土工膜防滲斜墻在水庫大壩防滲加固中的應用

桂長興

(中智建設集團有限公司，江西 鷹潭 335000)

0 前 言

現階段水庫大壩防滲加固中的土工膜防滲斜墻多采用復合土工膜，因此土工膜防滲斜墻的建設必須關注鋪設方向的確定，基于實際情況的復合土工膜鋪設施工設計也需要得到重視。為保證土工膜防滲斜墻更好服務于水庫大壩防滲加固，正是文章圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 土工膜防滲斜墻的設計與施工要點

1.1 鋪設方向的確定原則

土工膜防滲斜墻的設計需關注土工膜的鋪設方向確定，需基于接縫最短原則、拉力大方向的接縫少原則開展設計。所謂接縫最短原則，指的是沿著壩軸線方向進行低壩土工膜展鋪，如較長、較矮的防洪堤，可由此采用較長的土工膜卷材進行展鋪施工，高壩則應從壩頂至壩底進行土工膜展鋪，以此保證接縫最少；需保證接縫抗拉強度能夠達到80%的母材水平，因此接縫應盡可能避免設置在拉力大的方向，以此保證拉力大的方向與土工膜的縱向平行。以高土石壩為例，壩坡方向受力較大，因此應沿上下方向進行土工膜展鋪。對于地質情況良好防洪堤或低壩，需開展針對性計算，如順坡接力較小則需要服從接縫最短原則，這種情況下可不在拉力大的方向設置接縫[1]。

1.2 具體設計與施工要點

PE復合土工膜近年來廣泛應用于土工膜防滲斜墻，具備平面排水能力優秀、防滲性優越等特性，但由于PE復合土工膜較薄，為避免接縫漏水或損失情況出現，必須開展針對性設計。以低壩為例，PE復合土工膜施工一般采用水平鋪蓋并需要針對性開挖趾板槽，對兩岸存在較厚黏性土，則需要進行土槽開挖，一般將需將深度、寬度分別控制為1.5m與2.0m，以此在回填的黏性土內埋設光膜曲折，為保證PE復合土工膜與黏土嚴密結合，需層層夯實。在鋪設安排過程中，豎向橫向接縫應錯開成T字縫，不得存在十字縫；對于壩基覆蓋層較薄的低壩，兩岸趾板槽需首先開挖，趾板底部需開挖至基巖。如土石壩上游坡鋪PE復合土工膜，需在混凝土的趾板進行土工膜的底部澆筑，趾板槽開挖到巖基需沿壩坡底部輪廓線進行，隨后進行混凝土澆筑。需沿著趾板線進行PE復合土工膜埋沒，具體埋設需從河床趾板向岸坡趾板延伸，并在趾板混凝土中澆筑留邊的光膜，一般光膜寬度應控制在210mm左右，以此進行曲折澆筑；壩坡面PE復合土工膜鋪設需關注錨固槽或趾板的開挖完成情況，以此縱向順著趾板或錨固槽走向進行PE復合土工膜留邊光膜的澆埋，基于錨固槽內或混凝土內完成澆埋施工。為與壩中央復合土工膜進行拼接，需露出半邊，并隨之檢查壩面土石料是否存在大塊尖棱石、密實平整情況，通過檢查后方可進行PE復合土工膜的鋪設，基于實際情況的PE復合土工膜裁減也不容忽視，以此更好滿足膠接和焊接需要，溫度收縮及壩體變形帶來的影響也需要同時得到重視。完成鋪設與拼接后，護坡應在48h內完成，必要情況下可通過遮蓋保護施工質量，作業和檢查人員必須穿著軟底鞋且不得抽煙[2]。

2 土工膜防滲斜墻在水庫大壩防滲加固中的具體應用

2.1 工程概況

以江西省某灌溉為主的小(2)型平原注入式水庫作為研究對象，水庫主要負責調蓄水源，無防洪任務。在2019年的水庫大壩評價中，評價確定水庫屬三類壩，存在較大的滲漏量，需要對庫盤、壩體進行防滲加固、培厚加高。在壩體防滲方案的選擇中，由于水庫大壩屬于典型的土石壩，需嚴格遵循“排、壓、截”的壩體防滲處理原則，因此初步得出了兩種水庫大壩防滲加固方案。方案一，設置一定厚度的防滲斜墻于原壩體上游位置，上游設置的防滲斜墻可采用黏性土、瀝青混凝土、土工膜作為采用，具備施工方便、后期維修簡單、質量較高優點的防滲斜墻可滿足防滲加固需要。方案二，設計一層水平鋪蓋于原壩體上游壩坡上，選擇混凝土板、混凝土澆筑層等作為鋪蓋材料，水平鋪蓋具備工期短、施工速度快、防滲效果好等優點，同樣可較好滿足防滲加固需要，但由于鋪蓋面積較大，該方案的成本也較高。綜合對比，考慮到兩個方案在后期維護和施工難度方面相差不大，最終選擇了方案一進行水庫大壩防滲加固，相較于方案二，方案一可實現15%的投資成本降低，因此工程最終設置土工膜防滲斜墻于原壩體上游位置，采用PE復合土工膜作為防滲斜墻材料，具體技術指標如表1所示。

