土工膜水庫庫盤防滲技術及應用

唐安軍 劉 紅

(新疆昌吉州阜康市水利局水管總站 新疆阜康 831500)

1 概述

近年來土工合成材料不斷應用于水利工程防滲,因其具有滲透系數小,材料性能穩定,質量輕,造價低,施工速度快等優點,而得到廣泛應用。現就土工膜用在水庫庫盤防滲中的設計、施工有關內容簡述如下。

2 防滲結構

土工膜雖具有一定的抗刺破、抗頂破能力,但在水頭變大時,常被膜下尖礫頂破,尤其在基土級配不良,和存在角礫的情況下,更易破壞。

由于土工膜在運輸、施工過程中可能造成的偶然性損傷,據國外對施工缺陷分析,約每4000m2出現一個,缺陷等效孔徑為1mm～3mm,與建筑物連接部位為5mm,對于施工水平低下的等效孔徑為10mm。這些缺陷是造成滲漏的主要通道,如膜下基土不具備反濾,易形成流土,如滲透力超出膜的承受力,則會引起更大的漏洞。所以膜下必須設置過濾層,厚度不宜太大,一般墊30cm～50cm細砂和壤土。

對于庫盤防滲,根據地質條件,一般結構從上到下為:砂礫石 (卵)防護層,細砂 (或土)過濾層,土工膜、細砂 (或土)過濾層、基礎。

防護層的主要作用是防止土工膜被風浪淘刷而暴露。

保護層主要起保護膜不被有棱角尖礫刺破。

3 土工膜厚度的選擇

PE土工膜要有足夠的強度來承受水壓力和基礎變形,其厚度取決于水壓力、材料性能及基礎平整度。

土工膜厚度的計算見下式:

T——單寬土工膜受到的拉力 (kN/m);

P——膜上作用的水壓力 (kPa);

b——預計膜下產生的裂縫寬度 (m);

ε——膜的拉應變 (%);

Tf——極限抗拉強度;

Ff——安全系數,一般4～5。

根據國內外試驗資料,膜下墊層越細,級配越好,膜厚越大,承受水頭越大。在墊層粒徑為50mm～300mm時,膜厚0.5mm可承受60m水頭;在墊層粒徑為10mm～20mm時,膜厚0.5mm可承受200m水頭。膜厚的選擇通常以計算為依據,并依據相關規范、規程,考慮安全系數最終確定膜厚。

4 反滲透壓力分析

在正常蓄水位和死水位之間的庫底,當水位快速下降時,滲漏的水量來不及向下滲漏,表層的土體會產生反滲透壓力,設計時要考慮反滲透壓力的影響。

5 水庫引水渠

水庫引水渠庫內段 (最高蓄水位以下部分)應設計成寬淺式襯砌渠道,并一直通到水庫的最低點,以防第一次蓄水沖刷庫盤內膜上保護層而使土工膜受損,渠頂與庫盤面齊平,在水位變化區 (正常蓄水位到死水位之間)渠頂兩邊一定范圍內加以護砌。

6 土工膜施工

(1)鋪設膜前基面的處理

由于土工膜抵抗樹根、雜草穿透力弱,要求土工膜鋪設在比較堅實,平整的基面上。為此,對基面的亂石及其他雜物要清除干凈,對坡度變化較大的地方要削填平整。對于塌坑、裂縫、洞穴等要填平、庫盤清理完成后,作為水庫的持力層,必須密實,使蓄水后沉降變形小,使土工膜的變形在其延伸范圍內,膜的下墊層,也必須密實,且墊層中不得含有石塊及可能破壞塑膜的雜物。

(2)膜的鋪設與搭結處理

土工膜的鋪設應平行壩軸線方向滾動展開,順水流方向搭接,兩膜之間采用焊接。膜塊間的結點應為T字型,不得做成十字型,坡面上土工膜的鋪設其接縫排列方向應平行或垂直最大坡度線,且應按由下而上的順序鋪設,坡面彎曲處應使膜和接縫妥帖坡面。

