复合土工膜防渗技术在五二水库除险加固工程中的应用

复合土工膜防渗技术在五二水库除险加固工程中的应用

复合土工膜防渗技术在五二水库除险加固工程中的应用11122赖翼峰邓坚陈向日钱树生姚少雄（1广东省水利水电科学研究院，广州，510610；2广东省水利厅）摘要：在五二水库除险加固工程中应用复合土工膜防渗技术取得了十分显著的效果，本文以复合土工膜的选择、设计及施工技术要点为主线介绍了该防渗技术的应用情况。1工程概况五二水库位于漠阳江支流，新兴县天堂镇五二村境内，距新兴县城约48公里。水库流域面积231.1km，库容19万m，灌溉农田500亩，解决6000多人饮用水问题，是一宗防洪、灌溉、居民饮水相结合的小（二）型水库。五二水库按二十年一遇洪水设计，二百年一遇洪水校核。工程主要建筑物有均质土坝、溢洪道和放水涵。土坝顶长54.6m，最大坝高20.6m；开放式溢洪道，净宽5.0m；放水涵内径0.4×0.4m，放水开关为斜卧管（级窦放水）。33工程于1972年11月开工，1974年4月建成。原设计总库容11万m，兴利库容为8.5万m，最大坝高14.6m。1980年10月为满足农业用水需要，对土坝进行了加高，最大坝高到20.6m，加3高6.0m，兴利库容提高到11.5万m。限于当时的经济社会条件，水库设计标准低，配套设施不够完善，施工也较为粗放。经过近30年的运用，工程建筑物老化，存在工程隐患。危及水库安全并影响正常效益的发挥。主要问题如下：(1)坝体施工时采用人工上土，未经机械碾压，坝体透水性较强，主坝渗水量大，水库一直不能蓄水至设计水位；(2)主坝迎水坡块石风化破碎，浪蚀土体较严重；背水坡没有排水沟和上坝步级，坝面受雨水侵蚀造成表土流失；反滤体堵塞；溢洪道为木制闸门，底板侧墙批荡砂浆剥离，砌石松动，泄洪时水流沿底板渗入山体，出流不畅，因此已废弃多年无法使用；(3)放水斜卧管（级窦）漏水严重，涵管底淘空断裂，危及主坝安全；(4)没有进库道路及管理用房等。2除险加固内容及实施效果为确保水库安全运行并发挥正常效益，亟须进行除险加固。五二水库除险加固及配套建设的主要内容有：(1)主土坝土工膜防渗处理，确保水库正常蓄水；(2)改建溢洪道：砌筑实用堰，底板侧墙衬护；(3)级窦放水涵改为虹吸式放水涵；(4)新修进库道路3.5km及水库管理用房98平方米。除险加固工程于2001年10月陆续开工，2003年4月完工并蓄水。从蓄水情况来看，除险加固工程效果良好，水库渗漏基本消失，水库水位顺利达到设计水位；虹吸放水涵及溢洪道运行正常。下面仅对复合土工膜防渗技术在该水库除险加固工程中的应用情况进行总结。3防渗方案的选择一般来说，已建水库的渗漏处理原则是“上堵下排”。“上堵”措施可分为三大类：水平防渗、迎水坡斜坡防渗和坝身垂直防渗。水平防渗有粘土水平铺盖和水下抛土等；迎水坡斜坡防渗有粘274n土贴坡、坡面钢筋网混凝土防渗和铺设土工膜防渗等；垂直防渗有混凝土防渗墙、高压定向喷射板墙、粘土截水墙、坝顶开槽并铺设土工膜直立防渗、灌浆等。“下排”主要指背水坡排水，有开沟导渗、做反滤体等。在确定防渗措施之前，必须对坝体、坝基进行钻探，综合考虑各方面的因素，其中最主要的是坝址的水文地质条件，要了解河床覆盖层情况，有无相对的不透水层、厚度及其连续性，砂砾石层平面与空间的分布、级配、渗透系数等等，据此分析渗漏的主要原因，确定有效而经济的防渗措施。五二水库为均质土坝，施工时坝基清挖不彻底，施工采用水中倒土法和土上浇水法填筑。[1]地质钻探资料表明：筑坝土料多为附近山坡风化残积砂砾土，土料粗细不均，砾石成分为强风化砂岩，砾径多在2～6cm之间，密实度差，透水性中等；坝基不存在软弱土层及渗透性大的砂卵石层，基底为坚硬的岩石。据此分析，五二水库渗漏主要是坝体渗漏。因此，可采用“上堵”措施中的迎水坡防渗或坝身垂直防渗来解决渗漏问题。对土坝坝体的渗漏缺陷，我省常用的处理方法是灌浆。灌浆的原理简单，处理效果也有保证，尤其在坝基存在渗漏通道和两岸山体存在裂隙的情况下效果良好。