土工膜防滲斜墻在水庫(kù)大壩防滲加固中的應(yīng)用

桂長(zhǎng)興

(中智建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 鷹潭 335000)

0 前 言

現(xiàn)階段水庫(kù)大壩防滲加固中的土工膜防滲斜墻多采用復(fù)合土工膜，因此土工膜防滲斜墻的建設(shè)必須關(guān)注鋪設(shè)方向的確定，基于實(shí)際情況的復(fù)合土工膜鋪設(shè)施工設(shè)計(jì)也需要得到重視。為保證土工膜防滲斜墻更好服務(wù)于水庫(kù)大壩防滲加固，正是文章圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 土工膜防滲斜墻的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

1.1 鋪設(shè)方向的確定原則

土工膜防滲斜墻的設(shè)計(jì)需關(guān)注土工膜的鋪設(shè)方向確定，需基于接縫最短原則、拉力大方向的接縫少原則開展設(shè)計(jì)。所謂接縫最短原則，指的是沿著壩軸線方向進(jìn)行低壩土工膜展鋪，如較長(zhǎng)、較矮的防洪堤，可由此采用較長(zhǎng)的土工膜卷材進(jìn)行展鋪施工，高壩則應(yīng)從壩頂至壩底進(jìn)行土工膜展鋪，以此保證接縫最少；需保證接縫抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到80%的母材水平，因此接縫應(yīng)盡可能避免設(shè)置在拉力大的方向，以此保證拉力大的方向與土工膜的縱向平行。以高土石壩為例，壩坡方向受力較大，因此應(yīng)沿上下方向進(jìn)行土工膜展鋪。對(duì)于地質(zhì)情況良好防洪堤或低壩，需開展針對(duì)性計(jì)算，如順坡接力較小則需要服從接縫最短原則，這種情況下可不在拉力大的方向設(shè)置接縫[1]。

1.2 具體設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

PE復(fù)合土工膜近年來廣泛應(yīng)用于土工膜防滲斜墻，具備平面排水能力優(yōu)秀、防滲性優(yōu)越等特性，但由于PE復(fù)合土工膜較薄，為避免接縫漏水或損失情況出現(xiàn)，必須開展針對(duì)性設(shè)計(jì)。以低壩為例，PE復(fù)合土工膜施工一般采用水平鋪蓋并需要針對(duì)性開挖趾板槽，對(duì)兩岸存在較厚黏性土，則需要進(jìn)行土槽開挖，一般將需將深度、寬度分別控制為1.5m與2.0m，以此在回填的黏性土內(nèi)埋設(shè)光膜曲折，為保證PE復(fù)合土工膜與黏土嚴(yán)密結(jié)合，需層層夯實(shí)。在鋪設(shè)安排過程中，豎向橫向接縫應(yīng)錯(cuò)開成T字縫，不得存在十字縫；對(duì)于壩基覆蓋層較薄的低壩，兩岸趾板槽需首先開挖，趾板底部需開挖至基巖。如土石壩上游坡鋪PE復(fù)合土工膜，需在混凝土的趾板進(jìn)行土工膜的底部澆筑，趾板槽開挖到巖基需沿壩坡底部輪廓線進(jìn)行，隨后進(jìn)行混凝土澆筑。需沿著趾板線進(jìn)行PE復(fù)合土工膜埋沒，具體埋設(shè)需從河床趾板向岸坡趾板延伸，并在趾板混凝土中澆筑留邊的光膜，一般光膜寬度應(yīng)控制在210mm左右，以此進(jìn)行曲折澆筑；壩坡面PE復(fù)合土工膜鋪設(shè)需關(guān)注錨固槽或趾板的開挖完成情況，以此縱向順著趾板或錨固槽走向進(jìn)行PE復(fù)合土工膜留邊光膜的澆埋，基于錨固槽內(nèi)或混凝土內(nèi)完成澆埋施工。為與壩中央復(fù)合土工膜進(jìn)行拼接，需露出半邊，并隨之檢查壩面土石料是否存在大塊尖棱石、密實(shí)平整情況，通過檢查后方可進(jìn)行PE復(fù)合土工膜的鋪設(shè)，基于實(shí)際情況的PE復(fù)合土工膜裁減也不容忽視，以此更好滿足膠接和焊接需要，溫度收縮及壩體變形帶來的影響也需要同時(shí)得到重視。完成鋪設(shè)與拼接后，護(hù)坡應(yīng)在48h內(nèi)完成，必要情況下可通過遮蓋保護(hù)施工質(zhì)量，作業(yè)和檢查人員必須穿著軟底鞋且不得抽煙[2]。

