渠道防滲技術(shù)在吐木秀克水電站工程中的應(yīng)用

盧 軍 鄒德華

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院水利所,烏魯木齊 830000)

吐木秀克水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi),電站為引水式徑流電站,引水線路長(zhǎng)21.19km,設(shè)計(jì)引水流量75m3/s,裝機(jī)容量為48MW。渠道沿山前沖洪積扇布置,渠基礎(chǔ)地層為第四系卵礫石層,屬中密～密實(shí)土,中等透水層。引水渠道在設(shè)計(jì)流量下平均流速,要滿足不沖、不淤的要求,襯砌渠道宜選用1～2m/s;可能出現(xiàn)岸冰的渠道要滿足輸冰流速不小于1.2m/s;襯砌型式要結(jié)合施工條件、造價(jià)等綜合考慮。根據(jù)上述原則,結(jié)合吐木秀克水電站引水渠地質(zhì)情況,綜合考慮工程地質(zhì)條件、運(yùn)行條件、防凍性能、工程造價(jià)及工程施工等因素,確定渠道采用設(shè)計(jì)縱坡為1/4250。渠道斷面為寬淺式,底寬8m,邊坡1︰1.75,渠深4.7～5.6m,采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20W6F200的現(xiàn)澆混凝土板,底板板厚為120mm,邊坡上部板厚100mm下部板厚120mm?，F(xiàn)澆板下為一布一膜,塑膜下為M10砂漿墊層。引水渠混凝土板每隔20m設(shè)置一道寬0.3m、深0.3m的混凝土橫隔墻。

1 渠道防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渠道防滲體結(jié)構(gòu)采用雙層防滲結(jié)構(gòu),即現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)加土工膜作為防滲主體,其防滲體從下而上的結(jié)構(gòu)形式由砂礫石層、膜下砂漿過渡層、土工膜防滲層、混凝土板防滲保護(hù)層組成。

砂礫石層:主要是渠道原砂礫石基礎(chǔ),局部粉砂層被置換層砂躒料,此層要求碾壓密室,形成穩(wěn)定的基礎(chǔ)層,可減少渠基濕陷變形,防止?jié)B流淘刷渠基,保證上部防滲結(jié)構(gòu)層整體穩(wěn)定性。

膜下砂漿過渡層:3cm厚M10水泥砂漿。形成平整的硬化作業(yè)面與膜緊貼,防止尖棱角材料或不平整的凸面頂破防滲膜;為下一工序提供平整密室的基礎(chǔ)面,提高整體防滲結(jié)構(gòu)面的施工質(zhì)量。

防滲層:一布一膜,即PE復(fù)合土工膜。由吹塑成型的聚乙烯土工膜與針刺聚酯無紡布熱壓復(fù)合而成,膜厚 0.6mm,布重 150g/m2。鋪設(shè)方式:黑膜朝下,白布朝上,布能夠保護(hù)膜,減緩陽光照射老化,減少混凝土預(yù)制板鋪筑過程中的施工損傷;具有加筋和提高強(qiáng)度的作用。

混凝土預(yù)制板保護(hù)層:設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20W6F200混凝土板。渠底板厚12cm,邊坡板厚10～12cm,剛性整體具有一定的防滲功能,并對(duì)防滲塑膜起到保護(hù)覆蓋作用;減少渠道糙率,減小渠道過水?dāng)嗝妗?/p>

2 渠道PE復(fù)合土工膜穩(wěn)定分析和選擇標(biāo)準(zhǔn)

2.1 土工膜的抗滑穩(wěn)定分析

目前國內(nèi)生產(chǎn)的PE土工膜基本上都是光面的,部分廠家可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)光膜進(jìn)行加糙處理。為了分析土工膜在渠道邊坡上的穩(wěn)定性,新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)在同類工程中做了詳細(xì)的試驗(yàn),分別采用光面膜、加糙膜和復(fù)合土工膜與砂漿體做了摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn),基本結(jié)論為:光膜能維持穩(wěn)定的常用邊坡為1︰2.5,復(fù)合膜在1︰2的邊坡條件下能維持穩(wěn)定,加糙膜在1︰2.5的邊坡條件下能維持穩(wěn)定,在1︰2的邊坡條件下不滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù),但可維持臨界穩(wěn)定。而用一布一膜作為防滲材料室內(nèi)試驗(yàn)表明膜朝上及朝下都是穩(wěn)定的。小于以上邊坡的渠道斷面設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用其他加固措施。