但工程投资较大。考虑到坝址附近地区粘土料场和对外交通情况，经技术经济比较，本工程决定选用复合土工膜铺设于上游坝坡的防渗措施。4复合土工膜的选择随着现代高分子化学工业的飞速发展和石油冶炼工艺的提高，合成纤维新品种和高分子合成的新型材料不断出现和改进，土工膜就是这些人工合成材料的一种。-10土工膜是具有高阻水防渗功能（渗透系数k≤1×10cm/s）的土工合成材料，其用于渠道防渗已有50多年的历史，但用于坝工（土坝、混凝土坝）的防渗还是近十余年的事。初期，人们对土工合成材料的使用寿命存在较多的顾虑，这个问题对于土工膜的研究人员、生产厂家及设计人员，即使是化学家们来说，也都难以作出明确的回答。国外检测结果发现，聚乙烯（PE）薄膜用于防渗结构埋设于地下，运行十余年后性能仍然稳定；前苏联150多座土坝使用聚合物土工膜防渗，二十余年效果仍很好。因此，各国对土工膜的使用寿命规定不完全一致。美国规定用于服务年限为25年的防水工程；前苏联水工科研院根据已建工程的观测结果认为埋在土中和水下的聚合物土工膜，使用寿命可达50年；德国通过10多年的科研和实践认为，聚合物土工膜使用寿命为50～100年。我国颁布的土工合成材料应用规范中尚未对土工膜的耐久性问题作出阐述，1983年编的《水工设计手册》中提及“在高50米以下，寿命在50年以内的坝，使用塑料薄膜斜墙没有问题”。根据水利部1998年颁发的《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98），“只要经过科学论证，大于50m的高水头拦水建筑物也可以采用土工膜防渗”。现在，土工膜已在渠道防渗、病险水库防渗加固、库盘防渗、施工围堰、堤围等工程及抗洪抢险中获得广泛应用。根据国内外土工膜的应用情况，结合五二水库的特点确定选用两布一膜的复合土工膜作为防渗材料。复合土工膜是无纺土工布和土工薄膜两种材料复合而成的，它集中了两者的优点。一方面土工膜隔水防渗，另一方面土工布可以保护土工膜免遭尖锐物刺破，还可以因土工布的排水作用，排出膜后的渗透水，防止膜被水和气抬起而失稳，同时又可提高与上游坝坡接触面的摩擦系2数。五二水库选用的复合土工膜的物理力学指标如表1。复合土工膜用量累计1600m。5复合土工膜防渗工程设计五二水库的复合土工膜防渗设计详见附图，下面对防渗设计中的几个设计要点进行分析介绍。5.1防渗层结构复合土工膜防渗层结构包括支承层、土工膜层、保护层三部分。275n表1-1复合土工膜物理力学指标单位面膜厚拉伸强度撕裂强度断裂伸长顶破强度耐静水压积重量（mm）（kN/m）（kN）（%）（kN）（MPa）2（g/m）纵向横向纵向横向纵向横向0.8Mpa水6500.52.114.011.30.380.376598压不渗漏（1）支承层：是保证土工膜安全、稳定、隔水、防渗的必不可少的重要组成部分。要求填铺密实，起到安全支承的作用，同时还起到水力学（排水、渗滤）和力学（应力分布）方面的作用。支承层设置在迎水坡面，支承层主要有以下几种：①土支承层：有粘土、壤土等；②砂土支承层：铺筑厚度不宜小于10cm；③砂砾支承层：铺筑厚度在10cm以上，要求砂砾粒少于6mm，并应避免带尖角的颗粒；④素混凝土、无砂沥青混凝土、冷沥青混凝土等支承层：支承土工膜的效果好，但造价高，一般工程不宜采用。五二水库采用先对迎水坡进行修坡、平整，然后，再铺设100mm中细砂作为支承层。（2）复合土工膜层：起隔水防渗作用。（3）保护层：起保护土工膜的作用，同时可作为土石坝的上游护坡，防止日晒雨淋、坝坡径流、水库风浪及人为活动对土工膜的破坏，有效地延长土工膜的使用寿命。保护层分刚性和柔性两种。目前，常用现浇钢筋混凝土面板的刚性保护或预制混凝土块拼接的柔性保护层。五二水库由边长40cm×厚6cm的六边形混凝土预制块，拼装组成柔性面板保护层。拼接时，预制块间预留1cm伸缩缝，缝内抹沥青或PT防渗胶泥。5.2铺膜范围及周边联接结构铺膜范围直接影响防渗效果，五二水库主要解决坝体渗漏问题，因此，铺膜范围应从坝趾至校核洪水位（附加必要的安全超高）间全面铺设，坝端则铺设至两岸基岩。