土石壩復(fù)合土工膜防滲技術(shù)應(yīng)用探討

李 紅 良

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 土工膜防滲技術(shù)的發(fā)展

1991年，國(guó)際大壩會(huì)議發(fā)表了題為《土工膜用于大壩止水——國(guó)際先進(jìn)水平》的第78號(hào)通報(bào)，闡明了土工膜對(duì)于混凝土壩、圬工壩等各類填筑壩皆為一項(xiàng)成熟技術(shù)。歐洲是應(yīng)用土工膜于壩工的開拓者，1993年土工膜各土工合成材料歐洲工作組專門研究了歐洲的80多座壩并建立了數(shù)據(jù)庫(kù)。

我國(guó)采用土工膜防滲技術(shù)開始于20世紀(jì)60年代中期，用于渠道防滲，從80年代開始，土工膜開始應(yīng)用于中小型土石壩工程的除險(xiǎn)加固，80年代末至90年代初，一些新建的中小型土石壩工程開始使用土工膜防滲。21世紀(jì)以來(lái)，已有10余項(xiàng)工程采用復(fù)合土工膜防滲，新建的最高壩為56 m，險(xiǎn)壩加固高85 m，運(yùn)行情況良好。

國(guó)內(nèi)復(fù)合土工膜的生產(chǎn)廠家以民營(yíng)企業(yè)為主，生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品質(zhì)量的保證率低，設(shè)計(jì)單位對(duì)材料的質(zhì)量信心不足，故其在工程設(shè)計(jì)中采用的較少，多在一些中小型工程中以及后期維護(hù)難度不大的項(xiàng)目中采用。土石壩的防滲土工膜通常設(shè)置在上游壩面。

2 復(fù)合土工膜斜墻壩體的防滲設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合土工膜防滲體系的結(jié)構(gòu)

防滲結(jié)構(gòu)包括防滲材料的上墊層護(hù)面、復(fù)合土工膜、下墊層下部的支持層和排水、排氣設(shè)施(圖1)。

護(hù)面材料可根據(jù)防滲結(jié)構(gòu)的坡比采用壓實(shí)土料、砂礫料、水泥砂漿、干砌塊石、漿砌石及混凝土板。

下墊層支持層可采用透水材料，如砂礫料、無(wú)砂混凝土、瀝青混凝土、土工織物等。

膜下排水排氣設(shè)施可采用逆止閥、排水管或縱橫排水盲溝等形成完整的排水排氣系統(tǒng)。

圖1 土石壩復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)圖

2.2 復(fù)合土工膜斜墻與防滲帷幕的連接

復(fù)合土工膜斜墻與防滲帷幕灌漿的連接采用將土工膜錨固在帷幕灌漿的蓋重趾板混凝土結(jié)構(gòu)上，形成地下地上的空間防滲體系(圖2)。錨固

圖2 復(fù)合土工膜與趾板連接圖

要求：清除錨固面復(fù)合土工膜面上的無(wú)紡布，趾板面平整干燥，在混凝土面及土工膜面上涂刷瀝青，在混凝土面上采用3道扁鐵壓接，采用間距30 cm、φ16的不銹鋼膨脹螺栓固定50 mm×100 mm的鍍鋅扁鐵將土工膜在混凝土面上壓緊，錨接寬度根據(jù)水壓的不同采用60～100 cm寬，錨固位置可以采用設(shè)在趾板混凝土的靠壩側(cè)面或趾板混凝土靠壩側(cè)的斜面上兩種。

2.2.1 在趾板混凝土的靠壩側(cè)側(cè)面錨固

復(fù)合土工膜的錨固段采用先錨固、后填筑壩體,填壩時(shí)易損壞土工膜,其修補(bǔ)量大、焊縫多、材料耗量大，因此對(duì)預(yù)埋的土工膜需設(shè)保護(hù)。當(dāng)采用先填壩、后沿趾板人工挖槽錨固土工膜時(shí)，人工開挖過(guò)渡料工作量大，且人工回填的過(guò)渡料只能采用人工夯實(shí)，效率低；粘結(jié)面的空氣不能夠完全排出，有氣空區(qū)，且因水壓力平行粘結(jié)面，存在被水壓力擊穿的隱患。

