復(fù)合土工膜和黃土組合防滲技術(shù)在頭屯河水庫圍堰工程的應(yīng)用

馬 軍，王 成，李少華

（1.新疆水利廳頭屯河流域管理處，新疆 昌吉 831100；2.新疆北方建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆 奎屯 833200）

頭屯河水庫是一座以灌溉為主，結(jié)合城鎮(zhèn)生活供水、工業(yè)用水、防洪等綜合利用的中型攔河水庫。水庫總庫容2030萬m3，最大壩高51 m，設(shè)計(jì)蓄水位989.60 m，由大壩、溢洪道、放水涵洞、泄水隧洞及下游分水樞紐五大部分組成，于2007年1月被列入第二批全國病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工程專項(xiàng)規(guī)劃[1]。根據(jù)總工期安排，涵洞工程施工期為2009年9月23日～2010年6月4日，為保證涵洞干地施工，必須解決好圍堰防滲問題。

1 工程地形、地質(zhì)條件

圍堰位于放水涵洞進(jìn)口上游106 m處，圍堰段河谷呈V形，南北走向。兩岸山體較陡峻，河床縱坡12%。谷底高程約950 m，兩岸山頂高程972～982 m，現(xiàn)代河床寬約50～90 m。平水期河水面高程950 m，水面寬10～50 m，水深0.5～2 m，河床中漂卵礫石層厚2 m左右,結(jié)構(gòu)松散。河床右岸為Ⅲ級(jí)階地，寬度約230 m。壩址區(qū)發(fā)育Ⅰ～Ⅲ級(jí)階地[2]。

圍堰壩址區(qū)左右岸壩肩主要出露地層為朱羅系上統(tǒng)頭屯河組 （J3t），巖性為灰綠色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖于泥巖互層夾紅褐色泥巖，砂巖較為堅(jiān)硬，巖體較為完整，泥巖較為松軟，在山坡上分化為溝槽地形[2]。

2 施工導(dǎo)截流要求

頭屯河水庫樞紐工程等級(jí)為三等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。根據(jù)SL 303—2004《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，導(dǎo)流臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)，相應(yīng)的土石類導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期10～5年[3]。根據(jù)總工期按排，將放水涵洞及大壩上游護(hù)坡除險(xiǎn)加固施工安排在非汛期，只需修筑枯水期圍堰。由于工程進(jìn)度安排緊張，且導(dǎo)流建筑物失事后對(duì)工期影響較大，選擇枯水期10年一遇洪水設(shè)計(jì)流量21.7 m3/s作為導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)調(diào)洪演算，圍堰設(shè)計(jì)擋水位為966.50 m，堰頂高程967.50 m。與全年圍堰相比，枯水期圍堰工程量大大減少，且便于布置和采用造價(jià)低廉的土石結(jié)構(gòu)。經(jīng)過計(jì)算，選擇在2009年9月上旬作為導(dǎo)流時(shí)段。

綜合分析頭屯河氣象、水文、施工條件、施工進(jìn)度安排和截流后的工作量等因素,選擇汛后退水期進(jìn)行截流。截流時(shí)間選擇在2009年9月上旬，采用10年一遇月平均流量作為截流標(biāo)準(zhǔn)，截流流量為6.8 m3/s。

結(jié)合水庫永久建筑物布置和工期分析，經(jīng)全面比較后，在距放水涵洞 （最大泄量為120 m3/s）進(jìn)口上游106 m和泄水隧洞 （最大泄量為52.4 m3/s）引渠進(jìn)口處修建圍堰，并通過引渠將水引入泄水隧洞導(dǎo)向下游。

3 圍堰形式及防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為節(jié)省工程投資，充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，圍堰采用土石結(jié)構(gòu)。圍堰主體填筑所用戈壁料 （河床砂石料）采自圍堰壩址上游500 m處庫區(qū)河床，黃土采自距施工區(qū)1 km處的棄料場(chǎng)。圍堰上下游坡比分別為 1∶2.0、 1∶2.5， 設(shè)計(jì)擋水位 966.50 m， 堰頂高程967.50 m，最大堰高16.5 m，堰頂軸線長148.5 m，頂寬7 m。961.00 m高程以下上游坡面結(jié)構(gòu)為袋裝戈壁護(hù)坡 （1 m厚）、復(fù)合土工膜 （二布一膜）、碾壓黃土 （0.2 m厚）、 碾壓戈壁料； 961.00～967.50 m高程上游坡面結(jié)構(gòu)為干砌塊石 （0.2 m厚）、復(fù)合土工膜 （兩布一膜）、碾壓黃土 （0.2 m厚）、碾壓戈壁料。堰前坡腳截滲墻底寬2 m，邊坡坡度為3∶1，深3～4 m。

