土工膜防滲斜墻在底溝水庫大壩防滲加固中的應用

胡 全

（新疆阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)農業(yè)畜牲業(yè)發(fā)展服務中心，新疆 阜康 831500）

底溝水庫位于阜康市上戶溝哈薩克族鄉(xiāng)境內，是一座以灌溉為主的小（二）型平原注入式水庫，無防洪任務，其主要調蓄水源為白楊河水庫下泄水。2011年對底溝水庫大壩進行評價，得出底溝水庫屬三類壩，滲漏量較大，需對壩體、庫盤等進行培厚加高、防滲加固。

1 壩體防滲方案

底溝水庫大壩為土石壩，其壩體防滲處理原則主要有“截、壓、排”三類[1]，具體可采用的防滲方案設計如下：

方案一：上游設置防滲斜墻

在原壩體上游位置設置一定厚度的防滲斜墻，斜墻材料可選用土工膜、瀝青混凝土、粘性土等。防滲斜墻技術具有施工方便、質量有保證、后期維修簡單等優(yōu)點；

在原壩體上游壩坡之上設計一層水平鋪蓋，鋪蓋材料可選用混凝土澆筑層、砼板等，水平鋪蓋防滲效果好、施工速度快、工期短等優(yōu)點，但鋪蓋面積大，造成成本較大[2]。

綜合分析，方案一在施工難度和后期維護中與方案二相差不大，但投資成本上比方案二少15%左右，因此底溝水庫大壩壩體防滲采用上游設置防滲斜墻方案，防滲斜墻材料選擇PE復合土工膜，技術指標見表1[3]。

表1 PE復合土工膜技術指標

2 土工膜防滲斜墻結構設計

結合其他工程的成功經驗，底溝水庫大壩土工膜防滲斜墻結構從上至下依次為：干砌卵石→砂礫石→中細砂上墊層→復合土工膜→中細砂下墊層（見圖1）[4]。

圖1 土工膜防滲斜墻基本結構示意圖

2.1 防滲斜墻各結構厚度計算

（1）各砂石層厚度設計

墊層主要起著保護土工膜完整性、平整壩面、防治壩體內部沖蝕等作用，結合其他工程經驗，本項目設計中細砂墊層厚度為 300 mm～500 mm，粒徑范圍 2 mm～5 mm[5]。

干砌卵石層厚度250 mm～500 mm，要求卵石直徑為2 cm～5 cm，卵石含量在70%以上，孔隙采用中細砂充填；砂礫石層200 mm～300 mm。

（2）復合土工膜厚度計算

當前，我國已有許多城市開展了多規(guī)合一工作，這些城市中的主要規(guī)劃目標包含城市經濟與社會發(fā)展、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及統(tǒng)籌策劃城鄉(xiāng)發(fā)展等。三規(guī)合一就是講城市發(fā)展規(guī)劃、國土規(guī)劃及環(huán)境發(fā)展規(guī)劃三者進行協調，并制定統(tǒng)一協同平臺，對各項規(guī)劃工作中所出現的矛盾進行協調處理。綜合規(guī)劃就是指各專項規(guī)劃進行匯總綜合，并對城市發(fā)展的戰(zhàn)略目標進行明確，在此基礎上進行相應的生態(tài)保護以及城鄉(xiāng)發(fā)展等過程。就各試點實踐進行研究的情況，發(fā)現“多規(guī)合一”能夠在短時間內有效緩解規(guī)劃矛盾，但無法解決產生這些矛盾的根本性問題。這就需要夠構建一個統(tǒng)一的規(guī)劃體系，借此促進我國空間規(guī)劃體系改革的良好發(fā)展。

為確保防滲墻體各部分功能的有效發(fā)揮，必須精確計算出土工膜所需厚度和滲透量等參數，由于目前沒用統(tǒng)一的計算法則，在此利用薄膜理論公式（1）和蘇聯經驗公式（2）進行計算[6]。

式中：T為土工膜厚度，mm；P為水壓力，Pa；d為土粒直徑，mm；h為撓度；ε為土工膜抗拉應變。

經計算得出PE復合土工膜厚度約為0.3 mm。

2.2 土工膜頂端錨固形式及受力設計

設置于壩體上游的復合土工膜時刻受到水壓力、壩體沉降等影響，若應力變形超過極限值，會把土工膜撕裂，造成防滲性大幅下降。結合工程經驗，壩頂處土工膜的錨固形式對應力變形具有極大影響作用。目前土工膜的錨固形式主要分為剛性錨固和埋固，在此對錨固形式進行重點分析，并利用ABAQUS軟件來模擬復合土工膜的應力應變值，各部分模擬參數見表2。

