復(fù)合土工膜防滲斜墻在碾壓土石壩工程中的應(yīng)用與質(zhì)量控制

摘 要：碾壓土石壩因其技術(shù)簡單、取材方便等特點，常作為礦山開采水利工程設(shè)施的流行壩型，為避免有色金屬滲漏導(dǎo)致水源污染和生態(tài)破壞的潛在風(fēng)險，采取有效的防滲措施對于水壩的設(shè)計與施工至關(guān)重要。旨在探討復(fù)合土工膜防滲斜墻解決方案，通過多層次結(jié)構(gòu)的組合，包括長絲無紡?fù)凉げ?、雙糙面HDPE膜、鈉基膨潤土毯等，形成可靠的防滲屏障，錨固于壩腳30 m外的截滲齒槽中，通過與土體的緊密結(jié)合，成功構(gòu)建有效的防滲系統(tǒng)，以期為類似礦山建設(shè)水利工程設(shè)施的設(shè)計與施工提供有益的經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)合土工膜 防滲斜墻 碾壓土石壩 質(zhì)量控制 礦山建設(shè)

中圖分類號：TU753

Application and Quality Control of Composite Geotextile Mmembrane Anti-Seepage Protection InclinedSloping Wallsin RollerdCompacted Earth and RockFill Dam Engineering and ItsQuality Control

LI Guangchun

Overseas Branch， Sichuan Highway and Bridge Construction Group Co.， Ltd. Overseas Branch，Chengdu， Sichuan Province， 610041 China

Abstract： Due to its simple technology and convenient material selection， arollerdcompacted earth and rockfill damis are often used as a popular dam types for mining and water conservancy engineering facilities in mining. In order tTo avoid the potential risks of the water source pollution and ecological damage caused bythe leakage of non-ferrous metal leakage， it is crucial to take effective anti-seepage measures for the design and construction of dams. This paper Aaims to explore the solution of thecomposite geomembrane anti-seepageprotectioninclinedsloping wall， which. formsaA reliable anti-seepage barrier isformed through the combination of multi-level structures， i0119534e6124541ca4efd8ea00a54761ncluding long filament non-woven geotextile， double-rough surface HDPE film， the sodium-based bentoniticeblanketclay liner， etc.， which is It is anchored in the anti-seepage tooth groovesocket 30 meters away from the dam foot. Throughand closely integrationed with the soilmass to successfully construct， an effective anti-seepage system is successfully constructed， so as to provideing useful experience and reference for the design and construction of similar mining water conservancy engineering facilities in similar mine construction.

Key Words： Composite geomembrane; Anti sSeepageprotectioninclinedsloping wall; Rolledingearth and rockfill dams; Quality control; Mine construction

隨著水資源管理的日益重要，水壩作為礦山建設(shè)關(guān)鍵的水利工程設(shè)施，其安全性、穩(wěn)定性成為保障社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的不可或缺的因素。厄立特里亞阿斯馬拉銅金多金屬礦工程埃巴多哈礦區(qū)新建水庫庫容329萬m3，水壩壩高20 m，壩頂寬10 m，迎水面坡比1∶3，背水面坡比1∶2.5，壩軸線長563.82 m，因其較大規(guī)模和對選礦廠供水的重要性，對其防滲工程提出了較高要求。在這一背景下，設(shè)計和建設(shè)有效的防滲系統(tǒng)成為確保水壩長期安全運(yùn)行的迫切需求。

1 復(fù)合土工膜防滲斜墻概述

碾壓土石壩的防滲層布置有多種形式，國際上普遍采用防滲斜墻、防滲心墻和斜心墻這3種布置形式，防滲斜墻主要鋪設(shè)在壩體上游面，其具有可在壩體填筑全部完成后進(jìn)行和能較好適應(yīng)坡面變形等優(yōu)點。防滲層的組成材料常使用黏土、混凝土和復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜是一種由多層高分子材料組成的防滲結(jié)構(gòu)，此復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗?jié)B性、機(jī)械強(qiáng)度和耐化學(xué)侵蝕性能。

