浅议平原洼地水库除险加固工程防渗处理设计

浅议平原洼地水库除险加固工程防渗处理设计

浅议平原洼地水库除险加固工程防渗处理设计　　摘要：结合甘肃省高台县内某病险水库工程的缺陷和隐患,分析了中小型平原洼地水库土石坝除险加固中对坝体坝基防渗处理措施的设计原理及方法,并提出了采用新型复合材料即复合土工膜进行防渗处理的设计方案。实践证明,该设计方案防渗效果较好,有效解决了大坝渗漏的问题。关键字：防渗处理复合土工膜防渗效果Abstract:Basedontheflawsandpitfallsofhigh-profilecounty,GansuProvince,adangerousreservoirengineering,earthdamreinforcementofthedamdamfoundationseepagetreatmentmeasuresofdepressionreservoirofsmallandmedium-sizedplaindesignprinciplesandmethods,andtheuseofnewcompositecompositegeomembraneseepagecontroldesign.Practicehasprovedthatthedesignseepagebetter,aneffectivesolutiontotheproblemofleakageofthedam.Keywords:anti-seepagetreatmenteffectofcompositegeomembrane中图分类号：TV文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）11n1工程概况该县地处黑河中游，属大陆性干旱气候，冬夏较长，春秋较短，春季多风少雨，冬季较为寒冷。多年平均气温7.7℃，最低气温-31℃，最高气温38.7℃，年平均最大风速21m/s，最大冻土层深1.06m。该县水库均为平原洼地水库，主要靠修建水库引蓄黑河水，水库位于河西走廊平原区，多年平均降雨量110.4mm，多年平均蒸发量1765mm，集雨面积小，无自产地表径流，水库主要由大坝、输水洞、引水渠、进水闸等建筑物组成。大多水库修建在五六十年代，人工就地取材堆积而成，经过50多年的运行，部分坝体因土质不均，碾压不密实，渗漏严重，土质中盐碱成份较大，经常出现滑塌现象，蓄水量不能满足设计要求，虽经二次加固，但未解决根本问题，使当地人民生命财产受到极大威胁，属带病运行的病险水库。2存在问题经过水利厅安全鉴定，该县大多水库均存在一个共性，即坝体、坝基渗漏严重，存在渗透破坏问题。各坝段普遍存在渗漏现象，坝体隔水能力较差，坝后积水深达30～40cm，后坝脚地面以上1～1.5m高度极潮湿～饱和状，渗水明显，渗水带坝坡略变缓及坝面局部凹陷，存在轻微流土破坏；坝基也存在大量渗漏问题，坝基还存在轻微管涌破坏。3存在问题综合分析11n水库在初建时，未进行勘测设计，由灌区群众突击施工完成，坝体直接座落在天然地面上，没有采取任何地基处理措施，筑坝材料为库区挖出的含腐植质粉细砂和淤泥质壤土不均匀混杂组成，采用人力拖拉铁碾和木夯压实，施工无质量控制体系，无干密度检测手段，也无施工记录。施工过程中坝基及坝体的质量控制难以保证，其施工质量很差。1991年加厚加高坝体时，但实际施工并未完全按照设计进行,仅从后坝坡加厚加高了坝体,坝顶高低不平,宽窄不一,坝体断面亦不规则,虽有简单的设计说明和各坝段的设计横断面图，但筑坝材料仍为库区及其附近的粉细砂及淤泥质壤土不均匀混合组成，设计干密度1.65g/cm3，而实际压实密度无检测资料，无最优含水量控制，施工质量较差。依据本次地质勘察成果，采用北京理正软件设计研究所《渗流分析软件》（5.1版）计算，计算方法为有限元数值分析法，坝体及坝基各部位渗透系数采用试验提供数据，各坝段选取典型横断面，确定坝体浸润线的位置，了解坝内、坝基渗流型态，评价坝体、坝基是否会产生渗透破坏，经计算后确定需要进行防渗处理的坝段。4防渗设计方案的初步选择依据地质勘察确定的防渗土料及新型防渗材料，结合该水库的实际，根据前坝坡和坝基防渗处理措施的不同，拟定两个方案进行比较。11n方案Ⅰ：坝体、坝基采用复合土工膜防渗。首先清除上游坝坡表层的干砌石（或砼预制块）护面及以下30cm坝壳料，然后回填壤土。