2 土工膜防滲斜墻在水庫(kù)大壩防滲加固中的具體應(yīng)用

2.1 工程概況

以江西省某灌溉為主的小(2)型平原注入式水庫(kù)作為研究對(duì)象，水庫(kù)主要負(fù)責(zé)調(diào)蓄水源，無(wú)防洪任務(wù)。在2019年的水庫(kù)大壩評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)確定水庫(kù)屬三類壩，存在較大的滲漏量，需要對(duì)庫(kù)盤、壩體進(jìn)行防滲加固、培厚加高。在壩體防滲方案的選擇中，由于水庫(kù)大壩屬于典型的土石壩，需嚴(yán)格遵循“排、壓、截”的壩體防滲處理原則，因此初步得出了兩種水庫(kù)大壩防滲加固方案。方案一，設(shè)置一定厚度的防滲斜墻于原壩體上游位置，上游設(shè)置的防滲斜墻可采用黏性土、瀝青混凝土、土工膜作為采用，具備施工方便、后期維修簡(jiǎn)單、質(zhì)量較高優(yōu)點(diǎn)的防滲斜墻可滿足防滲加固需要。方案二，設(shè)計(jì)一層水平鋪蓋于原壩體上游壩坡上，選擇混凝土板、混凝土澆筑層等作為鋪蓋材料，水平鋪蓋具備工期短、施工速度快、防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)，同樣可較好滿足防滲加固需要，但由于鋪蓋面積較大，該方案的成本也較高。綜合對(duì)比，考慮到兩個(gè)方案在后期維護(hù)和施工難度方面相差不大，最終選擇了方案一進(jìn)行水庫(kù)大壩防滲加固，相較于方案二，方案一可實(shí)現(xiàn)15%的投資成本降低，因此工程最終設(shè)置土工膜防滲斜墻于原壩體上游位置，采用PE復(fù)合土工膜作為防滲斜墻材料，具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 PE復(fù)合土工膜技術(shù)指標(biāo)

2.2 土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，水庫(kù)大壩土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從下至上分別為：中細(xì)砂下墊層→復(fù)合土工膜→中細(xì)砂上墊層→砂礫石→干砌卵石。具體設(shè)計(jì)需首先計(jì)算防滲斜墻各結(jié)構(gòu)厚度，各砂石層厚度設(shè)計(jì)墊層主要負(fù)責(zé)防治壩體內(nèi)部沖蝕、平整壩面、保護(hù)土工膜完整性，基于類似工程設(shè)計(jì)，文章研究水庫(kù)大壩土工膜防滲斜墻設(shè)計(jì)采用300mm-500mm厚度的細(xì)砂墊層，細(xì)砂的粒徑范圍控制在細(xì)砂墊層區(qū)間。選用250-500mm厚度的干砌卵石層，卵石含量控制在70%以上，卵石直徑控制在2-5cm區(qū)間，采用中細(xì)砂充填孔隙。采用200-300mm厚度的砂礫石層；為保證土工膜防滲斜墻各部分功能充分發(fā)揮，還應(yīng)針對(duì)性計(jì)算復(fù)合土工膜厚度，復(fù)合土工膜滲透量、所需厚度等參數(shù)的精確計(jì)算極為關(guān)鍵，文章研究工程的相關(guān)計(jì)算采用薄膜理論公式和蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式，具體公式如下：

(1)

(2)

式中：T、P、d、h、ε分別為土工膜厚度、水壓力、土粒直徑、撓度、土工膜抗拉應(yīng)變，由此，工程最終選擇了0.3mm厚度的PE復(fù)合土工膜[3]。

為保證PE復(fù)合土工膜更好服務(wù)于水庫(kù)大壩土工膜防滲斜墻建設(shè)，還需要針對(duì)性開展土工膜頂端錨固形式及受力設(shè)計(jì)。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合土工膜需要在工程中設(shè)置于壩體上游，且時(shí)刻受到壩體沉降、水壓力影響，如出現(xiàn)超過極限值的應(yīng)力變形，PE復(fù)合土工膜便會(huì)撕裂，這將導(dǎo)致土工膜防滲斜墻的防滲性能大幅下降。基于同類工程經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力變形直接受到壩頂處土工膜錨固形式影響，現(xiàn)階段埋固和剛性錨固屬于主要的土工膜錨固形式，因此需重點(diǎn)分析、優(yōu)選錨固形式，為模擬PE復(fù)合土工膜的應(yīng)力應(yīng)變值，工程采用了ABAQUS軟件，由此得出了表2所示的模擬參數(shù)。

表2 模擬參數(shù)

開展針對(duì)性的土工膜剛性錨固形式分析可以發(fā)現(xiàn)，在防浪墻設(shè)置于壩頂時(shí)，可在剛性防浪墻底部或之上錨固PE復(fù)合土工膜，足夠結(jié)合長(zhǎng)度的預(yù)留也不容忽視?；趫D1所示的土工膜剛性錨固形式最大主應(yīng)變分布可以發(fā)現(xiàn)，該圖對(duì)錨固于防浪墻底部及面上的PE復(fù)合土工膜在水庫(kù)滿蓄期的最大主應(yīng)變分布線進(jìn)行了模擬，結(jié)合模擬可發(fā)現(xiàn)PE復(fù)合土工膜的最大應(yīng)變值、最大應(yīng)力值分別為0.22%、0.025MPa。