2 復(fù)合土工膜防滲斜墻的應(yīng)用

2.1 防滲斜墻結(jié)構(gòu)

防滲斜墻的設(shè)計和施工直接關(guān)系到水壩的防滲性和整體穩(wěn)定性，復(fù)合土工膜在防滲斜墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用旨在提高壩體的抗?jié)B性。厄立特里亞阿斯馬拉銅金多金屬礦工程采用的復(fù)合土工膜防滲斜墻從下往上依次由細(xì)粒土過渡層、500 g/㎡長絲無紡?fù)凉げ肌?.5 mm雙糙面HDPE土工膜、4 800 g/㎡鈉基膨潤土毯、砂礫料反濾層、干砌塊石護(hù)坡組成，詳細(xì)敘述如下。

第一，0.5m厚的細(xì)粒土過渡層設(shè)置在壩體坡面上，旨在隔離壩體坡面，使其成為穩(wěn)定界面，保護(hù)上層復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)不受壩體石料劃傷、刺穿導(dǎo)致?lián)p壞。

第二，500 g/㎡的長絲無紡?fù)凉げ?，作為?fù)合土工膜的最下層，鋪設(shè)在過渡層上，將坡面荷載分散到不同部位，降低應(yīng)力集中，以減少過渡層不均勻沉降，并與其結(jié)合在一起進(jìn)行加固，以提高過渡層結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。土工布位于細(xì)粒土層和土工膜中間，可形成排水通道，收集間隙水沿坡面排出，避免膜下積水造成土工膜的局部拱起和變形。土工膜下鋪設(shè)土工布還用以增強(qiáng)土工膜的機(jī)械強(qiáng)度，提高其抗拉伸能力，有效減緩?fù)凉つけ砻娴膿p耗，提高其在復(fù)雜地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性。

第三，復(fù)合土工膜的核心層，采用了1.5 mm厚的雙糙面HDPE土工膜，具有卓越的抗?jié)B性能，其被嵌入水壩壩坡結(jié)構(gòu)的多層填筑材料之中形成高效的防滲屏障，有效地隔離水體與壩體，形成一道堅固的防水墻[1]。這一層結(jié)構(gòu)不僅有效地防止水分的滲透，還通過其高度柔韌性適應(yīng)壩體的變形，確保整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。其雙糙面的特性，極大增加了其與上層鈉基膨潤土毯和下層長絲無紡?fù)凉げ嫉哪Σ亮?，確保了復(fù)合土工膜的整體性。

第四，4 800 g/㎡的鈉基膨潤土毯，作為復(fù)合土工膜的最上層，鋪設(shè)在土工膜上方，在水壓狀態(tài)下形成高密度橫膈膜，其黏性高、濾失量低、不易老化和腐蝕，有助于減緩水分滲透速度，保障土工膜的長期防滲效果。其位于砂礫料反濾層下方，起到隔離保護(hù)作用，避免砂礫料在水流作用下的運(yùn)動造成土工膜表面的損耗。

第五，0.3 m厚的砂礫料反濾層，作為集中應(yīng)力的擴(kuò)散層，其優(yōu)異的透水性可使水流通過并減小流速，有效減緩水流對復(fù)合土工膜的沖刷作用，同時保留水流中的泥沙，避免水流中運(yùn)動的泥沙對復(fù)合土CZ2oKFFdtToeRNhpzbqh8Q==工膜的沖擊和損耗。

第六，防滲斜墻最外層0.5 m厚的干砌塊石護(hù)坡，主要用于抵御水流的沖刷，減少水流對壩體的侵蝕，有效擴(kuò)散、傳遞或分解集中應(yīng)力，防止整個水壩受外力破壞。其位于砂礫石反濾層上方，還可避免砂礫料在水流作用下運(yùn)動造成的損耗。