表1 防滲塑膜與砂漿體之間摩擦系數(shù)試驗(yàn)成果

本工程根據(jù)渠道設(shè)計(jì)規(guī)范,參考同類工程經(jīng)驗(yàn)和上述試驗(yàn)成果,綜合考慮后采用1︰1.75的邊坡,同時(shí)增加混凝土隔梁、增加坡頂塑膜埋設(shè)長(zhǎng)度、邊坡混凝土結(jié)構(gòu)做成10～12cm漸變等綜合措施提高邊坡穩(wěn)定性。防滲膜采用一布一膜有下列優(yōu)點(diǎn):無紡布具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸性,與土工膜復(fù)合使用后,增大了防滲層整體抗拉強(qiáng)度和抗穿刺能力,可以大幅減少施工其土工膜的破損;無紡布表面粗糙,增加了接觸面的摩擦系數(shù),提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;根據(jù)試驗(yàn)資料看,土工膜在紫外線照射下,短缺內(nèi)強(qiáng)度損失很大,增加一層無紡布,能有效減少施工期塑膜照射時(shí)間,同時(shí)減少施工中對(duì)膜的破壞程度。

2.2 復(fù)合土工膜的滲流分析

PE土工膜的正常滲透流量與土工膜的厚度有關(guān),可近似按達(dá)西定理計(jì)算,計(jì)算公式如下:

式中:Qg——土工膜的滲透量,m3/s;

Kg——土工膜滲透系數(shù),m/s;

A ——土工膜滲透面積,m2;

Δ H ——土工膜上下水位差,m;

tg——PE土工膜厚度,m。

根據(jù)工程運(yùn)行中的水頭,即可以計(jì)算出滲流量,本工程選用復(fù)合土工膜滲透系數(shù)Kg≤1.0×10-13cm/s,若土工膜施工質(zhì)量較好,則滲漏損失基本可以忽略不計(jì)。

根據(jù)筆者多年工程經(jīng)驗(yàn),渠道實(shí)際滲水量還是比較大的,一般經(jīng)過半年以上的通水運(yùn)行期后,土工膜下渠道基礎(chǔ)基本處于飽和狀態(tài)。分析原因,主要是施工中對(duì)塑膜有損傷,同時(shí)塑膜接縫焊接質(zhì)量對(duì)滲水量的影響也很大。

2.2 厚度選擇

《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL18-2004),規(guī)定渠道中小型渠道土工膜厚度宜為0.18～0.22mm,大型渠道宜用0.3～0.6mm。目前國外工程從耐久性考慮,土工膜厚度都在0.5mm以上,歐美一般采用1mm以上厚的土工膜較多。

土工膜厚度的選用可根據(jù)接縫處理型式、防滲的效果、土工膜的耐久性、投資和效益、渠道的規(guī)模及建筑物的重要性等因素綜合考慮選取。

根據(jù)水壓力大小決定膜厚計(jì)算的公式很多,都根據(jù)膜上水壓力和膜下過渡料的粒徑進(jìn)行計(jì)算,如前蘇聯(lián)全蘇水工研究院在薄膜理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗(yàn),對(duì)聚乙烯薄膜,提出計(jì)算膜應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式,還有北京市水科所的計(jì)算公式、水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范推薦的計(jì)算公式等,不論采用哪種公式,其計(jì)算出的膜厚度均較小。

表2 土工膜厚度計(jì)算比較

從水壓力方面考慮,一般渠道防滲土工膜厚0.1mm已足夠。

但考慮到工程的重要性、防滲膜的耐久性、焊縫的質(zhì)量等,在調(diào)查研究、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、專家咨詢的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際,考慮水文氣候,工作環(huán)境,施工條件,使用壽命,工程造價(jià),生產(chǎn)規(guī)格等因素,綜合確定聚乙烯土工膜厚度為0.6mm。該種膜厚已在總干渠133.6km渠道得到應(yīng)用,防滲效果較好,渠道水利用率可達(dá)到97%左右。

本工程防滲工程選用的PE土工膜的斷裂伸長(zhǎng)率(極限拉應(yīng)變)≥450%。PE復(fù)合土工膜斷裂伸長(zhǎng)率≥60%,斷裂強(qiáng)度(極限抗拉強(qiáng)度)≥12kN/m。土工膜抗拉強(qiáng)度和拉應(yīng)變的安全系數(shù)選擇4～5。一般土工織物的極限拉應(yīng)變?cè)?0%～100%范圍內(nèi),其工作應(yīng)變(極限拉應(yīng)變除以安全系數(shù))范圍≥10%～20%,在此范圍內(nèi),抗拉強(qiáng)度呈直線關(guān)系。PE土工膜在工作應(yīng)變范圍內(nèi)強(qiáng)度呈上升趨勢(shì),雖然伸長(zhǎng)率(延伸率)隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低,但下降幅度不大,二年以后基本穩(wěn)定下來,大多在50%以上。