表2 壩體各部分模擬參數設定

（1）土工膜剛性錨固形式分析

當壩頂設置了防浪墻時，防滲斜墻的土工膜層可錨固在剛性防浪墻之上或底部（見圖2），并預留足夠結合長度。

圖2 土工膜和防浪墻固定在防浪墻上部（見a）或底部（見b）

圖3 是模擬的水庫滿蓄期錨固于防浪墻面上及底部的土工膜大主應變分布線，從圖中可知：土工膜最大應變值約為0.22%，最大應力值為0.025 MPa。

圖3 土工膜剛性錨固形式最大主應變分布

（2）土工膜埋固形式分析

當壩頂未設置防浪墻時，為了保證土工膜頂部錨固的牢固性，將其埋置于壩頂的錨固溝內，錨固溝形式一般有“V”型和“U”型（見圖 4）。

圖4 土工膜埋置于錨固溝內

圖5 是模擬的水庫滿蓄期埋置于“V”型和“U”型錨固溝內的土工膜大主應變分布線，從圖中可知：1）“V”型錨固溝土工膜最大應變值約為0.17%，最大應力值為0.025 MPa；2）“U”型錨固溝土工膜最大應變值約為0.08%，最大應力值為0.009 MPa。

圖 5 “V”型（見 a）和“U”型（見 b）錨固溝內的土工膜大主應變分布線

經過對比分析：“U”型錨固溝埋置土工膜形式所造成土工膜的最大應變及最大應力數值均最小；而錨固于防浪墻之上的土工膜所要承受的應力及應變值最大?？紤]到底溝水庫大壩高程符合要求，因此無需設置防浪墻，而土工膜錨固采用“U”型錨固溝形式最為合適。

3 土工膜防滲斜墻施工要點

3.1 土工膜鋪設施工

①上游壩坡按1∶1.5坡度平整，并人工碾壓密實，碾壓相對密度不得低于0.7，平整度要求小于5 cm；之后從下至上鋪設中細砂墊層，厚度由500 mm逐漸減小至300 mm；

②為加快鋪設速度，本項目要求先行將兩幅土工膜利用LB-2膠水粘結，粘結寬度不小于10 cm，涂抹膠水厚度為0.6 mm。之后在接縫處加粘一條寬8 cm土工膜，土工膜保證防滲性；

③鋪設土工膜時，在接縫處打褶，褶皺寬度在20 cm～25 cm，在槽口等位置褶皺寬度不得低于50 cm，要使整個土工膜沿壩軸方向呈寬松狀態(tài)；

④本項目土工膜為PE膜，在施工現場適合采用熱焊接機焊接，具體型號為2PH-213。在焊接前要求人工清理土工膜焊接位置，并鋪設平整。焊接時需要重點控制好溫度及行走速度，本項目要求焊接溫度控制在250℃～320℃范圍內，行走速度控制在1.5 m/min～2.0 m/min。正式施工前首先進行試驗，確保各項參數合理后再進行施工。

3.2 中細砂墊層鋪設施工

①首先將墊層砂料中粒徑大于5 mm粗顆粒篩除，鋪設從上游坡面中最低點開始。本項目要求墊層厚度在300 mm～500 mm，因此一次鋪設至規(guī)定厚度，不再分層鋪設；

②利用木板將墊層刮平并灑水，使其達到設計干容重。當下墊層鋪設幅寬超過4 m后就可隨即鋪設土工膜。土工膜之上依然為中細砂墊層，施工步驟與下墊層一致。墊層施工均采用人工夯實，不得采用機械。

4 結語

底溝水庫壩體防滲通過應用土工膜防滲斜墻技術后，防滲性能大大提高，經過近兩年的運行使用后，其滲流量依然遠小于標準值，說明防滲加固取得了很好的效果。壩體防滲必須立足于工程實際，結合地質、水文條件來確定最合適的防滲方案，尤其是土工膜頂部錨固及粘結方式上必須要保證牢固且能承受一定的應力應變。