2.2.2 在趾板混凝土的靠壩側(cè)斜面錨固

在壩體填筑完成、復(fù)合土工膜的支持層施工完成后，復(fù)合土工膜錨固段的施工與壩面土工膜的施工同時(shí)進(jìn)行，采用自上而下鋪設(shè),在趾板混凝土斜面上錨固，粘結(jié)面的空氣能夠完全排出且施工方便，錨固段的施工質(zhì)量可以得到保證，水壓力垂直粘結(jié)面，對(duì)粘結(jié)面受力有利(圖3)。

圖3 復(fù)合土工膜與趾板連接圖

2.3 復(fù)合土工膜材料的選擇

《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50290-2014)規(guī)定：“1級(jí)、2級(jí)建筑物土工膜選用厚度不應(yīng)小于0.5 mm,高水頭或重要工程應(yīng)適當(dāng)加厚；3級(jí)以下工程，膜的厚度不應(yīng)小于0.3 mm”。

在土工膜兩面結(jié)合無(wú)紡?fù)凉げ夹纬蓮?fù)合土工膜以提高膜的力學(xué)性能及膜的施工性能，采用了聚乙烯膜(PE)。

2.4 防滲體系的穩(wěn)定分析

土工膜支持層的穩(wěn)定分析按土石壩的穩(wěn)定分析方法進(jìn)行。

復(fù)合土工膜與支持層和上部保護(hù)面層間的穩(wěn)定性采用摩擦安全系數(shù)法分析：

式中K為抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)。根據(jù)土石壩的等級(jí)、運(yùn)行條件按《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5395-2007)中10.3.12條的規(guī)定取值；f為土工膜與支持層或保護(hù)面層面的摩擦系數(shù)。復(fù)合土工膜與砂礫石支持層的摩擦系數(shù)取土工β(β為填筑砂礫石的內(nèi)摩擦角)。復(fù)合土工膜與無(wú)砂混凝土支持層的摩擦系數(shù)f=1～1.5, 復(fù)合土木膜與預(yù)制混凝土面板保護(hù)層施工期的摩擦系數(shù)與預(yù)制板底面的平整度有關(guān),一般取f=0.4～0.5；在復(fù)合膜面有水時(shí)，f=0.35～0.4。f可以采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試法確定；α為坡面水平角；tanα為土石壩的上游坡比。

開茂水庫(kù)庫(kù)容為2 245萬(wàn)m3，水庫(kù)由一座主壩、五座副壩組成，副壩最大壩高25 m，副壩采用灰?guī)r料填筑，過(guò)渡料采用老北川河道清淤料，壩體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 副壩結(jié)構(gòu)圖

堆石區(qū)石料的力學(xué)參數(shù)C=40～80 kPa，φ=40°。

過(guò)渡層石料的力學(xué)參數(shù)C=30～60 kPa，φ=38°。

開茂水庫(kù)副壩復(fù)合土工膜防滲體在正常運(yùn)行條件下的穩(wěn)定分析：

該土石壩級(jí)別屬Ⅲ類工程，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)取值：正常運(yùn)行條件下K=1.3，非常運(yùn)行條件ⅠK=1.2，非常運(yùn)行條件ⅡK=1.15。

(1)正常運(yùn)行條件下的抗滑穩(wěn)定分析。

支持層采用無(wú)砂混凝土與土工膜時(shí)的摩擦系數(shù)f=1～1.5、保護(hù)面層采用在復(fù)合膜上澆筑混凝土面板護(hù)面，接觸面摩擦力最小的部位是無(wú)砂混凝土與過(guò)渡料接觸面或過(guò)渡料內(nèi)部。