2.4 土工膜的性能指標(biāo)基本要求

(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式。選用“一布一膜”。布:選用短纖針刺無紡布,白色;膜:選用PE土工膜,黑色,PE樹脂為中密度(LDPE),吹塑成型加工。

(2)產(chǎn)品性能指標(biāo)。PE土工膜為PE復(fù)合土工膜的基材,其性能指標(biāo)應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范研究確定,參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17643-1998《土工合成材料聚乙烯土工膜》以及SL/T 225-98《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、SL/T231-98《聚乙烯(PE土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范)》的規(guī)定,結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)確定如表3。根據(jù)國內(nèi)幾個(gè)大廠家的調(diào)研情況,確定幅寬不小于6m。

PE復(fù)合土工膜為本項(xiàng)目所選的目標(biāo)產(chǎn)品,其主要性能指標(biāo)參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17642-1998《土工合成材料非織造復(fù)合土工膜》的規(guī)定,具體見表4。

表3 聚乙烯土工膜(PE)性能指標(biāo)

表4 PE復(fù)合土工膜性能指標(biāo)表

2.4 土工膜的施工中基本要求

(1)土工膜的拼接應(yīng)由專業(yè)人員采用焊接方式,焊縫搭接長(zhǎng)度不小于10cm。

(2)焊接前必須對(duì)焊接面進(jìn)行清掃,焊接面上不得有油污、灰塵并保持黏(搭)結(jié)面干燥。當(dāng)日平均氣溫低于-3℃或出現(xiàn)大風(fēng)天氣時(shí),土工膜在露天環(huán)境不允許焊接。

(2)鋪設(shè)面上應(yīng)清除雜草物,保證鋪設(shè)面平整,不允許出現(xiàn)凸出凹陷的部位,排除鋪設(shè)工作范圍內(nèi)的積水。

鋪設(shè)過程中,作業(yè)人員不得穿硬底皮鞋及帶釘?shù)男?。不?zhǔn)直接在土工膜上做可能引起土工膜損壞的施工作業(yè)。

(3)土工膜的現(xiàn)場(chǎng)拼接接頭應(yīng)確保其具有可靠的防滲效果。在拼接過程中和拼接后24小時(shí)內(nèi),拼接面不得承受任何拉力,嚴(yán)禁焊接面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。土工膜接縫焊接強(qiáng)度不低于母材的80%。

3 結(jié) 語

吐木秀克水電站引水渠運(yùn)行效果良好,達(dá)到防滲和安全運(yùn)行的結(jié)果。采用此防滲結(jié)構(gòu)需注意下列問題。

(1)采用復(fù)合土工膜型式時(shí),要根據(jù)渠道地質(zhì)、地下水、邊坡等運(yùn)用條件綜合考慮,才能保證達(dá)到防滲效果。

有地下水的地段不宜采用防滲膜結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為不透水的情況下,需設(shè)置縱橫向排水,在氣候寒冷地區(qū),容易發(fā)生渠道凍脹導(dǎo)致的破壞。

(2)防滲膜的防滲性能良好,目前渠道水利用系數(shù)已可以達(dá)到95%以上,但根據(jù)工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,膜下漏水情況很普遍,塑膜的損壞基本發(fā)生在施工期,加強(qiáng)施工質(zhì)量控制,是保證塑膜質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

(3)與建筑物銜接處采用焊接方式不可靠,其接縫強(qiáng)度過低。當(dāng)遇到復(fù)雜形狀的防滲結(jié)構(gòu)如與建筑物的連接等,容易懸空,易被水壓和土體變形所張破。

因此PE復(fù)合土工膜與建筑物連接技術(shù)應(yīng)考慮專用膠粘劑(KS膠)粘接,該技術(shù)已在國各類PE復(fù)合土工膜防滲工程中推廣應(yīng)用,取得了較理想的效果。

(4)土工膜防滲材料品種也很多,工程中遇到的問題也各式各樣,理論研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)十分必要,可為其他工程使用提供借鑒。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工合成材料非織造復(fù)合土工膜》GB/T 17642-1998

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工合成材料聚乙烯土工膜》GB/T17643-1998

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《短纖針刺非織造土工布》GB/T 17638-1998

[4]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50290-1998

[5]《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》SL18-91

[6]《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》SL/T 225-98

[7]《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》SL/T 231-98