垂直鋪塑技術(shù)在水庫(kù)大壩防滲加固中的應(yīng)用

朱芳芳

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 847000)

0 引 言

由于受限于資金、技術(shù)等原因，各類(lèi)型年代較久遠(yuǎn)水庫(kù)防滲加固工程是目前我國(guó)眾多地區(qū)面臨的水利治理難題之一，且數(shù)目巨大，因此必須探索防滲效果好、成本低、技術(shù)門(mén)檻較低的加固技術(shù)，這就使得垂直塑膜防滲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 工程概況

蘇庫(kù)恰克水庫(kù)位于葉爾羌河西岸中游灌區(qū)，系灌注式平原水庫(kù)，主要建筑物由主壩、副壩、放水閘、放水渠、庫(kù)外渠、排水渠等組成，屬Ⅱ等大(2)型工程。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容1.6億m3，東西壩長(zhǎng)21.4km，最大壩高7.7m。蘇庫(kù)恰克水庫(kù)于1985年投入使用，平均年調(diào)水可達(dá)1.3億m3，控制灌溉面積超過(guò)7.27萬(wàn)hm2，產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)效益。在2016年中旬，相關(guān)部門(mén)監(jiān)測(cè)出蘇庫(kù)恰克水庫(kù)壩體存在滲漏問(wèn)題，滲透系數(shù)達(dá)到3.0×10-3cm/s，需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固措施。

2 垂直鋪塑技術(shù)設(shè)計(jì)分析

2.1 塑料薄膜基本參數(shù)設(shè)計(jì)

1)薄膜力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)：

塑料薄膜的隔水性、經(jīng)濟(jì)性、一定程度變形能力均較好，因此是理想的防滲材料。目前水利工程中常用的塑料薄膜為兩種：聚氯乙烯、聚乙烯，其中后者更耐老化，壽命更長(zhǎng)，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選用聚乙烯薄膜，主要力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)下表1所示[1]。

表1 聚乙烯薄膜力學(xué)指標(biāo)

2)薄膜厚度設(shè)計(jì)：

在此應(yīng)用薄膜理論公式來(lái)計(jì)算其厚度t，具體見(jiàn)(2-1)所示[2]。當(dāng)應(yīng)變系數(shù)T<5時(shí)，說(shuō)明薄膜厚度太小，可能被撕裂；當(dāng)T≥5時(shí)，說(shuō)明厚度合適。經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目所用薄膜厚度不得低于0.16mm，因此最終選取0.18mm。

T=0.122·Pt·α·ε-0.5

(1)

式中：T為薄膜應(yīng)變系數(shù)；P為薄膜承受的水壓力，kPa；α為薄膜允許最大拉應(yīng)力，kg/cm2；ε為正方形孔隙邊長(zhǎng)，m。

3)鋪塑位置設(shè)計(jì)：

防滲體的防滲效果除了和結(jié)構(gòu)、材料等有關(guān)外，還和鋪設(shè)位置緊密聯(lián)系。在此本項(xiàng)目采用試驗(yàn)法來(lái)確定最佳鋪塑位置。

經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察：蘇庫(kù)恰克水庫(kù)大壩壩體壩基深度4.0m以下范圍為亞黏土和黏土，滲透系數(shù)為2.0×10-7cm/s，可看作是不透水層。鋪塑位置設(shè)計(jì)為以下兩個(gè)方案：①壩腳垂直鋪塑；②壩腳垂直+壩面平鋪，見(jiàn)下圖1[3]。

圖1 壩腳垂直鋪塑(左) 壩腳垂直+壩面平鋪(右)

經(jīng)過(guò)對(duì)比：方案①相對(duì)于無(wú)任何鋪塑處理來(lái)說(shuō)，防滲效果較差，僅能減少滲流量的32%-35%；方案②相對(duì)于無(wú)任何鋪塑處理來(lái)說(shuō)，防滲效果良好，可減少滲流量的70%以上。因此本項(xiàng)目選擇方案②作為最終鋪塑位置。

2.2 開(kāi)溝造槽機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

垂直鋪塑技術(shù)的核心工作就是能否開(kāi)挖出連續(xù)、規(guī)則、尺寸合理的溝槽，而開(kāi)溝造槽機(jī)則是專(zhuān)用設(shè)備，按照機(jī)型不同，一共可分為三大類(lèi)：往復(fù)式、刮板式、旋轉(zhuǎn)式，這三類(lèi)開(kāi)溝造槽機(jī)均能滿足黏土、砂礫石地層的開(kāi)溝造槽工作，但應(yīng)用最為廣泛的是刮板式，因此本項(xiàng)目選用該形式造槽機(jī)，主要結(jié)構(gòu)如下：

2.2.1 破土開(kāi)溝結(jié)構(gòu)

面向5G的承載網(wǎng)需求及關(guān)鍵技術(shù) ……………………………………………………師嚴(yán)，王光全，王海軍 24-1-17

刮板式開(kāi)槽機(jī)由鏈架、鏈條、刮刀、輪子、吸砂裝置等組成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。破土開(kāi)溝結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)：一個(gè)是利用刮刀將土塊粒刮下并由鏈條帶至地面；另外是利用吸砂裝置將細(xì)粒砂土吸出，主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