本次设计根据坝坡复合土工膜上防护材料在各种工况下的抗滑稳定性确定各坝段前坝坡均为1：2.5，所以壤土填筑成1：2.5的坡度后，由里往外依次铺设：0.3mm复合土工膜、0.2m厚的中细砂垫层、0.4m厚的砂砾石混合料防护层、0.2m砾石垫层，然后是0.3m厚的干砌块石护坡。坝基的防渗处理采用坝前铺设复合土工膜防渗，根据有限元数值分析法对坝前铺盖选取各种铺盖长度进行试算，以控制坝基实际渗透坡降小于允许坡降为限制条件，计算确定坝前铺盖的长度；铺盖铺设时首先清除坝前库区表层0.3～0.6m的淤泥质腐质土及杂物，然后直接铺设复合土工膜，土工膜座落于坝前淤泥质壤土上，土工膜上面再依次铺设0.2m厚的中细砂垫层和0.6m的砂土料防护层，砂土料在库区100m外的河滩地取用。11n方案Ⅱ：坝体、坝基采用壤土防渗。首先清除上游坝坡表层的干砌石（或砼预制块）护面及以下30cm坝壳料，然后回填壤土，设计根据坝坡防渗壤土在各种工况下的抗渗和抗滑稳定性确定各坝段前坝坡坡度均为1：2，壤土填筑厚度为0.65～0.9m，壤土上面由里往外依次铺设：0.2m厚的中细砂垫层、0.4m厚的砂砾石混合料防护层、0.2m砾石垫层、0.3m厚度的干砌块石护坡。坝基的防渗处理采用坝前铺筑壤土铺盖防渗，根据有限元数值分析法对坝前铺盖选取各种铺盖长度和厚度进行试算，以控制坝基实际渗透坡降小于允许坡降为限制条件，铺盖铺设时首先清除坝前库区表层0.3～0.8m的腐质土及杂物，然后直接铺筑防渗壤土，壤土铺盖座落于坝前淤泥质壤土上，壤土铺盖上面再铺设0.8m的砂土料防护层以防止库空时发生干裂。5方案的比较经过方案比较：两个方案在抗滑稳定和渗流稳定方面均达到规范要求。方案I铺设复合土工膜有效的解决了坝体及坝基渗漏和渗透破坏，复合土工膜铺设结合坝体加固施工，不受地下水影响，工作场面大，施工难度小，适合群众大规模施工；方案II机械化施工方便，施工进度较快，但所选防渗壤土为耕地土壤，征地费用较高，并且壤土料场开挖后所剩死土在短期内无法达到农作物种植土壤的要求，工程投资也较大；故设计推荐方案I：即复合土工膜防渗方案。6防渗设计6.1.设计工序11n本次设计根据坝坡复合土工膜上防护材料在各种工况下的抗滑稳定性确定各坝段前坝坡坡比，将前坝坡填筑到设计坡比后，由里往外依次铺设：0.3mm复合土工膜、0.2m厚的中细砂垫层、0.4m厚的砂砾石混合料防护层、0.2m砾石垫层，然后是0.3m厚的干砌块石护坡，以防风浪淘蚀。为了防止雨水冲刷和便于坝顶行车，坝顶均铺设20cm的泥结碎石路面。坝坡土工膜铺至高于正常蓄水位0.8m处，设一锚固槽，将布固定。坝基的防渗处理采用坝前铺设复合土工膜防渗，根据有限元数值分析法对坝前铺盖选取各种铺盖长度进行试算，以控制坝基实际渗透坡降小于允许坡降为限制条件，确定各坝段铺盖长度，铺盖铺设时首先清除坝前库区表层0.3～0.6m的淤泥质腐质土及杂物，然后直接铺设复合土工膜，土工膜座落于坝前淤泥质壤土上，土工膜上面再依次铺设0.2m厚的中细砂垫层和0.6m的砂土料防护层。前坝坡坡脚及铺盖前端均设置梯形锚固槽，将土工膜固定，前坝坡坡脚梯形锚固槽采用干砌石护砌；铺盖前端梯形锚固槽采用砂土料回填。　　6.2.复合土工膜设计①材料选择复合土工膜防渗具有防渗效果好，施工简单等优点。所以本次设计是选择WCS-2型两布一膜复合土工膜防渗。膜材厚度0.3mm，土工膜单位面积质量为300g/m2。土工膜物理力学指标见表5-3。WCS-2型两布一膜复合土工膜物理力学指标11n复合土工膜防渗体结构由铺膜基面、复合土工膜防渗层、垫层和防护层共四层组成。②铺膜基面设计根据本工程的实际情况，土工膜铺盖先清除坝前淤泥及坝坡0.3m厚淤泥质粉细砂夹腐殖质壤土层，并用拍板将表面打紧、平整。整平后将土工膜直接压在坝坡和坝基淤泥质壤土层上。③垫层设计坝坡土工膜上面垫层采用筛制的中细砂，粒径5～50mm，铺设时一定要注意不要将土工膜踩破或被利器划破。④防护层设计复合土工膜的防渗效果取决于施工中和运行过程中塑料膜的完好程度，为了防止人畜践踏，动植物破坏以及减少光热作用，由于它们是高分子化纤聚合物，故应特别避免阳光的直接照射，所以复合土工膜上应铺防护层。坝坡防护层设置三层，砂砾混合料防护层、砾石垫层和干砌石。砂砾混合料防护层厚度0.4m，砾石垫层厚度0.2m，砂砾石，应挑出较大石块等其它杂物。干砌石厚度0.3m。坝前土工膜铺盖设置垫层和防护层。垫层采用中细砂，粒径5～50mm。厚度0.2m；防护层采用砂土料，在库区外100m附近的河滩开采，防护层厚度0.6m，回填前应挑出较大石块等其它杂物，以免破坏复合土工膜。