淺談土工塑料薄膜在中小型水庫除險加固中的應用

李獻忠

（寧鄉縣水利水電勘察設計院 長沙市 410600）

土壩土工塑料薄膜防滲工程，對保護層土料要求比較嚴格，土料必須為粘性土，且干容重必須大于1.5kg/cm3。大多數產生滲漏的水庫大壩土質差，一般為砂質土，當地缺乏粘性土，在人力、物力、技術等條件缺乏的情況下，就地取材，在粘性土缺乏的地區，利用砂性土作塑料薄膜防滲保護層的探求，通過在寧縣雙華水庫的試驗，取得了很好的效果。

1 工程概況

雙華水庫位于寧鄉縣沙田鄉雙華村，為小（Ⅱ）型水庫，1966年12月興建，庫容22.8萬m3，集雨面積0.96km2，最大壩高13.7m，最大水深11.78m，壩頂長62m，壩頂寬6m，內外坡比均為1∶3.0。

該水庫由于修建時質量低劣，加之土質為砂性土壤，導致大壩滲漏嚴重，整個壩體在庫內正常水位時，在壩軸向中部，從坡腳往上6m左右的范圍內，有570m2的面積明顯滲水，壩坡已出現稀泥現象，滲漏已達（80～90）L/min，且有5處明顯管涌現象，管涌直徑達2cm左右。這樣，既不能蓄水，又使水庫長期留有隱患，隨時有垮壩的可能。

為了根治險情，保證蓄水，2006年冬對該水庫進行了土工塑料薄膜防滲處理，在無粘土作保護層的情況下，采用砂質土保護層，取得了很好的效果。現水庫已達到正常蓄水位。大壩未出現處理前的滲漏、管涌現象，外坡明顯干燥，內坡穩定，在水位波動情況下，未發生滑坡。

2 防滲塑膜計算

采用聚乙烯土工塑料薄膜防滲，其主要性能如下：比重：（0.91-0.93）g/cm3；抗拉強度：≥100kg/cm2；拉斷時延伸值：≥280%；使用溫度范圍：（-50～+60）℃；抗凍性：-60℃。

土工塑料薄膜厚度計算：需要的厚度取決于漏水通道尺寸、水壓力和材料的性能。

漏水通道截面為條形時（如裂縫）需要厚度為：

漏水通道截面為圓形時（如孔洞）需要厚度為：

式中 P——水壓力（kg/cm2）；

[σ]——土工膜允許抗拉強度（kg/cm2）；

δ——土工膜設計厚度（cm）；

S——漏水裂縫寬度（cm）；

D——漏水孔的尺寸（cm）；

f——土工膜裂縫或孔洞上受水壓后的重度（cm）。

當S=1cm或D=2cm時，f=0.14，P=11.78t/m2=1.178 kg/cm2；當S=1cm或D=2cm，[σ]=100kg/cm2；F=0.14S= 0.14×1=0.14cm。

3 保護層穩定分析

因當地無粘性土，只能采用砂質土，為了增大土料與土工膜的摩擦角，鋪膜基面做成階梯形，保護層厚度取0.5m，根據砂質土特點，其技術數據如下：土料與土工膜的摩擦角ф1=25°；土料內摩擦角為ф2=30°；土料凝聚力C=0；土料干容重rd>1.5t/m3；土料飽和容重rm2t/m3。

在水位變動情況下，穩定分析采用折線滑動面法分析，計算示意如圖1。

圖1 折線滑動面法壩坡穩定分析

ADC——滑動面

式中內坡m＝3，ф1＝25°，ф2＝30°。

保護層厚度DF＝0.5m，堤高H1＝11.78m，Kc為邊坡穩定安全系數。

假設不同的水位H進行試算，求得最小安全系數。

利用BASⅠC程序進行計算。

程序中：A1=a1、A2=a2、Y1=ф1、y2=ф2，最小安全系數Kc= 1.81＞[Kc]＝1.15滿足要求。

當壩坡無水或全部浸水時，只要坡角小于土體的內摩擦角和土體與薄膜的摩擦角，則邊坡是穩定的，即邊坡大于1∶2.2，邊坡穩定。

4 鋪蓋形式及施工方法

鋪蓋形式如圖2所示。

圖2 鋪蓋斷面形式

首先清理基面，要求基面堅實、平坦，將稀泥、亂石、雜草清除干凈，再按規格尺寸挖成階梯形。開挖時，垂直面不可能絕對垂直，但要盡量陡一些。再在上面鋪一層粉砂土，并將其拍打密實。鋪膜時由下到上水平鋪設，膜與膜間以及膜與基面間壓平貼緊，雖不宜張拉過緊，但也不能夾有大量氣泡、礫石等雜物。薄膜拼接采用熱瀝青粘接，搭縫0.1m左右，瀝青溫度65℃左右，接縫處嚴禁泥沙落入。為施工方便，可在接縫薄膜下臨時墊一塊板，多層鋪膜時，搭縫應錯開。薄膜鋪好后，再用粉砂土將階梯填平及時將薄膜履蓋起來。再夯筑保護層。干容重達1.5t/m3以上，并防止雜物礫石等將膜打壞。然后鋪上墊層，干砌塊石防浪。

周邊接縫處理方法：在壩坡坡腳和壩肩山體上開挖一條至基礎的截水溝。壩頂在最高水位以上開挖一條深1m左右的截水溝。四邊貫通，將薄膜夾在溝中，再用粘土回填夯實止水，周邊處理與壩坡施工同時進行。

5 大壩土工膜防滲的應用和分析

通過對雙華水庫大壩土工膜防滲的設計與施工以及運動中的觀測，得出以下總結：

（1）大壩壩體滲漏與施工質量有關，但同樣與壩體土質有相當大的關系，大多數壩體是砂質土壤。

（2）在當地粘土困難的情況下，砂質土作為土工膜防滲保護層是可行的，其壩體的穩定主要取決于砂土與土工膜的摩擦角，為了增大其摩擦角，應將其基面做成階梯形或鋸齒形。從理論上講，當土壤的粒經大于土工膜厚度，并且干容重達到其要求值時，土體與土工膜的摩擦角是不會比土體的內摩擦角小多少的。通過計算，以砂質土作為保護層時，壩坡最陡可達1∶2.1，但需應用塊石護坡以防浪。

（3）周邊必須用粘土止水，如粘土困難可用混凝土代替。

（4）砂土夯筑要緊，干容重根據粒徑級配應達到設計要求值。

（5）對于山丘區，特別是強風化巖石區利用砂質土用土工膜防滲，很有推廣價值。

6 結語

土工塑料薄膜是一種新型建筑材料，在工業發達國家已廣泛使用在土建和水利工程中，目前在我國由于價格比較貴，數量和品種也少，其應用也受到了一定限制，隨著我國工業水平大大提高，今后預計我國在這一方面也將有一個大發展。土工塑料薄膜雖然滲透系數很小，接近于不透水，但由于它太薄、太輕、易破、施工困難，對基面及墊層料、保護層要求較嚴格，所以大面積使用還是具有一定困難，若將土工織物和土工膜經機械加工成組合材料—土工薄膜，它具有土工織物導滲與塑料薄膜防滲兩方面功能，而且其厚度比單用塑料薄膜增加幾十倍，重量也增加不少，這樣強度比較高使用起來也方便得多，防滲作用也得到了保證，造價比單用塑料土工膜貴些，但保護層、墊層基面處理、費用等考慮它尚為經濟，故土工膜具有施工簡便、工期短、防滲效果好，造價省等優點，是一種理想的防滲材料。