復(fù)合土工膜在上述層次中扮演著關(guān)鍵的角色，不僅確保了整個斜墻結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的防滲性能，還協(xié)同細(xì)粒土、砂礫料、干砌塊石共同形成了一個具備穩(wěn)定性和可持續(xù)性的水壩體系。

2.2 截滲齒槽的設(shè)置

在壩腳前30 m范圍內(nèi)，設(shè)置截滲齒槽，將防滲斜墻的復(fù)合土工膜錨固在其中，該系統(tǒng)的設(shè)置旨在保證防滲斜墻的完整性和防滲屏障的全面性，有效地阻止壩腳區(qū)的水分滲透，確保水壩在面臨高水頭壓力的情況下保持穩(wěn)定。

3 復(fù)合土工膜防滲斜墻的質(zhì)量控制

3.1 壩基與岸坡處理

壩基與岸坡處理，作為大壩施工的第一步，其發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，若處理不善，或?qū)⒃斐纱髩我虿痪鶆虺两?、橫向位移和整體失穩(wěn)，復(fù)合土工膜防滲斜墻因不均勻形變導(dǎo)致撕裂、漏水，而影響整個壩體安全[2]。壩基與岸坡處理須嚴(yán)格按照設(shè)計要求，并結(jié)合工勘報告，將壩基清理至強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、玄武巖或輝長巖上，清理完的壩基不得出現(xiàn)陡坡，岸坡不得呈階梯形。若遇涌水、暗河、淤泥等不良地質(zhì)情況，須采取降水、導(dǎo)流、換填等措施處理達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行驗收。

3.2 壩體填筑

壩體作為整個水壩的承重結(jié)構(gòu)，填筑質(zhì)量是保障壩體抗傾覆、抗滑移的關(guān)鍵因素，對復(fù)合土工膜防滲斜墻的整體穩(wěn)定性起著決定性作用，其質(zhì)量控制主要包括填料特性、碾壓標(biāo)準(zhǔn)、過程檢測等技術(shù)措施。對礦山建設(shè)，壩體填筑材料常來源于礦坑基建剝離開采出的新鮮或微風(fēng)化非產(chǎn)酸廢石，其飽和強(qiáng)度要求不小于30MPa，石料軟化系數(shù)不小于0.8，粒度不小于20 mm。在壩體填筑過程中，須和基建剝離爆破作業(yè)協(xié)同作業(yè)，每次爆破的石料須進(jìn)行特性檢測，不合格填料嚴(yán)禁上壩，壩體填筑要求填料粒徑均勻，壓實孔隙率不大于22%。在壩體施工前，須根據(jù)壩體填筑要求進(jìn)行場外試填，以掌握碾壓設(shè)備配置與填料的匹配度和準(zhǔn)確的碾壓參數(shù)。在填筑過程中，須從填料裝運(yùn)、攤鋪碾壓等方面進(jìn)行質(zhì)量控制。填料裝車前須進(jìn)行灑水，運(yùn)輸、卸料過程中注意填料級配的均勻分布，以確保填筑后的壩體具有均勻的物理性質(zhì)[3]。采用進(jìn)占法攤鋪可避免整平過程中擾亂填料級配特性，攤鋪時須嚴(yán)格控制填筑厚度，碾壓時須根據(jù)試填階段的碾壓設(shè)備配置和碾壓參數(shù)，嚴(yán)格控制碾壓遍數(shù)，避免漏壓、少壓。過程檢測主要包括填料級配特性、含水率控制、碾壓孔隙率檢測和沉降、位移觀測等。

