复合土工膜在水库大坝防渗中的应用
[ 摘要] 论述了复合土工膜在二坝水库土坝防渗处理中的应用, 采用复合土工膜斜墙防渗处理, 防渗效果良好, 具有推广价值。
[ 关键词] 复合土工膜
一、概况
帽山水库位于沈阳市新城子区东约14km 的清水台镇境内, 北临全国闻名的怪坡风景区。水库总库容108 万 m 3 , 兴利库容 79 万 m 3 , 是一座以农业灌溉为主, 兼有防洪、旅游、水产养殖等功能的综合水库。水库于 1958 年建成, 主坝为均质土坝。水库主坝长 465m , 坝顶宽度 410m , 坝 顶 高 程 为 9811m , 正 常 蓄 水 位 95130m , 坝底高程为 9112m , 大坝迎水坡比 1 : 215 - 1 : 3 , 背水坡坡比1 : 3。受当时建设环境及客观条件限制, 坝前库底没有铺盖防渗, 施工中未对水库坝基进行防渗处理, 坝体夯填不密实, 坝后也未做排水体, 防渗效果较差, 坝后常年渗流, 高水位时曾出现管涌。
2004 年, 经市水利局水库安全鉴定委员会鉴定, 坝坡渗透坡降大于允许渗透坡降, 坝坡渗流不稳定, 需对坝体进行防渗处理。
二、除险加固设计方案的选择
通过多方案经济、技术比较, 结合本工程的坝体材料与施工条件等实际情况和类似工程的处理经验, 设计选定采用复合土工膜处理土坝渗漏的整治方案。设计对主坝坝顶至坝脚进行复合土工膜防渗处理, 坝前库底 25m 范围内铺设复合土工膜铺盖。铺盖前端开挖
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齿槽, 将复合土工膜嵌入齿槽, 坝顶开槽后将复合土工膜嵌入原坝体中, 坝体与溢洪道、输水洞连接处将复合土工膜与建筑物混凝土连接, 形成半封闭的不透水防渗结构体。加固后坝顶高程为 9815m , 坝顶宽 410m , 迎水坝坡坡比为 1 : 3 , 背水坝坡坡比 1 : 315。
三、复合土工膜防渗结构设计
3.1 复合土工膜规格选择
复合土工膜规格的选择与下垫层平整度、材料允许拉应力、材料弹性模量、铺设范围内的最大水头及覆盖层最大粒径等有关, 土工膜厚度设计除应考虑主要由水压力要求的强度外, 尚应考虑暴露、埋压、气候、使用寿命等应用条件, 并按国家现行有关标准的规定确定设计厚度及实际厚度。本工程经综合分析计算, 坝坡防渗层采用规格为200g/ 013mm/ 200g 的针刺短线涤纶两布一膜 ( PE 膜) , 库底铺盖防渗层采用规格为 150g/ 0125mm 针刺短线涤纶一布一膜 ( PE 膜) , 幅宽均为4m。
3.2 复合土工膜防渗体结构层设计
复合土工膜防渗结构自上而下依次为防护层、上垫层、防渗层、下垫层、支持层, 由于坝体和库底土层为细粒土, 整平夯实后可直接铺设土工膜, 因此不再设下垫层。坝体垫层采用平均厚度20cm 厚的砂砾石, 满足防滤要求, 防护层采用30cm 厚的干砌石护面。库底铺盖在复合土工膜上直接覆盖60 - 80cm 压实细粒土作为保护层。
3.3 复合土工膜防渗系统稳定复核
由于复合土工膜与土石介质间的摩擦系数及土石介质间的摩擦系数将影响防渗体的
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稳定, 必须复核复合土工膜与坝坡、复合土工膜与保护层的抗滑稳定性。
复合土工膜稳定性验算根据公式 K = f / t gα 计算抗滑稳定安全系数。
式中: K 为抗滑稳定安全系数; f 为上垫层与土工膜之间的摩擦系数; α为坝坡坡角。
根据上垫层土料, 查资料得 f = 0145。
坝体上游坡坡比为1 : 3 , 即t gα= 1/ 3
通过计算得复合土工膜防渗系统是稳定的, 满足要求, 设计中在高程 9810 , 9615 , 9510 , 9315 , 9210 , 9015 分别设置了防滑槽, 防滑槽间距313m , 深度0125m。
3.4 库底铺盖埋铺设计
坝前25m 范围内铺设规格为 150g/ 0125mm 的复合土工膜 ( PE 膜) 铺盖, 在距坝脚25m 的库底, 开挖一防渗齿槽, 槽深 115m , 开挖边坡 1 : 1 , 口宽3m , 将复合土工膜嵌入槽内, 并用壤土夯填。