圖1 最大主應(yīng)變分布

進(jìn)一步分析土工膜埋固形式可以發(fā)現(xiàn)，如未設(shè)置防浪墻于壩頂，為保證PE復(fù)合土工膜頂部錨固牢固性，需在壩頂?shù)腻^固溝內(nèi)埋置PE復(fù)合土工膜，這里存在“U”型和“V”型兩種錨固溝形式。圍繞“U”型和“V”型錨固溝內(nèi)PE復(fù)合土工膜水庫(kù)滿蓄期最大主應(yīng)變進(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn)，“U”型、“V”型錨固溝PE復(fù)合土工膜的最大應(yīng)力值分別為0.009MPa、0.025MPa，最大應(yīng)變值分別為0.08%、0.17%。開展針對(duì)性對(duì)比分析可以確定，“U”型錨固溝埋置PE復(fù)合土工膜存在最小的最大應(yīng)力數(shù)值及最大應(yīng)變，PE復(fù)合土工膜錨固于防浪墻上則會(huì)承受最大的應(yīng)力及應(yīng)變值。考慮到工程大壩高程實(shí)際，由于不需要設(shè)置防浪墻，工程最終選擇了“U”型錨固溝形式進(jìn)行PE復(fù)合土工膜錨固。

2.3 土工膜、中細(xì)砂墊層鋪設(shè)施工要點(diǎn)

PE復(fù)合土工膜的鋪設(shè)屬于水庫(kù)大壩土工膜防滲斜墻施工的重要環(huán)節(jié)，施工過程中采用1∶1.5坡度進(jìn)行上游壩坡平整處理，需同時(shí)保證人工碾壓密實(shí)，平整度、碾壓相對(duì)密度需分別控制在5cm內(nèi)、0.7及以上。隨后開展的中細(xì)砂墊層鋪設(shè)需從下至上進(jìn)行，最初的鋪設(shè)厚度為500mm，隨后逐漸減小，最終降至300mm。為保證鋪設(shè)施工效率，施工過程中需首先采用LB-2膠水黏結(jié)兩幅PE復(fù)合土工膜，采用最窄10cm的黏結(jié)寬度及0.6mm的涂抹膠水厚度，還需要加黏寬8cm土工膜于接縫處，以此更好保證PE復(fù)合土工膜防滲性能。PE復(fù)合土工膜的具體鋪設(shè)施工需在接縫處打褶，采用20-25cm的褶皺寬度，如處于槽口等位置，則需要采用低于50cm的褶皺寬度，以此沿壩軸方向保證整個(gè)土工膜呈寬松狀態(tài)?；赑E復(fù)合土工膜特定，施工采用2PH-213型號(hào)的熱焊接機(jī)焊接，焊接前需對(duì)土工膜焊接位置進(jìn)行人工清理并保證鋪設(shè)平整，具體焊接過程則需要對(duì)行走速度和溫度進(jìn)行控制，需基于1.5-2.0m/min的行走速度、250℃-320℃的焊接溫度進(jìn)行施工。還應(yīng)做好正式施工前的試驗(yàn)工作，施工的正式開始必須保證各項(xiàng)參數(shù)合理；中細(xì)砂墊層鋪設(shè)施工需首先篩除>5mm粒徑的粗顆粒，以此從上游坡面最低點(diǎn)進(jìn)行鋪設(shè)施工，基于300-500mm的墊層厚度，施工未采用分層鋪設(shè)，而是保證一次鋪設(shè)至規(guī)定厚度。在基于木板進(jìn)行墊層刮平處理后，為保證中細(xì)砂墊層達(dá)到設(shè)計(jì)干容重，還需要針對(duì)性進(jìn)行灑水處理，PE復(fù)合土工膜的鋪設(shè)需在下墊層鋪設(shè)幅寬超過4m后進(jìn)行。PE復(fù)合土工膜之上仍為中細(xì)砂墊層，因此需開展同樣的施工，具體施工過程的人工墊層夯實(shí)也不得忽視，不得使用機(jī)械，避免出現(xiàn)PE復(fù)合土工膜損壞問題。

3 結(jié) 論

綜上所述，土工膜防滲斜墻可較好服務(wù)于水庫(kù)大壩防滲加固。在此基礎(chǔ)上，文章涉及的土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土工膜與中細(xì)砂墊層鋪設(shè)施工要點(diǎn)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的土工膜防滲斜墻施工路徑。為更好保證水庫(kù)大壩防滲加固效果，土工膜防滲斜墻施工必須結(jié)合水文條件、地質(zhì)條件、工程實(shí)際針對(duì)性開展，土工膜防滲斜墻的設(shè)計(jì)與施工、錨固及黏結(jié)方式的合理選擇也不容忽視。