渠道防滲技術在吐木秀克水電站工程中的應用

盧 軍 鄒德華

(新疆水利水電勘測設計研究院水利所,烏魯木齊 830000)

吐木秀克水電站位于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區溫宿縣境內,電站為引水式徑流電站,引水線路長21.19km,設計引水流量75m3/s,裝機容量為48MW。渠道沿山前沖洪積扇布置,渠基礎地層為第四系卵礫石層,屬中密～密實土,中等透水層。引水渠道在設計流量下平均流速,要滿足不沖、不淤的要求,襯砌渠道宜選用1～2m/s;可能出現岸冰的渠道要滿足輸冰流速不小于1.2m/s;襯砌型式要結合施工條件、造價等綜合考慮。根據上述原則,結合吐木秀克水電站引水渠地質情況,綜合考慮工程地質條件、運行條件、防凍性能、工程造價及工程施工等因素,確定渠道采用設計縱坡為1/4250。渠道斷面為寬淺式,底寬8m,邊坡1︰1.75,渠深4.7～5.6m,采用設計強度C20W6F200的現澆混凝土板,底板板厚為120mm,邊坡上部板厚100mm下部板厚120mm。現澆板下為一布一膜,塑膜下為M10砂漿墊層。引水渠混凝土板每隔20m設置一道寬0.3m、深0.3m的混凝土橫隔墻。

1 渠道防滲結構設計

渠道防滲體結構采用雙層防滲結構,即現澆混凝土結構加土工膜作為防滲主體,其防滲體從下而上的結構形式由砂礫石層、膜下砂漿過渡層、土工膜防滲層、混凝土板防滲保護層組成。

砂礫石層:主要是渠道原砂礫石基礎,局部粉砂層被置換層砂躒料,此層要求碾壓密室,形成穩定的基礎層,可減少渠基濕陷變形,防止滲流淘刷渠基,保證上部防滲結構層整體穩定性。

膜下砂漿過渡層:3cm厚M10水泥砂漿。形成平整的硬化作業面與膜緊貼,防止尖棱角材料或不平整的凸面頂破防滲膜;為下一工序提供平整密室的基礎面,提高整體防滲結構面的施工質量。

防滲層:一布一膜,即PE復合土工膜。由吹塑成型的聚乙烯土工膜與針刺聚酯無紡布熱壓復合而成,膜厚 0.6mm,布重 150g/m2。鋪設方式:黑膜朝下,白布朝上,布能夠保護膜,減緩陽光照射老化,減少混凝土預制板鋪筑過程中的施工損傷;具有加筋和提高強度的作用。

混凝土預制板保護層:設計強度C20W6F200混凝土板。渠底板厚12cm,邊坡板厚10～12cm,剛性整體具有一定的防滲功能,并對防滲塑膜起到保護覆蓋作用;減少渠道糙率,減小渠道過水斷面。

2 渠道PE復合土工膜穩定分析和選擇標準

2.1 土工膜的抗滑穩定分析

目前國內生產的PE土工膜基本上都是光面的,部分廠家可以根據設計要求對光膜進行加糙處理。為了分析土工膜在渠道邊坡上的穩定性,新疆農業大學在同類工程中做了詳細的試驗,分別采用光面膜、加糙膜和復合土工膜與砂漿體做了摩擦系數實驗,基本結論為:光膜能維持穩定的常用邊坡為1︰2.5,復合膜在1︰2的邊坡條件下能維持穩定,加糙膜在1︰2.5的邊坡條件下能維持穩定,在1︰2的邊坡條件下不滿足規范規定的安全系數,但可維持臨界穩定。而用一布一膜作為防滲材料室內試驗表明膜朝上及朝下都是穩定的。小于以上邊坡的渠道斷面設計時可考慮采用其他加固措施。

表1 防滲塑膜與砂漿體之間摩擦系數試驗成果

本工程根據渠道設計規范,參考同類工程經驗和上述試驗成果,綜合考慮后采用1︰1.75的邊坡,同時增加混凝土隔梁、增加坡頂塑膜埋設長度、邊坡混凝土結構做成10～12cm漸變等綜合措施提高邊坡穩定性。防滲膜采用一布一膜有下列優點:無紡布具有較高的抗拉強度和延伸性,與土工膜復合使用后,增大了防滲層整體抗拉強度和抗穿刺能力,可以大幅減少施工其土工膜的破損;無紡布表面粗糙,增加了接觸面的摩擦系數,提高結構穩定性;根據試驗資料看,土工膜在紫外線照射下,短缺內強度損失很大,增加一層無紡布,能有效減少施工期塑膜照射時間,同時減少施工中對膜的破壞程度。

2.2 復合土工膜的滲流分析

PE土工膜的正常滲透流量與土工膜的厚度有關,可近似按達西定理計算,計算公式如下:

式中:Qg——土工膜的滲透量,m3/s;

Kg——土工膜滲透系數,m/s;

A ——土工膜滲透面積,m2;

Δ H ——土工膜上下水位差,m;

tg——PE土工膜厚度,m。

根據工程運行中的水頭,即可以計算出滲流量,本工程選用復合土工膜滲透系數Kg≤1.0×10-13cm/s,若土工膜施工質量較好,則滲漏損失基本可以忽略不計。

根據筆者多年工程經驗,渠道實際滲水量還是比較大的,一般經過半年以上的通水運行期后,土工膜下渠道基礎基本處于飽和狀態。分析原因,主要是施工中對塑膜有損傷,同時塑膜接縫焊接質量對滲水量的影響也很大。

2.2 厚度選擇

《渠道防滲工程技術規范》(SL18-2004),規定渠道中小型渠道土工膜厚度宜為0.18～0.22mm,大型渠道宜用0.3～0.6mm。目前國外工程從耐久性考慮,土工膜厚度都在0.5mm以上,歐美一般采用1mm以上厚的土工膜較多。