11n④复合土工膜联接设计复合土工膜的底边和周边与淤泥质粉细砂夹腐殖质粘土地基、坝坡连接采用开挖沟槽压土锚固方式。沟槽开挖成梯形断面，将土工膜弯折后压实。铺盖首端锚固槽梯形断面边坡1：1，底宽0.6m，深0.6m。坝坡锚固槽梯形断面边坡1：1，底宽0.6m，深0.7m。6.3.施工方法复合土工膜采用人工铺设。土工膜施工宜在气温5℃～35℃、风力4级以下并在无雨天气进行。两布一膜铺设完毕、覆盖防护层时，应在膜的边角处每隔2～5m放1个20kg、40kg重的砂袋压边。①工艺流程：复合土工膜防渗采取边挖、边铺、边夯、边护的区段循环作业。②基面清理：基面一定在按设计要求清理好，这是确保防渗效果的关键，特别是坝体填筑壤土料中的大土块、尖石、玻璃等杂物要彻底清除干净，基面不允许有局部凹凸现象，清理好的基面要用夯锤或夯板夯紧，使之密实平整。③11n复合土工膜铺设：铺设时按以下顺序进行：铺设→剪裁→对正、搭齐→压膜定型→擦拭尘土→焊接试验→焊接→检测→修补→复检→验收。铺膜时，一定要由下而上铺设。两布一膜应自然松弛并与支持层贴实，不宜褶皱、悬空。膜与膜之间及膜与基面之间要压平贴紧，但不宜将膜拉得过紧，一般要略松一点，但不能在膜底留有气泡。施工中应及时清理膜下筑坝壤土料中的各种有害尖锐物体，严禁扎破土工膜。工作人员应严格按操作规程施工，不得将火种带入施工现场；不得穿钉鞋、高跟鞋及硬底鞋在复合膜上踩踏。车辆等机械不得碾压一布一膜膜面及其防护层。在铺膜时面积不宜达大，最好边铺膜边盖中细砂上垫层料及防护层料。根据厂家提供资料，复合土工膜幅宽6m，本工程选用6m幅宽，以减少接头用料。接头用焊粘，接缝宽50mm。焊缝搭接面不得有污垢、砂土、积水(包括露水)等影响焊接质量的杂质存在，否则应用干纱布擦干、擦净膜面。④中细砂垫层：20cm厚的中细砂垫层料一定要过筛，不允许有粒径大于6mm以上颗粒，否则易刺破土工膜。⑤周边接界处理：周边接界处理的要求是将复合土工膜与周边土体联结紧密，封堵渗流入口，截断侧向的渗漏路径，防止渗水进入土工膜底面，形成水泡，在库水位下降时胀破土工膜。因此周边接界一定要挖截水槽，并将土工膜埋入槽内。⑥土工膜焊接的责任制11n复合土工膜的焊接或胶接，必须由熟练的技工或技术人员负责操作和自检。操作过程应有完整的记录，载明每一段接缝操作和自检人员姓名，所用设备或胶粘剂，焊接或胶接日期，天气条件（气温、湿度、风速），焊接温度，爬行速度。在每一班开始之前，先对样品进行试焊或试胶，经测验合格，才能在坝上实行操作。自检人员应对接缝进行丝毫不漏的无损测试。对薄弱部位可以部位采样作有损测试，约500m接缝割取一个样作为测试。如测验结果不合格，应在24小时内通知监理，以便采取补救行动。操作记录、自检记录、有损测试记录都应该经监理签字。7质量保证制度要保证施工质量，必须要有严格的制度，运输、存放、铺设、拼接、检测、监理、缺陷修补、验收等每一环节都应有人负责，严格执行制度，才能保证质量。参考文献：（1）《甘肃省高台县##水库大坝安全评价报告》、《高台县##水库现场安全检查报告》和《高台县##水库大坝安全鉴定报告书》《甘肃省高台县##水库三类坝鉴定成果核查表》（2）《水利水电工程初步设计报告编制规程》(DL5020—93)（3）《防洪标准》(GB50201-94)（4）《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252--2000)（5）《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99)（6）《水闸设计规范》(SL265--2001)（7）《水闸工程管理设计规范》(SLl70--96)11n（8）《碾压式土石坝设计规范》(SL274--2001)（9）《水工混凝土结构设计规范》(SL／T191-96)（10）《水工建筑物抗冻设计规范》(SL211-98)（11）《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97)（12）《水利水电工程施工组织设计规范》(试行)(SDJ338--89)（13）《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74--95)（14）《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189--96)（15）顾臣；复合土工膜的施工和质量保证；水利规划设计；2001年第一期11