3.3 細(xì)粒土過渡層

細(xì)粒土過渡層作為復(fù)合土工膜的下承層，其粒度、壓實度、平整度等質(zhì)量因素嚴(yán)重制約著復(fù)合土工膜的抗拉伸、抗刺穿性能。為充分發(fā)揮其隔離保護(hù)功能，粒度要求控制在2 mm以下，壓實度須控制在96%以上，平整度須保證沿坡面1∶3坡比，其設(shè)計厚度為0.5 m。受其沿坡面施工、壓實要求高、厚度小等特點難點限制，施工質(zhì)量控制尤為重要，在施工前，第一，要對材料進(jìn)行檢測，對于超粒徑的石子、尖銳雜物等須進(jìn)行過篩處理，以免損壞復(fù)合土工膜[4]；第二，要進(jìn)行細(xì)粒土補(bǔ)水均勻拌合，注意含水率控制；第三，要在壩體坡面沿垂直壩軸線方向進(jìn)行條格劃分，拉線控制厚度和平整度，并對坡面灑水濕潤；第四，要采用人工攤鋪，自上而下分條格進(jìn)行，攤鋪完成后須對表面進(jìn)行少量補(bǔ)水，利用履帶設(shè)備沿坡面進(jìn)行碾壓直至壓實度達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，碾壓過程中須進(jìn)行含水率觀測和環(huán)刀法檢測壓實密度。

3.4 長絲無紡?fù)凉げ间佋O(shè)

長絲無紡?fù)凉げ荚趶?fù)合土工膜中起著膜下排水、耐磨、增加機(jī)械強(qiáng)度等功能作用，其原材料特性和縫接質(zhì)量是關(guān)鍵性控制點。材料特性要求如表 1所示。

長絲無紡?fù)凉げ嫉牟牧咸匦院臀锢硇阅芊显O(shè)計要求，是保證復(fù)合土工膜質(zhì)量的首要條件。在施工過程中，土工布鋪設(shè)應(yīng)避免張拉力、折疊或褶皺，有破損、扯裂、穿洞、腐蝕的土工布不得使用。土工布的搭接應(yīng)使用工業(yè)縫紉機(jī)縫制，所用尼龍線的強(qiáng)度不得小于150N，縫接方法可采用包縫和丁縫，搭接長度不小于15 cm，土工布沿壩軸線方向鋪設(shè)，避免長時間暴曬。

3.5 雙糙面HDPE土工膜

土工膜作為核心防滲層，其材料性能和焊接質(zhì)量是決定防滲工程成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。材料特性要求見表2。

此外，雙糙面HDPE土工膜要求禁止使用再生產(chǎn)品，耐低溫性能良好，抗氧化及紫外線能力強(qiáng)。土工膜的焊接形式采用雙焊縫搭焊，焊接達(dá)到強(qiáng)度和防滲漏要求，焊接處須進(jìn)行檢測，丁字縫須采用300 mm的圓形補(bǔ)丁進(jìn)行焊接密封，施工過程損壞部分須進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)范圍大于破損范圍周邊80 mm。土工膜鋪設(shè)時，將若干個土工膜鋪成一個整體，為了避免土工膜之間出現(xiàn)較大的拼接縫，須保證土工膜鋪設(shè)的方向處于一致的狀態(tài)，或者呈現(xiàn)錯縫搭接的狀態(tài)，這樣可以有效保證土工膜的施工質(zhì)量[1]。

3.6 鈉基膨潤土毯

鈉基膨潤土毯作為復(fù)合土工膜的膜上隔離、耐耗、滲透減緩層，其性能指標(biāo)和搭接工藝是復(fù)合土工膜的整體質(zhì)量的決定性因素。材料性能指標(biāo)如表3所示。

鈉基膨潤土毯縱橫向搭接寬度不應(yīng)小于150 mm，搭接處上下兩卷之間應(yīng)散鋪膨潤土，用量宜為0.4 kg/m，灑水使其黏合。

3.7 砂礫料反濾層

砂礫料作為集中應(yīng)力擴(kuò)散、水流沖刷減緩和泥沙過濾層，其透水性、抗流動性是質(zhì)量控制的核心要素，要求粒徑在2～20 mm，不均勻系數(shù)≥5，壓實相對密度≥0.7。施工時采用水冪法對攤鋪好的砂礫料進(jìn)行密實，過程中須控制砂礫料的粒徑、級配、層厚和平整度。

