針刺法鈉基膨潤土防水毯在塘壩工程中的應(yīng)用

劉紅艷

(德州市陵城區(qū)禹興水利建筑工程有限公司，山東 德州 253500)

1 引言

水庫滲漏問題是制約水庫各項效益的一個重要因素[1-3]。針對這類型水庫采取防滲加固治理是十分必要的[4-6]。以曹家塘壩為例，對大壩防滲加固工程進(jìn)行分析。

曹家塘壩，位于鄒平市西董鎮(zhèn)任家峪村附近，攔河而建，始建于1977年，流域面積1.93 km2，干流長度1.799 km。曹家塘壩工程規(guī)模為小(2)型，水庫死庫容為0.34×104m3，興利庫容1.29×104m3。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，相應(yīng)庫容2.82×104m3；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，相應(yīng)庫容3.14×104m3。經(jīng)過滲流復(fù)核，曹家塘壩目前主要存在以下問題：壩體、壩基滲透系數(shù)較高，出逸比降、大壩滲漏量較大，不滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2 防滲加固方案比選

2.1 地質(zhì)條件

2.1.1 庫區(qū)工程地質(zhì)

壩址區(qū)地處河谷地貌，河谷底部高程一般在225.0 m～242.0 m，巖性以卵石、碎石土為主。由于地形坡降較大，河流源短流急，漫灘、階地不發(fā)育，河谷地貌主要由河床組成，河床寬約30.0 m～40.0 m，河床巖性主要由沖積洪積的卵石及下伏的碎石土組成。

2.1.2 壩基工程地質(zhì)

②-1層黃土狀土(Q3alp)：黃褐色、硬塑，孔隙發(fā)育，含鈣質(zhì)結(jié)核，白色鈣質(zhì)條紋，含少量砂粒、礫石。根據(jù)室內(nèi)試驗，該層黃土狀壤土濕陷系數(shù)δs為0.008～0.070，具輕微～中等濕陷性，濕陷起始壓力為4 kPa～44 kPa，其濕陷系數(shù)、濕陷起始壓力隨深度變化無明顯規(guī)律，為非自重濕陷性黃土。作為夾層分布于②層碎石土中。

②層碎石土(Q3alp)：雜色，中密，稍濕～飽和，直徑一般6.0 cm～20.0 cm，磨圓度一般，局部碎石已風(fēng)化。碎石含量一般30%～50%，局部高達(dá)70%。母巖巖性以安山巖、玄武巖為主。整個壩基均有分布，層厚14.9 m～26.90 m，層底高程209.09 m～214.09 m。動力觸探擊數(shù)16～20擊。

壩基及庫岸分布地層均為②層碎石土及②-1層黃土狀土，根據(jù)現(xiàn)場注水試驗資料其滲透系數(shù)為2.55×10-4cm/s～5.88×10-4cm/s，壩后河床抽水試驗其滲透系數(shù)為1.65×10-4cm/s，平均值3.48×10-4cm/s，大致平均值為5.07×10-4cm/s，具中等透水性，塘壩壩基及庫岸存在一定的滲漏問題。

2.2 截滲方案分析

通過前述地質(zhì)分析，塘壩庫區(qū)及壩基均存在滲漏問題，需采取經(jīng)濟(jì)合理的截滲方案處理。壩基防滲方案分兩大類：一類是垂直截滲，一類是水平防滲。

2.2.1 方案一：垂直截滲方案

垂直截滲的方法較多，主要有垂直鋪膜、深層攪拌樁、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、振動切槽防滲板墻等。按防滲體形成原理不同，可分為防滲材料置換式和介入式。置換式是指利用防滲材料代替原狀地基材料，如薄混凝土防滲墻、振動切槽防滲板墻、垂直鋪塑等，一般需采取機(jī)械成槽后，再施工防滲體。介入式是指采用防滲材料對原狀地基直接改良使之具備防滲功能，如高噴板墻、深層攪拌樁等。

垂直鋪塑方案：適用于防滲深度一般不大于12 m，根據(jù)本工程的截滲深度及技術(shù)要求以及國內(nèi)類似工程施工經(jīng)驗，垂直鋪塑方案不適用本工程。

深層攪拌方案：深層攪拌法防滲墻屬于介入式防滲技術(shù)，利用水泥做為固化劑，通過深層攪拌機(jī)械，在堤身內(nèi)部將軟土強(qiáng)制攪拌后，由水泥和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土改性硬化成具有整體性、低滲透性和一定強(qiáng)度的水泥土攪拌樁，由水泥土攪拌樁多樁切割搭接形成連續(xù)密實的墻體，即水泥土攪拌樁防滲墻。

高壓噴射灌漿防滲墻方案，適用范圍較廣，但易出現(xiàn)開叉、搭接不嚴(yán)等現(xiàn)象，對不同土層的施工工藝參數(shù)難以把握，施工質(zhì)量可控性差，無統(tǒng)一的設(shè)計、施工規(guī)范可遵循，本工程不宜采用。

混凝土防滲墻方案，成墻完整連續(xù)，質(zhì)量有保證，防滲效果較好，有豐富成熟的施工經(jīng)驗，其滲透系數(shù)小于10-7cm/s，缺點是需要優(yōu)質(zhì)泥漿固壁，如遇流砂需加強(qiáng)施工管理，工程造價較高。