3.5 复合土工膜与水库输水洞和溢洪道周边的连接
复合土工膜防渗斜墙与水库输水洞和溢洪道刚性建筑物的连接, 要求连接严密、牢靠, 留有伸缩余量, 防止因建筑物沉陷而使复合土工膜破坏。输水洞和溢洪道导流墙浇筑为直立墙, 复合土工膜与混凝土连接时, 首先在砼面上间隔20cm 打孔, 安装膨胀螺栓, 沿连接长度通长安装一条厚5mm 宽10cm橡皮, 再将复合土工膜折叠3 层打眼穿入螺栓, 然后再用一层橡皮、钢压条通过膨胀螺栓将复合土工膜固定。为防止螺栓、压条锈蚀, 在螺
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栓和钢板压条上刷三层防锈漆。
四、复合土工膜防渗斜墙的施工
4.1 施工准备
①本工程所用复合土工膜为两布一膜和一布一膜针刺复合土工膜, 使用前委托甘肃省水利科学研究院实验中心对产品的各项技术指标进行检测, 各项指标均符合标准规定和设计要求。
②复合土工膜具有一定的抗顶破、抗刺破能力, 但在水头较大时, 常被膜下尖砾、树根顶破。二坝水库在防渗施工中, 开挖清除原坝表层干砌石及砾石垫层至粘土层, 并按设计尺寸削坡挖平和欠坡回填夯实, 找平并洒水穷实, 使夯填土干容重不小于 1165t/ m 3 。人工开挖防滑槽, 剔除其表面的石子、树根等坚硬尖状物, 并喷洒除草剂等药水, 整理后的坡面应平整、密实、光滑, 以防复合土工膜被刺破。达到设计平整度要求后, 经监理工程师验收合格, 为复合土工膜铺设提供工作面。
③为了施工方便, 保证拼接质量, 复合土工膜应尽量采用宽幅, 减少坝坡现场拼接量, 施工前应根据复合土工膜幅宽、现场长度需要, 在库内专用场地剪裁, 并拼接成符合要求尺寸的块体, 卷在钢管上, 人工搬运到工作面铺设。
4.2 复合土工膜的铺设
4.2.1 复合土工膜的铺设方法
复合土工膜铺设分库底铺设、坡面铺设两个部分。铺设方法: 复合土工膜的铺设要求
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在平地先将4m 窄幅拼接焊成20m 宽幅, 然后在坡面自上而下, 垂直于坝轴线方向通幅铺设。坡面铺设在坡面验收合格后, 从堤顶向堤脚沿垂直于堤轴线方向缓慢展铺到坡脚齿槽外顶处与库底土工膜丁字形相接。库底铺设在库底开挖验收合格后, 从齿槽外顶向库内沿垂直于堤脚轴线方向缓慢展铺到库内25m 处。
4.2.2 复合土工膜的铺设技术
要求铺设应在干燥暖和天气进行, 为了便于拼接, 防止应力集中, 复合土工膜铺设采用波浪形松驰方式, 富余度约为 115 %, 摊开后及时拉平、拉开, 要求复合土工膜与坡面吻合平整, 无突起褶皱, 施工人员应穿平底布鞋或软胶鞋, 严禁穿钉鞋, 以免踩坏土工膜, 施工时如发现土工膜损坏, 应及时修补。
4.3 复合土工膜的拼接
①本工程采用两布一膜和一布一膜复合土工膜, 复合土工膜的连接分 2 个程序进行, 即下、上层无纺织布的缝接, 中层 PE 膜的连接。无纺织布的缝接用手提缝纫机、尼龙线进行双道缝接, 搭接宽度 10cm; PE 膜采用焊接工艺连接, 焊接工具采用自动调温 (调速) 电热模式双道塑料热合机。拼接包括土工布的缝接、土工膜的焊接, 为了确保焊接质量, 焊接应尽量在厂内进行, 但为了施工方便, 复合土工膜幅宽又不应太宽, 必须在施工现场拼接。
②复合土工膜焊接质量的好坏是复合土工膜防渗性能成败的关键, 所以务必做好土工膜的焊接, 确保焊接质量, 因此, 土工膜焊接应由生产厂家派专业技术人员到现场操作, 指导, 培训, 采用土工膜专用焊接设备进行。本工程土工膜焊接采用 ZPR —210V 型热合土工膜焊接机, 土工布采用手提式封包机缝接。
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③焊接工艺: 第一幅土工膜铺好后, 将需焊接的边翻叠 (约 60cm 宽) , 第二幅反向铺在第一幅膜上, 调整两幅膜焊接边缘走向, 使之搭接 10cm。