表1 PE復合土工膜技術指標

2.2 土工膜防滲斜墻結構設計

結合類似工程的成功經驗，水庫大壩土工膜防滲斜墻結構設計從下至上分別為：中細砂下墊層→復合土工膜→中細砂上墊層→砂礫石→干砌卵石。具體設計需首先計算防滲斜墻各結構厚度，各砂石層厚度設計墊層主要負責防治壩體內部沖蝕、平整壩面、保護土工膜完整性，基于類似工程設計，文章研究水庫大壩土工膜防滲斜墻設計采用300mm-500mm厚度的細砂墊層，細砂的粒徑范圍控制在細砂墊層區間。選用250-500mm厚度的干砌卵石層，卵石含量控制在70%以上，卵石直徑控制在2-5cm區間，采用中細砂充填孔隙。采用200-300mm厚度的砂礫石層；為保證土工膜防滲斜墻各部分功能充分發揮，還應針對性計算復合土工膜厚度，復合土工膜滲透量、所需厚度等參數的精確計算極為關鍵，文章研究工程的相關計算采用薄膜理論公式和蘇聯經驗公式，具體公式如下：

(1)

(2)

式中：T、P、d、h、ε分別為土工膜厚度、水壓力、土粒直徑、撓度、土工膜抗拉應變，由此，工程最終選擇了0.3mm厚度的PE復合土工膜[3]。

為保證PE復合土工膜更好服務于水庫大壩土工膜防滲斜墻建設，還需要針對性開展土工膜頂端錨固形式及受力設計。深入分析可以發現，復合土工膜需要在工程中設置于壩體上游，且時刻受到壩體沉降、水壓力影響，如出現超過極限值的應力變形，PE復合土工膜便會撕裂，這將導致土工膜防滲斜墻的防滲性能大幅下降?；谕惞こ探涷灴梢园l現，應力變形直接受到壩頂處土工膜錨固形式影響，現階段埋固和剛性錨固屬于主要的土工膜錨固形式，因此需重點分析、優選錨固形式，為模擬PE復合土工膜的應力應變值，工程采用了ABAQUS軟件，由此得出了表2所示的模擬參數。

表2 模擬參數

開展針對性的土工膜剛性錨固形式分析可以發現，在防浪墻設置于壩頂時，可在剛性防浪墻底部或之上錨固PE復合土工膜，足夠結合長度的預留也不容忽視?；趫D1所示的土工膜剛性錨固形式最大主應變分布可以發現，該圖對錨固于防浪墻底部及面上的PE復合土工膜在水庫滿蓄期的最大主應變分布線進行了模擬，結合模擬可發現PE復合土工膜的最大應變值、最大應力值分別為0.22%、0.025MPa。

圖1 最大主應變分布

進一步分析土工膜埋固形式可以發現，如未設置防浪墻于壩頂，為保證PE復合土工膜頂部錨固牢固性，需在壩頂的錨固溝內埋置PE復合土工膜，這里存在“U”型和“V”型兩種錨固溝形式。圍繞“U”型和“V”型錨固溝內PE復合土工膜水庫滿蓄期最大主應變進行模擬可以發現，“U”型、“V”型錨固溝PE復合土工膜的最大應力值分別為0.009MPa、0.025MPa，最大應變值分別為0.08%、0.17%。開展針對性對比分析可以確定，“U”型錨固溝埋置PE復合土工膜存在最小的最大應力數值及最大應變，PE復合土工膜錨固于防浪墻上則會承受最大的應力及應變值?？紤]到工程大壩高程實際，由于不需要設置防浪墻，工程最終選擇了“U”型錨固溝形式進行PE復合土工膜錨固。

2.3 土工膜、中細砂墊層鋪設施工要點

PE復合土工膜的鋪設屬于水庫大壩土工膜防滲斜墻施工的重要環節，施工過程中采用1∶1.5坡度進行上游壩坡平整處理，需同時保證人工碾壓密實，平整度、碾壓相對密度需分別控制在5cm內、0.7及以上。隨后開展的中細砂墊層鋪設需從下至上進行，最初的鋪設厚度為500mm，隨后逐漸減小，最終降至300mm。為保證鋪設施工效率，施工過程中需首先采用LB-2膠水黏結兩幅PE復合土工膜，采用最窄10cm的黏結寬度及0.6mm的涂抹膠水厚度，還需要加黏寬8cm土工膜于接縫處，以此更好保證PE復合土工膜防滲性能。PE復合土工膜的具體鋪設施工需在接縫處打褶，采用20-25cm的褶皺寬度，如處于槽口等位置，則需要采用低于50cm的褶皺寬度，以此沿壩軸方向保證整個土工膜呈寬松狀態?；赑E復合土工膜特定，施工采用2PH-213型號的熱焊接機焊接，焊接前需對土工膜焊接位置進行人工清理并保證鋪設平整，具體焊接過程則需要對行走速度和溫度進行控制，需基于1.5-2.0m/min的行走速度、250℃-320℃的焊接溫度進行施工。還應做好正式施工前的試驗工作，施工的正式開始必須保證各項參數合理；中細砂墊層鋪設施工需首先篩除>5mm粒徑的粗顆粒，以此從上游坡面最低點進行鋪設施工，基于300-500mm的墊層厚度，施工未采用分層鋪設，而是保證一次鋪設至規定厚度。在基于木板進行墊層刮平處理后，為保證中細砂墊層達到設計干容重，還需要針對性進行灑水處理，PE復合土工膜的鋪設需在下墊層鋪設幅寬超過4m后進行。PE復合土工膜之上仍為中細砂墊層，因此需開展同樣的施工，具體施工過程的人工墊層夯實也不得忽視，不得使用機械，避免出現PE復合土工膜損壞問題。

3 結 論

綜上所述，土工膜防滲斜墻可較好服務于水庫大壩防滲加固。在此基礎上，文章涉及的土工膜防滲斜墻結構設計、土工膜與中細砂墊層鋪設施工要點等內容，則提供了可行性較高的土工膜防滲斜墻施工路徑。為更好保證水庫大壩防滲加固效果，土工膜防滲斜墻施工必須結合水文條件、地質條件、工程實際針對性開展，土工膜防滲斜墻的設計與施工、錨固及黏結方式的合理選擇也不容忽視。