土工膜在水库除险加固工程中应用

土工膜在水库除险加固工程中应用

土工膜在水库除险加固工程中应用　　摘要：土工膜作为一种良好的防渗材料，由于整体性好，铺设简便，施工速度快，适应堤坝变形能力强，重量轻，运输方便，在工程中得到了广泛的应用，结合王家沟水库大坝坝坡不稳定的情况，提出土工膜防渗的方案，有效的降低了大坝的浸润线，使大坝坝坡保持稳定。关键词：病险水库；渗流；稳定；土工膜；施工工艺中图分类号：TU7文献标识码：A目前在坝工中，特别是土石坝中，土工膜作为防渗材料已被广泛地采用，其使用量约为土工织物使用量的11％左右。土工膜在坝工中的应用，从地域上看已很广泛，国内外已经普遍接受了这种新型的防渗材料和技术。许多工程实录都表明它的防渗效果良好、经济、施工方便，有推广使用价值。1工程概况7n王家沟水库位于甘肃省静宁县西北部，距县城以西约29公里，水库总库容302.17万m3，为小(Ⅰ)型水库，控制流域面积21.1Km2，主流长6Km，沟道平均比降0.015，下游保护人口2100人，耕地5500亩。水库建成于1975年，大坝结构形式为黄土均质坝，采用水中倒土的施工方式筑成，质量较差，最大坝高30m，坝顶宽8.5m，坝体上游边坡平均坡比为1:3.25，坝下游坡设2级马道，下游坝坡自上而下为1:3.2、1：3.2、1:3。该水库在保护下游行洪安全及农田灌溉方面起到了重要作用，但经过30多年的运行，水库呈现的问题也越来越多，除了防洪标准及裂缝的问题，大坝的稳定性亦不满足规范要求。本文主要针对王家沟水库除险加固工程坝坡不稳定的情况进行分析。2大坝加固前稳定分析依据土工试验资料，坝体干密度1.32～1.57g/cm3、平均值1.373g/cm3，孔隙比0.722～1.166、平均值0.899，塑限含水量19.4～20.3%、平均值18.5%,坝基干密度1.6g/cm3。坝体抗剪强度指标浸润线以上：C=22.0kpa,φ=23°；浸润线以下：C=17.0kpa,φ=19°。坝基础抗剪强度指标：C=24.5kpa,φ=23°。库址区水文地质条件简单，无低于库水位的邻谷，不存在库水向邻谷的排泄。坝体渗透系数k=3.91×10-5cm/s，坝基为中密---密实状粉质粘土，天然渗透系数为2.56×10-6cm/s，为相对隔水层，不存在坝基渗漏和绕坝渗漏。坝体稳定分析按照SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》稳定分析的方法，采用拟静力圆弧法（瑞典条分法）进行。7n坝坡抗滑稳定最小安全系数采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法进行计算，按规范要求，最小安全系数应比计及条块件作用力时的数值减小8%。根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》，结合王家沟实际运行情况，列举了七种工况的稳定计算成果，各工况下坝坡稳定安全系数及允许安全系数详见图表1所示.王家沟水库大坝由于采用水中填土的施工方式，而且未进行碾压，虽然大坝坝坡较缓，但由于坝体干容重很低，故大坝在以上各工况下，下游坝坡均表现为不稳定。3大坝坝坡稳定除险加固方案优化针对水库大坝下游坝坡不稳定的情况，提出两种解决方案：方案一：上游铺设土工膜，同时调整下游坝坡。方案二：调整下游坝坡，增设排水棱体。3.1大坝上游坝坡铺设土工膜后的坝坡稳定土工膜的渗透系数一般都小于10-11m/s，具有很好的防渗性，可以有效的降低浸润线，王家沟水库设计在大坝上游坝坡铺设土工膜，厚0.5mm，土工膜铺至淤泥面，并沿淤泥面向前铺设15m，设计坝顶宽为6m，上游坝坡保持为1:3.25，下游坝坡自上而下调整为1:3.5、1:3.5，设一级马道。7n当进行土工膜的定量渗流分析时，可以把厚度很薄(1mm)的土工膜，换算为1m厚的渗透系数Ks为l×10-9cm/s的粘土层进行计算；同时考虑到土工膜中不可避免的缺陷，再将其渗透系数加大100倍，按Ks＝10-7cm/s的lm厚的不透水材料进行渗流量和水头分布的数值计算，可以得到近似值。本工程铺设土工膜厚度为0.5mm，折算成0.5m厚渗透系数为10-7cm/s的粘土层，其渗流按斜墙土坝的渗流公式计算。