堰體防滲結(jié)構(gòu)采用坡面復(fù)合土工膜防滲；堰前坡腳處截滲槽采用復(fù)合土工膜、黃土填筑截滲墻組合防滲；截滲槽上游30 m河床范圍內(nèi)采用鋪設(shè)水平復(fù)合土工膜、河床淤土鋪蓋防滲；截滲槽底部復(fù)合土工膜延伸至堰體壩肩左右岸兩側(cè)，使堰前形成基礎(chǔ)、坡面、水平及壩肩一個(gè)整體封閉的防滲體系，坡面和基礎(chǔ)是重點(diǎn)防滲部位。

復(fù)合土工膜具有較好的防滲效果，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，施工簡(jiǎn)便，拆除容易，且圍堰是一個(gè)臨時(shí)性建筑，不存在老化問題。所用黃土屬中等壓縮性，微透水性土，具有一定的防滲效果，且取自當(dāng)?shù)?，可?jié)省工程投資，利于機(jī)械化施工。復(fù)合土工膜鋪設(shè)在圍堰上游坡面，利用自身的連接形成一個(gè)完整的防滲體；另一方面坡面鋪設(shè)的復(fù)合土工膜、截滲槽中鋪設(shè)的復(fù)合土工膜、堰前上游30 m平鋪后的復(fù)合土工膜、壩前淤土、截滲墻組成防滲面層，可以有效延長圍堰滲徑，降低壩體浸潤線，達(dá)到防滲效果。

4 材料選定

4.1 復(fù)合土工膜

綜合考慮材料性能、施工工藝特性、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)性等因素，結(jié)合本工程實(shí)際和施工條件等情況，比選確定采用新疆西龍土工新材料股份有限公司生產(chǎn)的HDPE復(fù)合土工膜 （二布一膜），規(guī)格為200 g/0.5 mm/200 g，幅寬 6 m。此膜符合 SL/T 231—98《聚乙烯 （PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)[4]。復(fù)合土工膜主要特性見表1、2。

4.2 穩(wěn)定復(fù)核

復(fù)合土工膜與土石介質(zhì)間的摩擦系數(shù)將影響防滲體的穩(wěn)定，因此須復(fù)核復(fù)合土工膜與壩坡、復(fù)合土工膜與保護(hù)層的抗滑穩(wěn)定性。

復(fù)合土工膜穩(wěn)定性驗(yàn)算公式[5]

式中，F(xiàn)S為安全系數(shù)；δ為下墊層土料與土工膜之間的摩擦角；α為土工膜鋪設(shè)坡角。

表1 基材滌綸長絲紡粘針刺非織造布主要技術(shù)參數(shù)

表2 基材聚乙烯PE土工膜主要技術(shù)參數(shù)

由表1可知，土工布與中粗砂摩擦系數(shù)tanδ＞0.55，根據(jù)下墊層為碾壓黃土的實(shí)際情況，選tanδ＝0.65進(jìn)行計(jì)算。 壩體上游坡坡比為 1∶2， 即tanα＝1/2。 所以， Fs＝1.30＞1.25。

在961.00 m高程以下，復(fù)合土工膜采用袋裝戈壁料 （河床砂石料）作為保護(hù)層，實(shí)際施工時(shí)，人工由下往上碼放，抗滑穩(wěn)定滿足要求。在961.00～967.50 m高程，復(fù)合土工膜采用20 cm厚塊石作為保護(hù)層，實(shí)際施工時(shí)，人工由下往上層層碼放，抗滑穩(wěn)定也滿足要求。