(3)膜上覆保護料

覆土施工為避免損傷膜料,只能由人工和人力車進行覆蓋,人工整平鋪勻,采用進占法,機械不得在現場轉彎、調頭。

7 土工膜防滲應重點注意問題

(1)應根據工程重要性、作用水頭、施工水平,并應方便接縫質量的檢測,經技術經濟比較,合理選擇膜材種類、厚度、材料力學性能參數。

(2)應重點做好土工膜與岸坡防滲面板及壩體防滲體的連接,要確保接縫、接頭止水的封閉性,保證土工膜與岸坡巖石和混凝土面板連接可靠。

(3)應重點做好土工膜上墊層及保護層設計,采取有效措施,避免產生人為因素破壞而導致漏水缺陷。

(4)土工膜下面應設置有效的排水系統,防止庫水位較低時,因反向水壓力頂托土工膜遭到破壞。

(5)應加強對土工膜缺陷及接縫質量檢測方法的研究,完善運行期滲漏監測手段,及時發現滲漏部位和滲漏量,并預先制定對策和措施。

8 工程實例

阜康市上游水庫除險加固工程全庫盤防滲采用了土工膜技術。

(1)工程概況

上游水庫位于新疆阜康市五工煤礦北部,距阜康市城區東南約15km。水庫主要承擔灌溉下游1.2萬畝耕地,保護下游1.9萬人口和吐烏大高速公路、S303省道、阜甘支線鐵路和阜康市重化工業園西區。

上游水庫位于準噶爾盆地南緣、北天山山前沖洪積丘陵上,地形稍有起伏,地勢南高北低,由南東向北西緩傾,海拔高程為750m～800m,屬山前沖洪積丘陵地貌。工程區在構造單元上處在北部沖洪積平原區,水庫區地震烈度為7度,工程區處于區域構造穩定性相對較好的地段。

庫區出露的巖性主要為第四系上更新統沖洪積堆積 (Qal+pl3 )低液限粉土層和含漂石碎石土層,主要分布于水庫區及其周邊。

壩基上部為微透水性低液限粉土層,厚度1.2～2.3m,較不穩定,滲透系數 (k)為2.8×10-5～5.9×10-5cm/s,下部為較厚的強透水性碎石土層,滲透系數 (k)為 3.5×10-2cm/s～1.3×10-1cm/s。

2009年除險加固后設計總庫容107萬m3,壩長650m,最大壩高11m。工程等別為Ⅳ級,工程規模為小 (1)型。樞紐主要由大壩、泄洪放水涵洞等組成。大壩軸線成弓形攔河布置,壩型為復合土工膜斜墻防滲土壩,壩頂寬5.0 m,壩體上游坡比為1︰2.5,為混凝土護坡;下游坡比為1︰2.0,庫盤采用0.5mmPE塑膜防滲。

(2)庫盤防滲設計

庫盤防滲范圍為正常蓄水位高程,防滲面積為19.1萬m2,膜下設30cm土料墊層,膜上設50cm土料保護料。施工中鋪膜前,在庫中766m高程下開挖后分布有蘆葦根,設計采取挖除辦法,先犁后人工撿集。因庫盤沖積有一定厚度土層,施工對土層厚度滿足要求的,未換膜下30cm土料墊層,采用分塊作業,挖50cm厚土層,平整碾壓后鋪膜,然后用下一批要鋪設的膜的開挖料堆在其上,膜與膜預留焊接寬度,焊接,檢測合格后,膜上土料攤平,進行下一塊膜料鋪設,循環作業,從而避免了土方倒運,施工速度較快。

9 結語

土工膜全庫盤防滲技術可有效地解決壩體、壩基、庫盤滲漏問題。在庫盤土工膜防滲結構施工中,人為造成土工膜破損是難免的,這些集中滲漏通道,在水庫放空過程中大都容易發現和修補。若膜上是砂或更細料,放空后會出現塌陷或漏斗狀,若為粗粒料,其上的細粒料會消失,總之即便出現破損,發現和維修是不難的。

在我國西北地區,有許多丘陵和平原水庫建在古河道和扇緣洼地上,滲漏情況較嚴重,不僅浪費了有限的水資源,而且抬高了庫區下游灌區地下水位,增加了土壤的無效蒸發,使鹽分蒸發聚集表面,造成土壤次生鹽堿化,影響農業生產,生態環境惡化。因此,研究庫盤防滲技術及推廣具有重要現實意義,而土工膜全庫盤防滲的應用,在這方面具有重要的參考價值。