土工膜水庫(kù)庫(kù)盤(pán)防滲技術(shù)及應(yīng)用

唐安軍 劉 紅

(新疆昌吉州阜康市水利局水管總站 新疆阜康 831500)

1 概述

近年來(lái)土工合成材料不斷應(yīng)用于水利工程防滲,因其具有滲透系數(shù)小,材料性能穩(wěn)定,質(zhì)量輕,造價(jià)低,施工速度快等優(yōu)點(diǎn),而得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)就土工膜用在水庫(kù)庫(kù)盤(pán)防滲中的設(shè)計(jì)、施工有關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)述如下。

2 防滲結(jié)構(gòu)

土工膜雖具有一定的抗刺破、抗頂破能力,但在水頭變大時(shí),常被膜下尖礫頂破,尤其在基土級(jí)配不良,和存在角礫的情況下,更易破壞。

由于土工膜在運(yùn)輸、施工過(guò)程中可能造成的偶然性損傷,據(jù)國(guó)外對(duì)施工缺陷分析,約每4000m2出現(xiàn)一個(gè),缺陷等效孔徑為1mm～3mm,與建筑物連接部位為5mm,對(duì)于施工水平低下的等效孔徑為10mm。這些缺陷是造成滲漏的主要通道,如膜下基土不具備反濾,易形成流土,如滲透力超出膜的承受力,則會(huì)引起更大的漏洞。所以膜下必須設(shè)置過(guò)濾層,厚度不宜太大,一般墊30cm～50cm細(xì)砂和壤土。

對(duì)于庫(kù)盤(pán)防滲,根據(jù)地質(zhì)條件,一般結(jié)構(gòu)從上到下為:砂礫石 (卵)防護(hù)層,細(xì)砂 (或土)過(guò)濾層,土工膜、細(xì)砂 (或土)過(guò)濾層、基礎(chǔ)。

防護(hù)層的主要作用是防止土工膜被風(fēng)浪淘刷而暴露。

保護(hù)層主要起保護(hù)膜不被有棱角尖礫刺破。

3 土工膜厚度的選擇

PE土工膜要有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受水壓力和基礎(chǔ)變形,其厚度取決于水壓力、材料性能及基礎(chǔ)平整度。

土工膜厚度的計(jì)算見(jiàn)下式:

T——單寬土工膜受到的拉力 (kN/m);

P——膜上作用的水壓力 (kPa);

b——預(yù)計(jì)膜下產(chǎn)生的裂縫寬度 (m);

ε——膜的拉應(yīng)變 (%);

Tf——極限抗拉強(qiáng)度;

Ff——安全系數(shù),一般4～5。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)資料,膜下墊層越細(xì),級(jí)配越好,膜厚越大,承受水頭越大。在墊層粒徑為50mm～300mm時(shí),膜厚0.5mm可承受60m水頭;在墊層粒徑為10mm～20mm時(shí),膜厚0.5mm可承受200m水頭。膜厚的選擇通常以計(jì)算為依據(jù),并依據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程,考慮安全系數(shù)最終確定膜厚。

4 反滲透壓力分析

在正常蓄水位和死水位之間的庫(kù)底,當(dāng)水位快速下降時(shí),滲漏的水量來(lái)不及向下滲漏,表層的土體會(huì)產(chǎn)生反滲透壓力,設(shè)計(jì)時(shí)要考慮反滲透壓力的影響。

5 水庫(kù)引水渠

水庫(kù)引水渠庫(kù)內(nèi)段 (最高蓄水位以下部分)應(yīng)設(shè)計(jì)成寬淺式襯砌渠道,并一直通到水庫(kù)的最低點(diǎn),以防第一次蓄水沖刷庫(kù)盤(pán)內(nèi)膜上保護(hù)層而使土工膜受損,渠頂與庫(kù)盤(pán)面齊平,在水位變化區(qū) (正常蓄水位到死水位之間)渠頂兩邊一定范圍內(nèi)加以護(hù)砌。

6 土工膜施工

(1)鋪設(shè)膜前基面的處理

由于土工膜抵抗樹(shù)根、雜草穿透力弱,要求土工膜鋪設(shè)在比較堅(jiān)實(shí),平整的基面上。為此,對(duì)基面的亂石及其他雜物要清除干凈,對(duì)坡度變化較大的地方要削填平整。對(duì)于塌坑、裂縫、洞穴等要填平、庫(kù)盤(pán)清理完成后,作為水庫(kù)的持力層,必須密實(shí),使蓄水后沉降變形小,使土工膜的變形在其延伸范圍內(nèi),膜的下墊層,也必須密實(shí),且墊層中不得含有石塊及可能破壞塑膜的雜物。

(2)膜的鋪設(shè)與搭結(jié)處理

土工膜的鋪設(shè)應(yīng)平行壩軸線方向滾動(dòng)展開(kāi),順?biāo)鞣较虼罱?兩膜之間采用焊接。膜塊間的結(jié)點(diǎn)應(yīng)為T(mén)字型,不得做成十字型,坡面上土工膜的鋪設(shè)其接縫排列方向應(yīng)平行或垂直最大坡度線,且應(yīng)按由下而上的順序鋪設(shè),坡面彎曲處應(yīng)使膜和接縫妥帖坡面。

(3)膜上覆保護(hù)料

覆土施工為避免損傷膜料,只能由人工和人力車(chē)進(jìn)行覆蓋,人工整平鋪勻,采用進(jìn)占法,機(jī)械不得在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭。