綜上所述，通過計(jì)算和施工情況，復(fù)合土工膜防滲系統(tǒng)是穩(wěn)定的，滿足要求。

4.3 黃土碾壓填筑試驗(yàn)

圍堰填筑所需土料來源于棄料場(chǎng)，以坡積黃土為主，土料屬性為礫質(zhì)粘土。由試驗(yàn)結(jié)果可知，礫質(zhì)粘土有機(jī)含量為0.37%，屬亞硫酸鹽中型漬土，具有中等壓縮性，微透水性。物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果見表3。

為進(jìn)一步驗(yàn)證圍堰壩址地質(zhì)情況和截滲槽開挖及土料填筑截滲墻的施工可行性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工工藝試驗(yàn)。使用斗容1 m3長臂挖掘機(jī)在圍堰壩址附近河床中挖掘一底寬2 m，邊坡3∶1，深度至基巖（平均深約4.5 m），長20 m的截滲槽試驗(yàn)段。從實(shí)際揭露的地質(zhì)條件看，河床中漂卵礫石層厚2～2.5 m，結(jié)構(gòu)松散；巖體厚2～2.5 m，巖性為灰綠色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與泥巖互層夾紅褐色泥巖，巖體較為完整，以泥巖較多，砂巖較為堅(jiān)硬，泥巖較為松軟，適宜機(jī)械對(duì)截滲槽開挖施工作業(yè)。試驗(yàn)段左岸底部開挖一集水坑，用一臺(tái)80 m3/h泥漿泵抽水，從右岸一邊快速分層碾壓填筑黃土，在填筑中，采用1.5 t平板振動(dòng)碾碾壓，大面積采用18 t自行平碾碾壓，邊角相接處用蛙式打夯機(jī)打?qū)崳詈筇钪猎哟哺叱?。?組碾壓數(shù)據(jù)，干密度分別為1.843、1.840、1.842 g/cm3，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，截滲槽內(nèi)黃土碾壓質(zhì)量可以保證，可為后續(xù)施工提供一定的依據(jù)。

5 防滲施工工藝及方法

5.1 施工工藝

防滲施工流程見圖1。

圖1 防滲施工流程

5.2 主要施工方法和技術(shù)措施

5.2.1 基礎(chǔ)防滲

（1）截滲槽開挖。使用長臂挖掘機(jī)由左岸向右岸開挖，截滲槽底部開挖至基巖層，開挖深度3～4 m，槽底寬2 m，邊坡控制在3∶1。開挖過程中，配置2臺(tái)80 m3/h泥漿泵抽水，3臺(tái)100 m3/h潛水泵作為備用，人工配合機(jī)械做好槽內(nèi)排水，保證截滲槽開挖和回填土料干地施工?；A(chǔ)開挖及運(yùn)輸主要使用斗容1 m3長臂挖掘機(jī)、8～15 t自卸車和160型推土機(jī)。在圍堰上游修筑施工道路至工作面，將開挖料運(yùn)至棄料場(chǎng)?；A(chǔ)開挖完成后，由人工修整基面并將浮渣、碎石、淤泥等清理干凈。

（2）截滲槽復(fù)合土工膜鋪設(shè)及黃土填筑。復(fù)合土工膜鋪設(shè)自左岸向右岸進(jìn)行，分段橫向鋪設(shè) （相鄰膜段拼接），一次鋪滿槽底，在槽頂處分別向上下游延伸2 m富余寬度，以備上游水平鋪蓋和坡面土工膜鋪設(shè)拼接。鋪好后，其上部用裝土水泥袋鎮(zhèn)壓或包裹卵石系繩索上拉固定，每1.5 m留一褶皺，防止施工擾動(dòng)時(shí)拉裂土工膜，縱向每隔一定間距用木板、鋼架桿或裝土水泥袋鎮(zhèn)壓，防止其滑動(dòng)移位及風(fēng)吹破壞。對(duì)發(fā)現(xiàn)的孔洞用手工熱焊槍焊補(bǔ)。截滲槽內(nèi)黃土填筑自右岸向左岸進(jìn)行，用8～15 t自卸車運(yùn)至截滲槽頂部，160型推土機(jī)輔助推土，斗容1 m3長臂挖掘機(jī)挖料至槽內(nèi)并攤鋪 （人工輔助攤鋪），分層碾壓填筑黃土，逐層碾壓密實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在填筑中，工作面3 m寬范圍內(nèi)采用1.5 t平板振動(dòng)碾碾壓；工作面3～5 m寬范圍內(nèi)采用18 t自行平碾碾壓，邊角相接處用蛙式打夯機(jī)壓實(shí)，最后填筑至槽頂。