土工膜厚度的選用可根據接縫處理型式、防滲的效果、土工膜的耐久性、投資和效益、渠道的規模及建筑物的重要性等因素綜合考慮選取。

根據水壓力大小決定膜厚計算的公式很多,都根據膜上水壓力和膜下過渡料的粒徑進行計算,如前蘇聯全蘇水工研究院在薄膜理論的基礎上,結合試驗,對聚乙烯薄膜,提出計算膜應力的經驗公式,還有北京市水科所的計算公式、水利水電工程土工合成材料應用技術規范推薦的計算公式等,不論采用哪種公式,其計算出的膜厚度均較小。

表2 土工膜厚度計算比較

從水壓力方面考慮,一般渠道防滲土工膜厚0.1mm已足夠。

但考慮到工程的重要性、防滲膜的耐久性、焊縫的質量等,在調查研究、總結經驗、專家咨詢的基礎上,結合工程實際,考慮水文氣候,工作環境,施工條件,使用壽命,工程造價,生產規格等因素,綜合確定聚乙烯土工膜厚度為0.6mm。該種膜厚已在總干渠133.6km渠道得到應用,防滲效果較好,渠道水利用率可達到97%左右。

本工程防滲工程選用的PE土工膜的斷裂伸長率(極限拉應變)≥450%。PE復合土工膜斷裂伸長率≥60%,斷裂強度(極限抗拉強度)≥12kN/m。土工膜抗拉強度和拉應變的安全系數選擇4～5。一般土工織物的極限拉應變在50%～100%范圍內,其工作應變(極限拉應變除以安全系數)范圍≥10%～20%,在此范圍內,抗拉強度呈直線關系。PE土工膜在工作應變范圍內強度呈上升趨勢,雖然伸長率(延伸率)隨時間延長逐漸降低,但下降幅度不大,二年以后基本穩定下來,大多在50%以上。

2.4 土工膜的性能指標基本要求

(1)產品結構型式。選用“一布一膜”。布:選用短纖針刺無紡布,白色;膜:選用PE土工膜,黑色,PE樹脂為中密度(LDPE),吹塑成型加工。

(2)產品性能指標。PE土工膜為PE復合土工膜的基材,其性能指標應結合產品標準及工程應用技術規范研究確定,參考國家標準GB/T17643-1998《土工合成材料聚乙烯土工膜》以及SL/T 225-98《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》、SL/T231-98《聚乙烯(PE土工膜防滲工程技術規范)》的規定,結合本項目的特點確定如表3。根據國內幾個大廠家的調研情況,確定幅寬不小于6m。

PE復合土工膜為本項目所選的目標產品,其主要性能指標參考國家標準GB/T17642-1998《土工合成材料非織造復合土工膜》的規定,具體見表4。

表3 聚乙烯土工膜(PE)性能指標

表4 PE復合土工膜性能指標表

2.4 土工膜的施工中基本要求

(1)土工膜的拼接應由專業人員采用焊接方式,焊縫搭接長度不小于10cm。

(2)焊接前必須對焊接面進行清掃,焊接面上不得有油污、灰塵并保持黏(搭)結面干燥。當日平均氣溫低于-3℃或出現大風天氣時,土工膜在露天環境不允許焊接。

(2)鋪設面上應清除雜草物,保證鋪設面平整,不允許出現凸出凹陷的部位,排除鋪設工作范圍內的積水。

鋪設過程中,作業人員不得穿硬底皮鞋及帶釘的鞋。不準直接在土工膜上做可能引起土工膜損壞的施工作業。

(3)土工膜的現場拼接接頭應確保其具有可靠的防滲效果。在拼接過程中和拼接后24小時內,拼接面不得承受任何拉力,嚴禁焊接面發生錯動。土工膜接縫焊接強度不低于母材的80%。

3 結 語

吐木秀克水電站引水渠運行效果良好,達到防滲和安全運行的結果。采用此防滲結構需注意下列問題。

(1)采用復合土工膜型式時,要根據渠道地質、地下水、邊坡等運用條件綜合考慮,才能保證達到防滲效果。

有地下水的地段不宜采用防滲膜結構,基礎為不透水的情況下,需設置縱橫向排水,在氣候寒冷地區,容易發生渠道凍脹導致的破壞。

(2)防滲膜的防滲性能良好,目前渠道水利用系數已可以達到95%以上,但根據工程統計數據看,膜下漏水情況很普遍,塑膜的損壞基本發生在施工期,加強施工質量控制,是保證塑膜質量的重要環節。

(3)與建筑物銜接處采用焊接方式不可靠,其接縫強度過低。當遇到復雜形狀的防滲結構如與建筑物的連接等,容易懸空,易被水壓和土體變形所張破。

因此PE復合土工膜與建筑物連接技術應考慮專用膠粘劑(KS膠)粘接,該技術已在國各類PE復合土工膜防滲工程中推廣應用,取得了較理想的效果。

(4)土工膜防滲材料品種也很多,工程中遇到的問題也各式各樣,理論研究和經驗總結十分必要,可為其他工程使用提供借鑒。

[1]中華人民共和國國家標準《土工合成材料非織造復合土工膜》GB/T 17642-1998

[2]中華人民共和國國家標準《土工合成材料聚乙烯土工膜》GB/T17643-1998

[3]中華人民共和國國家標準《短纖針刺非織造土工布》GB/T 17638-1998

[4]中華人民共和國國家標準《土工合成材料應用技術規范》GB50290-1998

[5]《渠道防滲工程技術規范》SL18-91

[6]《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》SL/T 225-98

[7]《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術規范》SL/T 231-98