1)鏈架優(yōu)化設(shè)計(jì)：

刮板式開(kāi)槽機(jī)鏈架+鏈條自重較大，而且鏈條搖晃、抖動(dòng)比較嚴(yán)重，導(dǎo)致輸砂效率較低。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)將鏈架靠近工作面一側(cè)做成魚(yú)腹形狀，可適應(yīng)鏈條自然垂度，這一小小改進(jìn)使鏈條受力更加均勻，輸砂效率提高[5]。

2)刮刀設(shè)計(jì)：

刮刀作用包括破土和運(yùn)土，其中坡破土刮刀長(zhǎng)度比運(yùn)土刮刀長(zhǎng)3cm左右，直立于刀板之上，其間距根據(jù)開(kāi)槽卵礫石粒徑、含量確定，在一定程度下間距越小，破土能力越強(qiáng)；運(yùn)土刮刀一半高度設(shè)計(jì)直立于刮板，另一半存在一定曲率，更適合固定砂土，運(yùn)土刮刀并不是間距越小越好，經(jīng)測(cè)定本項(xiàng)目最適合間距為0.5m。

2.2.2 吸砂裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高開(kāi)溝效率，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在鏈架空腔位置多安裝了幾個(gè)喇叭形吸口，利用射流泵將小粒徑砂石加工呈糊狀并吸出，效果良好。本項(xiàng)目所用刮板式開(kāi)溝機(jī)其最大開(kāi)溝深度可達(dá)12m，開(kāi)溝速度3-5m/h，開(kāi)溝寬度15-30cm[6]。

圖2 刮板式開(kāi)溝造槽機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 垂直鋪塑技術(shù)應(yīng)用施工分析

3.1 開(kāi)溝造槽施工分析

1)場(chǎng)地及機(jī)械準(zhǔn)備：

由于開(kāi)槽機(jī)整體結(jié)構(gòu)為剛性，因此若受力不均容易造成臂桿彎曲、塌槽等問(wèn)題，所以對(duì)施工場(chǎng)地的平整度、堅(jiān)實(shí)度要求較高。本項(xiàng)目要求開(kāi)槽機(jī)2m范圍內(nèi)均通過(guò)人工整平壓實(shí)，必要地段鋪設(shè)一層鐵板。此外，要求開(kāi)工前檢查開(kāi)槽機(jī)各部件(尤其是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)添加部件)是否焊接牢固，環(huán)向焊縫貼焊加強(qiáng)板。

2)槽壁穩(wěn)定措施：

塌槽是最常見(jiàn)的施工問(wèn)題，為了保證槽壁穩(wěn)定，常用方法是采用較多的泥漿護(hù)壁，即在開(kāi)槽時(shí)，向槽內(nèi)灌注一定比重泥漿，起到支撐作用。泥漿比重目前沒(méi)有明確的計(jì)算公式，且根據(jù)溝槽深度不同，泥漿比重也需要實(shí)時(shí)調(diào)整。本項(xiàng)目采用(3-1)經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，具體得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)下表2所示[7]。

(2)

式中：F為安全系數(shù)，取值2；r為砂土容重，g/cm3；r1為泥漿比重，g/cm3；φ為砂土內(nèi)摩擦角，°。

表2 不同深度溝槽泥漿比重適合值

3.2 塑膜鋪設(shè)施工分析

1)塑膜鋪設(shè)裝置位于開(kāi)槽機(jī)后部，當(dāng)開(kāi)槽深度到達(dá)設(shè)計(jì)值后便開(kāi)始鋪膜施工。本項(xiàng)目鋪膜方式為垂直鋪膜，要求兩幅膜之間搭接寬度≥1.5m，上部預(yù)留寬度≥0.5m。塑膜深度控制要求達(dá)標(biāo)，每隔50m寬度探測(cè)1次。

2)一捆塑膜鋪設(shè)完畢后，與下一捆塑膜采用雙線縫合形式連接，要求重疊寬度≥20cm，縫線連續(xù)、均勻。

3)回填溝槽時(shí)要求使用粉質(zhì)土，不得含有雜質(zhì)、土塊等，并且要求粉質(zhì)土自然落槽，不得進(jìn)行人工振搗，經(jīng)過(guò)7d后再進(jìn)行補(bǔ)填。

3.3 垂直鋪塑防滲效果檢測(cè)分析

為了檢測(cè)鋪塑防滲效果，在滲漏點(diǎn)較嚴(yán)重?cái)嗝嬖O(shè)置了測(cè)壓管，根據(jù)測(cè)壓管水位變化可間接測(cè)出防滲效果，具體對(duì)比如表3所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知：鋪膜后測(cè)壓管水位普遍降低1.2m以上，有效減小了水頭，而且滲漏量降低至1.6×10-5cm/s，滿足規(guī)范要求。

表3 鋪膜前后測(cè)壓管水位變化 m

4 結(jié) 語(yǔ)

垂直鋪塑防滲技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)防滲墻結(jié)構(gòu)，其成本僅為后者的1/5左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且施工簡(jiǎn)單，特別適合一些高度低、規(guī)模小、平原型等中小型水庫(kù)壩體、河堤、垃圾填埋場(chǎng)的防滲加固工程。蘇庫(kù)恰克水庫(kù)大壩經(jīng)過(guò)本次防滲加固后，滲漏量顯著降低，且隨著填土充分吸收水分后，必然還會(huì)進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)體防滲性，因此該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。