为便于复合土工膜的铺设和锚固，沿上游坝坡铺设至坝顶防浪墙基。周边联接结构是保证土石坝应用土工膜防渗效果的重要措施。土工膜的铺设，应与坝基或坝基防渗体及其两岸不透水基岩相接。对于迎水坡的虹吸式放水涵及溢洪道进口的衔接部位也要严格按要求处理。5.3坡面防滑设计问题土坝的除险加固，首先要复核上下游坝坡的稳定性，在保证坝坡稳定的前提下再进行防渗方案设计或结合防渗设计确保坝坡稳定。土工膜作为斜坡防渗材料，在坝坡稳定的前提下，仍必须考虑其铺设后的坡面稳定性。主要是复核土工膜和砂土（坝体接触面）之间的抗滑稳定。如果稳定性不满足，则需将坝坡面开挖成锯齿形状或在坝坡面增设矩形槽沟和台阶，通过增强联结和咬合防止滑动。由于五二水库坝坡较缓，坝高也较低，经计算复核，仅需在坝上游坡中段位置设一道防滑齿槽，即可保证土工膜和保护层间不滑动。5.4土工膜厚度的计算和确定土工膜一面承受膜面保护层、水压力及相关的外部静、动荷载，另一面为坝面砂土支撑层，土工膜必须有一定的厚度和强度，才能承受压力而不致破坏；而且，由于膜的厚度直接影响材料成本。因此，必须计算确定土工膜的厚度。土工膜厚度的计算，主要根据膜的允许拉应力、膜下垫层粒径、膜上荷载及膜基变形可能出276n现的状况等建立计算公式。目前，国内外对利用土工膜进行防渗设计还没有统一的设计规范，各种经验计算方法很多。需要说明的是，这些计算式并没有考虑施工荷载和抗老化等问题，因此，在确定土工膜厚度时，应参照市场产品规格，选用大于计算厚度的土工膜产品。而且，根据经验，在土石坝防渗工程中，膜厚度不宜小于0.25mm。五二水库属小（二）型水库，作用水头不大，计算膜厚0.15mm，考虑到本工程用量不大，而且旨在推广应用土工膜防渗技术，因此选用稍厚的土工膜产品。产品性能见表一。5.5土工膜后排渗能力核算主要核算针对膜后无纺布和砂垫层的导排水能力，即当上游水位骤降时，坝体中部分水量将流向上游，沿土工布顺流至坡底，能否及时排走。五二水库坝基不存在软弱土层及渗透性大的砂卵石层，基底为坚硬的岩石，而坝体填土的密实度差，透水性中等；因此，通过核算，认为只要翻修及完善原坝后反滤棱体即可满足坝体排水要求。6复合土工膜防渗工程施工6.1施工流程施工流程为：坝坡面平整及坝坡调整→基础部分开挖及清理→防滑齿槽开挖→周边固埋沟开挖→铺设中细砂垫层并夯实→铺设复合土工膜、薄膜及无纺布连接→回填夯实齿槽→周边固埋沟回填→铺设混凝土预制块保护层→验收。6.2施工工艺和要求（1）坝坡面平整及坝坡调整要求做到坝坡面平整，无尖锐物。施工时要排空水库，清除淤泥、乱石、杂草、杂物、树根、竹根等，按设计坝坡削坡翻松整修并严格整平坡面，夯实基面，同时要妥善处理好坝坡塌坑、裂缝、岩基上洞穴裂隙、地下泉涌等，开挖坝踵截流槽、锯齿槽和坝肩固埋沟，排水清基至岩面或不透水层，设重力礅或挡土墙将膜料压入基底。（2）复合土工膜铺设坝坡面处理完毕，并经验收合格后，再将复合土工膜卷材自上而下沿坡面徐徐展放至坝趾，四周边缘要展平。铺设时不要拉得太紧，使其处于自然状态。为适应变形，宜留出必须的放松量（大约1.5%～5%）置成波纹状折皱。铺膜完毕后应仔细检查，接头是否符合要求，膜面是否有破漏等，否则应及时采取相应补救措施，直至合格后才能回填保护层。施工人员严禁穿硬底鞋。（3）土工膜料连接土工膜均以卷材的形式出厂的，受生产设备限制和便于运输和存放，出厂的土工膜长度和宽度均有一定的限制。一般长度约50m一卷，宽度2～6m，实际施工中，接缝是不可避免的。土工薄膜的连接是施工的关键工序，现场土工膜的接缝有搭接、粘接和焊接。粘接和焊接的效果较好。塑膜与RmRVC及复合柔毡一般用粘接法，其材料有沥青、氯丁胶、万能胶、专用配套粘结剂，如EVA胶、PE粘合剂等。薄膜接头粘接宽度要保证10～20cm。