正常運(yùn)行條件下K=1.3。

滿足正常運(yùn)行條件安全系數(shù)K≥1.3

(2) 非常運(yùn)行條件。

如圖5中的過(guò)渡料及堆石料C=0，滑移面為折線，滑移面1分布在過(guò)渡區(qū)內(nèi)部，滑移面2分布在堆石區(qū)和過(guò)渡料接觸面處。筆者對(duì)滑移面1進(jìn)行了分析，最大壩高沿壩軸線取1 m長(zhǎng)度分析得到滑塊1自重W1=3 239.46 kN/m。

圖5 滑楔法穩(wěn)定計(jì)算示意圖

工程所在區(qū)設(shè)計(jì)地震烈度為8度，查《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的表4.3.1，得αh=0.2 g，按表5.1.3之土石壩壩體動(dòng)態(tài)分布系數(shù)αi，壩高H≤40 m，設(shè)計(jì)烈度為8度，αm=2.5，αi=(αm+1)/2=(2.5+1)/2=1.75。

質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)αi度滑移面1的穩(wěn)定分析。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行地震作用效應(yīng)的計(jì)算:

按規(guī)范第4.5.9條中的公式計(jì)算水平向地震慣性力代表值：

Qi=αhζGEiαi/g

式中Qi為作用在質(zhì)點(diǎn)的水平向地震慣性力代表值；αh為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值；ζ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取ζ=0.25；GEi為集中在質(zhì)點(diǎn)的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；αi為質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)力分布系數(shù)； g為重力加速度。

Q1=αhζGEiαi/g=0.2g×0.25×3 239.46×

1.75/g=283.45(kN/m)

按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T5395-2007附錄E.2.2.2滑楔法計(jì)算(圖6為第i塊的受力圖)：

第i塊土條的抗滑力：

Pi=sec(φei-αi+βi)×[Pi-1(φei-αi+βi-1)-(Wi±Vi)sin(φei-αi)+uisecaisinφei△x-ceisecαicosφei△x+Qicos(φei-αi)]

圖6 第i塊受力圖

計(jì)算從頂部第一個(gè)條塊(i=1)開始，按上式計(jì)算P1，以此采用推力傳遞法獲得最后一個(gè)條塊的下滑力Pn=0，采用試算法反復(fù)調(diào)整K值直至Pn=0，此時(shí)為K值的計(jì)算值。

2.5 土工膜質(zhì)量檢測(cè)方法

(1)目測(cè)法：現(xiàn)場(chǎng)有無(wú)漏接、燙傷、褶皺，是否均勻等。

(2)現(xiàn)場(chǎng)檢查法：充氣法和真空抽氣法。

充氣法：用于雙焊縫膜，封住雙縫之間空腔的兩端，向空腔內(nèi)充氣，充至壓力為0.05～0.2 MPa,靜待0.5 min，如腔內(nèi)氣壓不下降則為合格。

(3)真空抽氣法：利用吸盤、真空泵和真空機(jī)等進(jìn)行檢測(cè)。將待檢接縫處擦凈，涂肥皂水，放上吸盤緊壓，抽氣至負(fù)壓0.02～0.03 MPa,關(guān)閉氣泵,靜待0.5 min，觀察真空罐內(nèi)有無(wú)氣壓變化,若無(wú)變化,表明接縫合格。

(4)試驗(yàn)室檢測(cè)法。

將在施工現(xiàn)場(chǎng)焊接好的土工膜抽樣在試驗(yàn)室做剪切剝離試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度不應(yīng)小于母材抗拉強(qiáng)度的80%，且試樣斷裂不得出現(xiàn)在接縫處。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著復(fù)合土工膜生產(chǎn)質(zhì)量的提高、產(chǎn)品市場(chǎng)的規(guī)范、技術(shù)規(guī)范的完善，復(fù)合土工膜在中、低土石壩等水工建筑物中用于防滲已有較大程度地發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1] 土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，GB/T 50290-2014[S].

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