抗滑稳定安全系数1.2，满足规范要求。、

当水库蓄水后，水压力作用在复合土工膜上，有利于抗滑稳定。如设水库水位为正常高水位731m，700m处斜墙水压力p=31t/m²，此时复合土工膜的抗滑稳定安全系数K=f（Gcosa+p）/Gcosa=fm+p/Gcosa＞fm=1。44式中G为单位面积（1 m²）的砼护坡及复合土工膜的重量。当然为了安全亦可 以用沥青粘结剂将复合土工膜有限的粘在斜墙上。

700m以上复合土工膜的抗滑稳定性。700m以上坝上游坡的坡度为1:1.8，坡度a=29.05°

如不用沥青粘结剂粘接而将复合土工膜直接铺在斜墙上。温度为18℃空库时，复合土工膜的抗滑稳定安全系数K=mf=1.8*0.64＜1.2，不安全。令K=[k]=1.2，则f=K/m=1.2/1.8=0.67需要对复合土工膜或斜墙面加糙，以提高摩擦系数，或者用沥青粘结剂粘结。

用沥青粘结剂将复合土工膜粘贴在斜墙上。

如果全面粘贴，试验的沥青慢剪凝聚力为0.25Mpa=25t/ m²此时复合土工膜的抗滑安全系数

Ｋ＝

＝fm＋

＝0.64×1.8×

＝1.15＋142.9

＝144.14＞1.20　　　　　　

安全，可局部粘结。

如粘1%则K=1.15+1.43=2.58＞1.20满足规范要求。

膜的稳定处理。

复合土工膜稳定处理分别选择700m平台以上1：1.80坡比，700m平台以下选择1：2.35坡比进行。对于1：2.35坝坡，复合土工膜能靠自身摩擦维持稳定。为防止复合土工膜沿沥青混凝土斜墙面滑动，在1：1.80的坡面上，需在复合土工膜上涂抹占总面积86%的沥青，使它与沥青混凝土斜墙之间有一定的粘结力。

膜与斜墙的粘接采用10#建筑用沥青，施工温度要求在130-120℃左右，以求满足在高水位情况下膜的稳定。

5、结论

土工合成材料在国处普遍应用已有30多年的历史，我国近十几年才得到广泛应用，应用范围、品种与数量迅速扩大和增长。主要应用在河道、池塘及低坝中，近年来也在高坝的防渗处理加固中逐渐使用，在石砭峪水库85ｍ定向爆破堆石坝防渗处理中的成功应用，拓宽了该材料的应用范围。

石砭峪水库大坝防渗处理工程完成投入运行后，经几次高水位蓄水观测，枢纽工程均未发生异常，运行情况良好，通过对2000年——2007年水库处理后初期运行的观测资料分析，坝体浸润线在相同库水位下，较加固处理前降低2米多，水库蓄水到715m高程时，坝后无渗流观测堰中无明流出现。加固处理后较处理前在同一库水位条件下，墙后水位下降１——2.4米，以下数字对比，充分说明了采用复合土工膜防渗处理方案在石砭峪水库中的应用，解决了水库的渗漏问题。（作者单位：西安水务（集团）石砭峪水库管理有限公司 ）