5.2.2 坡面防滲

復(fù)合土工膜施工工藝流程為：防滑齒槽開挖→坡面清理→鋪墊碾壓黃粘土→清理平整→鋪設(shè)復(fù)合土工膜→拼接→回填夯實(shí)齒槽及保護(hù)層→鋪袋裝戈壁護(hù)坡 （或塊石護(hù)坡）。

表3 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果

圍堰主體砂石料填筑至967.50 m高程后，對(duì)上游坡面按1∶2進(jìn)行人工整坡，成形后先鋪墊20 cm厚的碾壓黃土，人工平整后，在堰頂處將復(fù)合土工膜埋入防滑齒槽內(nèi)，其上部用裝土水泥袋鎮(zhèn)壓或包裹卵石系繩索上拉固定，順坡面橫向鋪設(shè)復(fù)合土工膜，每1.5 m留一褶皺，防止下滑時(shí)拉裂土工膜，縱向每隔一定間距用木板、鋼架桿或裝土水泥袋鎮(zhèn)壓，以防止其滑動(dòng)移位及風(fēng)吹破壞。在坡腳處與截水槽伸延2 m寬度的膜拼接好，土工膜接頭寬20 cm，接縫處膜材采用熱楔式雙縫自動(dòng)塑焊機(jī)焊接，對(duì)發(fā)現(xiàn)的孔洞用手工熱焊槍焊補(bǔ)，布材使用手提式縫合機(jī)縫合。

5.2.3 水平及壩肩防滲

使用160型推土機(jī)推開截滲槽上游30 m范圍河床表層淤土 （厚約60 cm），地面平整好后，鋪填20 cm厚碾壓黃土墊層，人工清理平整后，從截滲槽至上游鋪設(shè)30 m長土工膜，并與截滲墻內(nèi)向上游延伸2 m富余寬度的土工膜拼接好，膜上鋪填30 cm厚河床淤土鋪蓋并碾壓平整，然后覆蓋河床料恢復(fù)原地面。

河床截滲槽開挖時(shí)，沿槽中心線向圍堰壩肩兩岸延伸至966.50 m高程，利用長臂挖掘機(jī)剝離強(qiáng)風(fēng)化層并削坡至1∶4，開槽深1.5 m，底寬2 m，邊坡3∶1。鋪膜、填土等工序與截滲槽施工相同。右壩肩沿河床上游方向延伸20 m，以保護(hù)防止壩肩滲漏。

6 結(jié)語

圍堰工程是頭屯河水庫除險(xiǎn)加固工程的關(guān)鍵，工程于2009年8月20日開工，9月18日實(shí)現(xiàn)導(dǎo)截流，2010年6月4日拆除，運(yùn)行歷時(shí)254 d，經(jīng)受了2009年新疆60年一遇嚴(yán)寒 （室外最低溫度-38℃持續(xù)3天）和2010年春洪的考驗(yàn)，圍堰滲水量、滲透比降均小于設(shè)計(jì)允許值，運(yùn)行安全，防滲效果較好，保證了涵洞加固干地施工和冬季施工的順利實(shí)施。實(shí)踐證明，頭屯河水庫圍堰工程采用復(fù)合土工膜和黃土組合防滲技術(shù)，減小了施工難度，提高了功效，縮短了施工工期，降低了投資，具有較好的適應(yīng)性，可為類似工程提供一定的參考。

［1］馬軍.頭屯河水庫除險(xiǎn)加固工程施工導(dǎo)截流設(shè)計(jì)［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)， 2012（1）:21-22.

［2］馬軍.淺析頭屯河水庫除險(xiǎn)加固工程導(dǎo)流圍堰方案優(yōu)化［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2012， 18（3）:56-59.

［3］SL 303—2004 水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL/T 231—98 聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］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［S］.