振動切槽防滲板墻澆筑砂漿時無導(dǎo)管，是在水中澆筑砂漿，澆筑過程中與水振動混合，在地上水庫圍壩中應(yīng)用較少。

結(jié)合本工程情況，比選方案一設(shè)計如下：

壩坡采用復(fù)合土工膜(兩布一膜)，自上而下分別為：混凝土預(yù)制塊護(hù)坡厚0.12 m、碎石墊層厚0.1 m、復(fù)合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂墊層厚0.1 m。

壩基采用混凝土防滲墻(墻厚0.4 m)截滲，截滲深度為壩基以下24 m，深入基巖1 m。

2.2.2 方案二：水平防滲方案

近幾年，由于庫底鋪土工織物防滲體工藝節(jié)省投資、施工方便，已在南水北調(diào)工程及其他平原水庫防滲工程中大面積應(yīng)用。

復(fù)合土工膜具有強(qiáng)度高，延伸性能較好，變形模量大，耐酸堿、抗腐蝕，耐老化，防滲性能好等優(yōu)點，但對施工技術(shù)要求較高，且山區(qū)型水庫地下水位變幅較大，采用復(fù)合土工膜截滲，庫區(qū)土工膜截滲體發(fā)生氣脹、水脹的幾率大，需采取增設(shè)膜下排水排氣層、增設(shè)逆止閥等排滲措施，不推薦采用。

鈉基膨潤土防水毯是一種新型防滲土工合成材料，主要分為針刺法鈉基膨潤土防水毯、針刺覆膜法鈉基膨潤土防水毯和膠粘法鈉基膨潤土防水毯。

針刺法鈉基膨潤土防水毯(GCL-NP)是由兩層土工布包裹的鈉基膨潤土顆粒形成的毯狀防滲材料(圖1)，主要具有以下特點。

圖1 針刺法鈉基膨潤土防水毯(GCL-NP)構(gòu)造

1)施工簡便，工期短：和其他防水材料比較，施工相對比較簡單，不需要加熱和粘貼，只需用膨潤土粉末和釘子、墊圈等進(jìn)行連接和固定。施工后不需要特別的檢查，如果發(fā)現(xiàn)防水缺陷也容易維修，施工工期是現(xiàn)有防水材料中最短的。

2)耐久性好：鈉基膨潤土是天然無機(jī)材料，即使經(jīng)過很長時間或周圍環(huán)境發(fā)生變化，也不會發(fā)生老化或腐蝕現(xiàn)象，化學(xué)穩(wěn)定性及抗老化能力優(yōu)于有機(jī)防水材料。

3)綠色環(huán)保：膨潤土為天然無機(jī)材料，對人體無害無毒，對環(huán)境沒有特別的影響，具有良好的環(huán)保性能。

結(jié)合本工程情況，比選方案二設(shè)計如下：

庫底采用針刺法鈉基膨潤土防水毯防滲，自上而下分別為：覆土厚0.4 m、4000 g/m2針刺法鈉基膨潤土防水毯(GCL-NP)、庫底土按要求碾壓。

水庫邊坡采用針刺法鈉基膨潤土防水毯防滲，自上而下分別為：混凝土預(yù)制塊護(hù)坡厚0.12 m，碎石墊層厚0.1 m，4000 g/m2針刺法鈉基膨潤土防水毯(GCL-NP)。

壩坡采用復(fù)合土工膜(兩布一膜)防滲，自上而下分別為：混凝土預(yù)制塊護(hù)坡厚0.12 m、碎石墊層厚0.1 m、復(fù)合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂墊層厚0.1 m。

2.3 防滲加固方案比選

通過計算，兩種防滲方案處理后水庫滲漏量及投資對比見表1。

表1 不同防滲型式總滲流量計算成果對比表 單位：m3/(m·d)

經(jīng)初步估算，水平防滲方案投資約133萬元，垂直截滲方案投資約217萬元。

經(jīng)比較，水平防滲方案在防滲效果及節(jié)省投資上均優(yōu)于垂直截滲方案。綜合考慮工程成本及防滲效果，確定曹家塘壩采用的截滲方式為水平防滲方案。

庫底采用針刺法鈉基膨潤土防水毯防滲，自上而下分別為：覆土厚0.4 m、4000 g/m2針刺法鈉基膨潤土防水毯(GCL-NP)、庫底土按要求碾壓。

水庫邊坡采用針刺法鈉基膨潤土防水毯防滲，自上而下分別為：混凝土預(yù)制塊護(hù)坡厚0.12 m，碎石墊層厚0.1 m，4000 g/m2針刺法鈉基膨潤土防水毯(GCL-NP)。

壩坡采用復(fù)合土工膜(兩布一膜)，自上而下分別為：混凝土預(yù)制塊護(hù)坡厚0.12 m、碎石墊層厚0.1 m、復(fù)合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂墊層厚0.1 m。

3 結(jié)論

由于曹家塘壩的建設(shè)年代較早，受當(dāng)時經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，存在著較多安全隱患，通過安全復(fù)核，大壩現(xiàn)狀滲流計算結(jié)果不滿足相關(guān)規(guī)范要求，亟需采取防滲加固措施。結(jié)合庫區(qū)工程地質(zhì)條件和鄰近地區(qū)工程經(jīng)驗，選取水平、垂直兩種截滲方案進(jìn)行比選。通過對比，水平截滲方案中針刺法鈉基膨潤土防水毯(GCL-NP)作為一種新型防滲土工合成材料，具有投資低、施工簡便、耐久性好、綠色環(huán)保等特點，作為曹家塘壩截滲方案，可為類似工程提供參考。