施工时土工膜下面垫一块长2m，宽20～30cm刨光木板，用布把需粘接的土工膜上污物、水分、尘土等擦干净后，将粘合剂均匀地涂在土工膜上，接着将另一幅土工膜顺势展开粘接上去，再在面缝中贴上白色胶带纸，然后用油印滚筒来回推压4～5次，使接头贴紧牢固，结合紧密。PE复合土工膜的连接一般采用热焊接法，即把PE复合土工膜相接的表面用专用焊接机（厚度≥0.3mm时）或衡温电熨斗（厚度<0.3mm时）加热处理，使之表面熔化，沿接缝宽度10～20cm内焊1～2道焊缝。五二水库使用的复合土工膜由0.5mm的PE膜和两侧无纺土工布组成，幅宽4m，膜的接缝采用专用焊接机热焊接，土工布采用专用缝纫机缝接，接缝宽度10～20cm。（4）周边接触边界处理277n目的是防止坝基和绕坝渗漏。根据表面观察，五二水库土坝两侧山体表面为破碎的岩体。因此，两侧周边固埋沟至新鲜基岩或坚实不透水层，固埋沟底宽30cm，深50cm，边坡1:0.3，梯形断面，固埋沟中铺上厚5cm、M10水泥砂浆，将膜铺在上面一半的位置，垫上厚5cm、M10水泥砂浆，然后浇筑C25混凝土截水墙固埋。下端固埋则采用重力防滑礅，膜料嵌入其下，以防膜料和保护层滑动，上端嵌入坝体0.5m固埋。坝趾开挖截水混凝土墙沟，沟深视开挖处的地质情况而定。（5）保护层（坝坡面）砌筑土工膜铺好后应尽快砌筑坝坡面保护层，防止长时间曝晒使薄膜老化。五二水库施工中，在复合土工膜铺好检查无破裂和损伤后，即按一定方向同步进行混凝土预制块保护层的铺设和砌筑。施工中应避免石块、重物、尖锐物体直接砸击或接触土工膜，以免薄膜穿刺破坏。6.3土工膜施工质量控制及检验土工膜施工质量控制分为原材料的质量控制和施工过程中的质量控制。（1）建立质量检验制度：设专人对原材料、粘结剂、接缝、铺设面的平整度、周边连接等作经常性检查和控制。土工膜出厂前必须进行严格的质量检测，有必须有质量检测报告，防渗主膜上不允许有针眼、疵点和薄弱环节。在运输过程中不允许砸、扎和撕裂破坏。运至施工现场后应专门抽查产品质量。从出厂至施工过程，不得受日光长时间照射。（2）在土工膜铺设过程中，随时进行外观检查。坝高每升高2～4m，应沿膜两侧抽样开挖探孔，检查土工膜的平整度、褶皱、顶破、断线、漏缝、粘缝脱裂等情况，发现问题及时补救。（3）做好施工记录，以及施工资料、气温、各种原材料试验及质量事故报告。（4）施工期间应对土工膜的铺设、周边连接等分部工程进行中间验收，确保施工质量。7使用复合土工膜防渗的经济评价中小型水库除险加固工程中，无论是采用灌浆还是其它方法进行防渗处理，但涉及坝坡护面这部分的投入是相同的。因此，使用土工膜防渗和其它防渗技术手段的经济技术比较，主要就是土工膜的材料费用、铺设成本和其它防渗方法的直接投入的比较。2目前PE复合土工膜的市场单价大约为8.0～13.5元/m，随着使用量的增大，生产成本还有2下调的空间；铺设成本5.0元/m左右，因此，土工膜防渗造价还是较为低廉的。五二水库如果采用劈裂灌浆处理，若按在坝顶靠上游一侧布置一排孔距为5m的灌浆孔，工程投资约需6万元。使用土工膜防渗工程投资仅2.5万元。8结语复合土工膜防渗技术在五二水库的成功应用表明，该项技术具有造价低、施工工艺简单、设备少、施工速度快、防渗性能好且能适应坝体变形、耐腐蚀、不怕鼠、白蚁破坏等优点，在我省水利工程特别是中小型水库除险加固的防渗和渠道防渗有广泛的应用前景及推广价值，但其推广应用必须根据工程的具体情况，科学设计，严把材料质量关，在此基础上精心施工，严格遵守《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》，只有这样才能获得较理想的防渗效果。参考文献[1]新兴县五二水库除险加固工程设计书，新兴县水利水电勘测设计室，2002年10月；[2]土工膜在水利工程中的应用，广东省水利水电科学研究院，2000年2月；[3]水利水电工程土工合成材料应用技术规范（SL/T225-98），中华人民共和国水利部，1998年11月。[4]土工合成材料应用技术规范（GB50290-98），国家技术监督局、中华人民共和国建设部，1998年12月。278