7 土工膜防滲應(yīng)重點(diǎn)注意問(wèn)題

(1)應(yīng)根據(jù)工程重要性、作用水頭、施工水平,并應(yīng)方便接縫質(zhì)量的檢測(cè),經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,合理選擇膜材種類(lèi)、厚度、材料力學(xué)性能參數(shù)。

(2)應(yīng)重點(diǎn)做好土工膜與岸坡防滲面板及壩體防滲體的連接,要確保接縫、接頭止水的封閉性,保證土工膜與岸坡巖石和混凝土面板連接可靠。

(3)應(yīng)重點(diǎn)做好土工膜上墊層及保護(hù)層設(shè)計(jì),采取有效措施,避免產(chǎn)生人為因素破壞而導(dǎo)致漏水缺陷。

(4)土工膜下面應(yīng)設(shè)置有效的排水系統(tǒng),防止庫(kù)水位較低時(shí),因反向水壓力頂托土工膜遭到破壞。

(5)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土工膜缺陷及接縫質(zhì)量檢測(cè)方法的研究,完善運(yùn)行期滲漏監(jiān)測(cè)手段,及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏部位和滲漏量,并預(yù)先制定對(duì)策和措施。

8 工程實(shí)例

阜康市上游水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程全庫(kù)盤(pán)防滲采用了土工膜技術(shù)。

(1)工程概況

上游水庫(kù)位于新疆阜康市五工煤礦北部,距阜康市城區(qū)東南約15km。水庫(kù)主要承擔(dān)灌溉下游1.2萬(wàn)畝耕地,保護(hù)下游1.9萬(wàn)人口和吐烏大高速公路、S303省道、阜甘支線鐵路和阜康市重化工業(yè)園西區(qū)。

上游水庫(kù)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣、北天山山前沖洪積丘陵上,地形稍有起伏,地勢(shì)南高北低,由南東向北西緩傾,海拔高程為750m～800m,屬山前沖洪積丘陵地貌。工程區(qū)在構(gòu)造單元上處在北部沖洪積平原區(qū),水庫(kù)區(qū)地震烈度為7度,工程區(qū)處于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較好的地段。

庫(kù)區(qū)出露的巖性主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積堆積 (Qal+pl3 )低液限粉土層和含漂石碎石土層,主要分布于水庫(kù)區(qū)及其周邊。

壩基上部為微透水性低液限粉土層,厚度1.2～2.3m,較不穩(wěn)定,滲透系數(shù) (k)為2.8×10-5～5.9×10-5cm/s,下部為較厚的強(qiáng)透水性碎石土層,滲透系數(shù) (k)為 3.5×10-2cm/s～1.3×10-1cm/s。

2009年除險(xiǎn)加固后設(shè)計(jì)總庫(kù)容107萬(wàn)m3,壩長(zhǎng)650m,最大壩高11m。工程等別為Ⅳ級(jí),工程規(guī)模為小 (1)型。樞紐主要由大壩、泄洪放水涵洞等組成。大壩軸線成弓形攔河布置,壩型為復(fù)合土工膜斜墻防滲土壩,壩頂寬5.0 m,壩體上游坡比為1︰2.5,為混凝土護(hù)坡;下游坡比為1︰2.0,庫(kù)盤(pán)采用0.5mmPE塑膜防滲。

(2)庫(kù)盤(pán)防滲設(shè)計(jì)

庫(kù)盤(pán)防滲范圍為正常蓄水位高程,防滲面積為19.1萬(wàn)m2,膜下設(shè)30cm土料墊層,膜上設(shè)50cm土料保護(hù)料。施工中鋪膜前,在庫(kù)中766m高程下開(kāi)挖后分布有蘆葦根,設(shè)計(jì)采取挖除辦法,先犁后人工撿集。因庫(kù)盤(pán)沖積有一定厚度土層,施工對(duì)土層厚度滿足要求的,未換膜下30cm土料墊層,采用分塊作業(yè),挖50cm厚土層,平整碾壓后鋪膜,然后用下一批要鋪設(shè)的膜的開(kāi)挖料堆在其上,膜與膜預(yù)留焊接寬度,焊接,檢測(cè)合格后,膜上土料攤平,進(jìn)行下一塊膜料鋪設(shè),循環(huán)作業(yè),從而避免了土方倒運(yùn),施工速度較快。

9 結(jié)語(yǔ)

土工膜全庫(kù)盤(pán)防滲技術(shù)可有效地解決壩體、壩基、庫(kù)盤(pán)滲漏問(wèn)題。在庫(kù)盤(pán)土工膜防滲結(jié)構(gòu)施工中,人為造成土工膜破損是難免的,這些集中滲漏通道,在水庫(kù)放空過(guò)程中大都容易發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)。若膜上是砂或更細(xì)料,放空后會(huì)出現(xiàn)塌陷或漏斗狀,若為粗粒料,其上的細(xì)粒料會(huì)消失,總之即便出現(xiàn)破損,發(fā)現(xiàn)和維修是不難的。

在我國(guó)西北地區(qū),有許多丘陵和平原水庫(kù)建在古河道和扇緣洼地上,滲漏情況較嚴(yán)重,不僅浪費(fèi)了有限的水資源,而且抬高了庫(kù)區(qū)下游灌區(qū)地下水位,增加了土壤的無(wú)效蒸發(fā),使鹽分蒸發(fā)聚集表面,造成土壤次生鹽堿化,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn),生態(tài)環(huán)境惡化。因此,研究庫(kù)盤(pán)防滲技術(shù)及推廣具有重要現(xiàn)實(shí)意義,而土工膜全庫(kù)盤(pán)防滲的應(yīng)用,在這方面具有重要的參考價(jià)值。