根据渗流计算结果，大坝渗流量比铺设土工膜前至少减少了40%，并且坝体浸润线得到了有效的降低，有利于大坝坝坡的抗滑稳定安全。采用瑞典圆弧法计算铺设土工膜后大坝坝坡的稳定安全系数，详见图表2所示。由以上计算结果可以看出，大坝上游坝坡在铺设土工膜后，各种工况下大坝的上游、下游坝坡均稳定，不会产生滑动破坏。3.2大坝下游坝趾增设排水棱体后的坝坡稳定土石坝常在坝趾设棱体排水，棱体排水是一种可靠、被广泛采用的排水设施。它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护下游坝脚不受尾水淘刷，且有支持坝体增加稳定的作用。设计将坝顶宽度调整为6m，上游坝坡为1:3.25，下游坝坡自上而下调整为1:3.5、1:3.75，设一级马道，下游坝趾设排水棱体，高8m。经过渗流计算，大坝的渗流量略有增大，但是坝体浸润线得到了有效的降低，采用采用瑞典圆弧法计算计算大坝坝坡的稳定，各工况的安全系数见图表3。7n3.3方案优化比选以上两种方案均能够有效的降低大坝浸润线，并且使坝坡变为稳定。但方案一与方案二相比较，大坝的渗流量会更小，而且大坝下游坝坡的稳定系数也更高，另外方案一的投资比方案二的投资可以节省约20万元。故本工程最后选用方案一铺设土工膜的方案，以解决大坝下游坝坡不稳定的问题。4土工膜防渗设计及施工由于王家沟水库大坝上游坝坡存在裂缝及灌木，对大坝上游坝坡需进行清理，将大坝上游坝坡表层深1m的土层挖除，以防止植物根系对坝坡造成新的裂缝，上游坝坡整平夯实后，于原坝面上铺设150g/0.5mm/150g复合土工膜，膜上铺设0.4m厚天然级配垫层料，其上再用15cm厚六角形混凝土预制板干砌护面，土工膜沿淤泥面向前铺设15m，并铺设于淤泥面以下1m深，于淤泥面以下1m设重力式阻滑墩，阻滑墩采用C15混凝土现浇,底宽0.5m，高0.8m。土工膜施工工艺应严格按照《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》SL/T231-98及相关规范执行，严格控制施工过程的每一个环节，如清基，铺膜、焊接、固定等，保证工程的施工质量。7n土工膜的铺膜范围直接影响到防渗效果及浸润线所能降低的高度，为防止坝体渗漏，本工程铺膜范围从坝趾至校核洪水位间全面铺设，为了提高防渗效果及延长渗径，土工膜铺至坝趾后，继续向库区延伸10m。坝端铺到两岸岸坡，挖沟固埋。5坡面防滑措施土工膜作为防渗斜坡，有一定坡度，且薄膜表面光滑与土层及砂石间的摩擦系数小于土石料的摩擦系数，对坝坡不稳定，故必须考虑其稳定性。由于大坝上游坝坡较缓(1:3.25)，本工程设计采用阻滑墩压膜的方式固定土工膜。由于坝顶存在防浪墙，利用防浪墙自身的重量压在土工膜以上，并将土工膜延伸至坝顶1m的范围内，末端设深30cm×宽30cm的齿槽以固定土工膜。在坝趾处设置阻滑墩压于土工膜之上，采用C15混凝土现浇,底宽0.5m，高0.8m。5结语我国大部分水库建于六七十年代，“大跃进”期间，大多水库均未做较细致的勘察设计工作，由于各种资料不全，设计工作存在着较大的缺陷，加上施工质量差、管理工作跟不上，导致当时建设的水库大多都成了病险水库。据统计，由于工程质量差导致垮坝的水库7n，占失事水库总量的35.9～38.5。而在这些病险水库中，大坝碾压质量差，大坝渗漏，大坝坝坡失稳的情况相当普遍，在除险加固中采用土工膜防渗工艺能够有效的降低大坝的浸润线，减少坝体或坝基的渗漏量，而且由于浸润线的降低，明显的提高了大坝的坝坡的抗滑稳定性，特别是在用于整治坝体渗漏时，采用土工膜可较常规方案节省投资65%左右，节省劳力88%左右，有着良好的经济效益，在各类病险水库的除险加固中值得大量的应用及推广。参考文献：[1]牛运光.土坝安全与加固[M].中国水利水电出版社，1998.[2]包承纲，王正宏，等.堤防工程土工合成材料应用技术[M].中国水利水电出版社，1999.[3]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].[4]SL/T231-98，聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范[S].7