3.8 干砌塊石護(hù)坡

干砌塊石護(hù)坡具有抗沖刷、抗侵蝕、阻止砂礫料流失等功能特征，其要求石料采用未風(fēng)化非產(chǎn)酸廢石，飽和抗壓強(qiáng)度≥40MPa，軟化系數(shù)≥0.85，單塊厚不超過20 cm，單塊長不超過100 cm，砌筑孔隙率不大于22%。

3.9 截滲齒槽

截滲齒槽的施工是防滲工程中的關(guān)鍵步驟，而齒槽的設(shè)計和準(zhǔn)確定位是確保施工成功的基礎(chǔ)。整個過程需要細(xì)致地考慮水壩的地理特征、土體性質(zhì)以及防滲要求。一方面，施工團(tuán)隊須根據(jù)設(shè)計圖紙和防滲工程的要求，仔細(xì)分析水壩的地理特征，確定齒槽的設(shè)計參數(shù)，包括齒槽的深度、寬度以及間距。這些參數(shù)的設(shè)定需要充分考慮水壩的坡度、土體的滲透性質(zhì)以及工程的防滲目標(biāo)，以確保截滲齒槽能夠達(dá)到預(yù)期的效果。之后對齒槽的具體定位進(jìn)行規(guī)劃，這一步驟要根據(jù)防滲要求，以及水壩的迎水面坡度等因素，將齒槽的起點和終點明確定位，以兼顧防滲效果和整體工程的可行性。通常，齒槽的位置需要考慮到水流的方向，確保在水流過程中能夠最大程度地截取滲透的水分。在齒槽的定位過程中，施工團(tuán)隊還需考慮周圍環(huán)境，確保齒槽的設(shè)置不會對水壩的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響[5]。另一方面，截滲齒槽的挖掘和填充須經(jīng)過精準(zhǔn)操作確保齒槽的形狀準(zhǔn)確、尺寸符合設(shè)計要求，以及控制填充材料的均勻性和緊密度。齒槽的挖掘深度和寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求和地質(zhì)情況進(jìn)行合理確定，確保挖掘過程中齒槽底部和側(cè)壁的平整度和垂直度，以保證后續(xù)復(fù)合土工膜與齒槽的貼合效果，還要特別注意土體的穩(wěn)定性，避免發(fā)生塌方或滑坡。一旦齒槽的挖掘完成，須盡快完成復(fù)合土工膜的錨固和齒槽的回填，填充材料的選擇可采用細(xì)粒土等適應(yīng)形變、不滲透的材料，填充時應(yīng)逐層均勻倒入齒槽中，人工攤鋪壓實，保證復(fù)合土工膜不被損傷和保持完整性。截滲齒槽的開挖、鋪膜、回填過程須保持高度謹(jǐn)慎，以確保齒槽的幾何形狀、復(fù)合土工膜的貼合程度和填充材料的壓實質(zhì)量符合設(shè)計要求，保證復(fù)合土工膜防滲斜墻的整體性、系統(tǒng)性[6-7]。

4 結(jié)語

綜合而言，碾壓土石壩工程中復(fù)合土工膜防滲斜墻的應(yīng)用展現(xiàn)出了卓越的防滲性能和工程適用性，通過多層次的結(jié)構(gòu)組合，成功構(gòu)建了一道堅實的防滲屏障，有效保障了水壩的穩(wěn)定運(yùn)行。這一創(chuàng)新性的防滲設(shè)計不僅為水資源管理提供了可靠的技術(shù)支持，同時也為類似工程的設(shè)計與實施提供了有益的經(jīng)驗借鑒。在未來的水利工程中，復(fù)合土工膜防滲斜墻作為一種可靠、經(jīng)濟(jì)的防滲方案，將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

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