④焊接全部在现场进行, 要求天气晴好, 风力3 级以下, 严禁在雨天、高温和严寒天气下施工, 焊接基底表面应干燥, 焊接前用电吹风吹去膜面上的砂子、泥土等脏物, 再用干净毛巾擦净, 保证膜面干净, 在焊接部分的底下垫一条长木板, 以便焊机在平整的基面上行走, 保证焊接质量, 正式焊接前, 应先根据施工气温、PE 膜厚度, 利用相同材质的 PE 膜进行试焊, 施焊温度为 220 - 300 ℃, 掌握好的焊接机温度及行走速度, 确定好施工工艺参数, 再进行正式施工, 焊缝应透明、平整、顺直、连续。拼接焊缝两条, 每条宽10mm , 两条焊缝间留有10mm 的空腔, 用此空腔检查其焊缝质量。
4.4 复合土工膜的锚固
复合土工膜的锚固分上部与坝顶的锚固, 库底与防渗铺盖的锚固, 复合土工膜上部锚固采用在坝顶路缘石基础底部嵌固足够长度复合土工膜, 其结构形式为口宽 013cm ×深 013cm 的三角槽, 在槽内夯填土。复合土工膜库底与防渗铺盖的锚固, 坝脚25m 外沿轴线方向挖口宽310m ×深115m 的一条沟槽, 铺设复合土工膜时将复合土工膜紧贴在沟内侧, 在沟槽内夯填土。
4.5 上覆保护层
复合土工膜焊接完并经质量验收合格后, 及时在膜上面均匀铺设20cm 砂砾石垫层, 找平拍实后砌筑干砌石 30cm , 以防止其在紫外线照射下易老化和其它因素引起的破坏。
五、复合土工膜施工质量控制
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复合土工膜的铺设, 是该工程施工的关键。施工质量控制包括材料采购、进场原材料质量控制、施工操作过程控制、施工完质量检测。
5.1 材料采购
结合工程实际及所选复合土工膜的规格, 确定复合土工膜的质量标准、几何尺寸, 选择生产规模较大、产品质量符合要求的生产厂家进行招标采购。
5.2 原材料质量控制
进场的复合土工膜必须有厂家提供的合格证书, 性能及特性指标和使用说明书。复合土工膜进场后, 随机抽取复合土工膜对其性能指标委托甘肃省水利科学研究院实验中心进行复测, 复测结果全部合格。
5.3 施工操作过程控制
复合土工膜铺设前编好施工组织设计, 说明铺设方法和技术措施, 经监理批准后方使用, 施工人员均应穿平底布鞋或软胶底鞋进行铺设, 严禁穿钉鞋以防踩坏土工膜, 做到随铺随压, 复合土工膜铺设要与保护层铺设相协调。拼接中复合土工膜焊缝质量是拼接关键, 施工中尤其要加强接缝检测, 检测方法有: 一、目测法; 二、现场检漏。目测法: 复合土工膜焊接好后, 观察有无漏接, 接缝是否烫损, 有无褶皱, 是否拼接均匀等。现场检漏有两种: ①充气法: 焊缝为双条, 两条之间留有约 10mm 的空腔, 将待测段两端封死, 插入气针, 充气至 0105Mpa - 0120MPa , 静观015min , 观察真空表, 如气压无下降, 表明不漏, 焊缝合格, 否则要查找原因及时修补。 ②充水法: 焊缝为双条, 两条之间留有约10mm 的空腔, 将待测段一端封死, 另一端插入水针, 充水至 0105Mpa - 0120MPa , 如无水从孔
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腔漏出, 表明焊缝合格, 否则要查找原因及时修补。充水法较充气法有以下优点: ①直观性好, 便于及时发现问题; ②设备简便, 操作简单, 在现场便随时随地检查和抽查。鉴于以上优点, 该工程采用充水法检查焊缝质量, 自检合格后提交监理单位、质检部门及甲方联合抽样检查, 实行逐段认证签证, 对于虚焊、漏焊的接缝应及时进行补焊, 并对补焊部位进行充水检测, 直至验收合格后, 才可以进行下道工序。
六、防渗效果分析
帽山水库除险加固工程在施工过程中严格按复合土工膜施工技术要求, 严格现场焊接的质量控制, 且经过室内试验结果表明, 复合土工膜各项性能指标均能满足设计要求, 质量得到保证。该工程于2005 年10 月底完工后蓄水运行, 经过半年的运行, 干砌石护面平整, 没有出现护面下滑、堆石。坝后无水溢出点, 防渗效果较好, 对于中小型病险水库的除险加固, 具有较大的经济效益和很好的推广使用价值。
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