土工膜防滲斜墻在底溝水庫大壩防滲加固中的應(yīng)用

胡 全

（新疆阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)畜牲業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831500）

底溝水庫位于阜康市上戶溝哈薩克族鄉(xiāng)境內(nèi)，是一座以灌溉為主的?。ǘ┬推皆⑷胧剿畮?，無防洪任務(wù)，其主要調(diào)蓄水源為白楊河水庫下泄水。2011年對(duì)底溝水庫大壩進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出底溝水庫屬三類壩，滲漏量較大，需對(duì)壩體、庫盤等進(jìn)行培厚加高、防滲加固。

1 壩體防滲方案

底溝水庫大壩為土石壩，其壩體防滲處理原則主要有“截、壓、排”三類[1]，具體可采用的防滲方案設(shè)計(jì)如下：

方案一：上游設(shè)置防滲斜墻

在原壩體上游位置設(shè)置一定厚度的防滲斜墻，斜墻材料可選用土工膜、瀝青混凝土、粘性土等。防滲斜墻技術(shù)具有施工方便、質(zhì)量有保證、后期維修簡單等優(yōu)點(diǎn)；

在原壩體上游壩坡之上設(shè)計(jì)一層水平鋪蓋，鋪蓋材料可選用混凝土澆筑層、砼板等，水平鋪蓋防滲效果好、施工速度快、工期短等優(yōu)點(diǎn)，但鋪蓋面積大，造成成本較大[2]。

綜合分析，方案一在施工難度和后期維護(hù)中與方案二相差不大，但投資成本上比方案二少15%左右，因此底溝水庫大壩壩體防滲采用上游設(shè)置防滲斜墻方案，防滲斜墻材料選擇PE復(fù)合土工膜，技術(shù)指標(biāo)見表1[3]。

表1 PE復(fù)合土工膜技術(shù)指標(biāo)

2 土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合其他工程的成功經(jīng)驗(yàn)，底溝水庫大壩土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)從上至下依次為：干砌卵石→砂礫石→中細(xì)砂上墊層→復(fù)合土工膜→中細(xì)砂下墊層（見圖1）[4]。

圖1 土工膜防滲斜墻基本結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 防滲斜墻各結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算

（1）各砂石層厚度設(shè)計(jì)

墊層主要起著保護(hù)土工膜完整性、平整壩面、防治壩體內(nèi)部沖蝕等作用，結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中細(xì)砂墊層厚度為 300 mm～500 mm，粒徑范圍 2 mm～5 mm[5]。

干砌卵石層厚度250 mm～500 mm，要求卵石直徑為2 cm～5 cm，卵石含量在70%以上，孔隙采用中細(xì)砂充填；砂礫石層200 mm～300 mm。

（2）復(fù)合土工膜厚度計(jì)算

當(dāng)前，我國已有許多城市開展了多規(guī)合一工作，這些城市中的主要規(guī)劃目標(biāo)包含城市經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及統(tǒng)籌策劃城鄉(xiāng)發(fā)展等。三規(guī)合一就是講城市發(fā)展規(guī)劃、國土規(guī)劃及環(huán)境發(fā)展規(guī)劃三者進(jìn)行協(xié)調(diào)，并制定統(tǒng)一協(xié)同平臺(tái)，對(duì)各項(xiàng)規(guī)劃工作中所出現(xiàn)的矛盾進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。綜合規(guī)劃就是指各專項(xiàng)規(guī)劃進(jìn)行匯總綜合，并對(duì)城市發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行明確，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)以及城鄉(xiāng)發(fā)展等過程。就各試點(diǎn)實(shí)踐進(jìn)行研究的情況，發(fā)現(xiàn)“多規(guī)合一”能夠在短時(shí)間內(nèi)有效緩解規(guī)劃矛盾，但無法解決產(chǎn)生這些矛盾的根本性問題。這就需要夠構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)劃體系，借此促進(jìn)我國空間規(guī)劃體系改革的良好發(fā)展。

為確保防滲墻體各部分功能的有效發(fā)揮，必須精確計(jì)算出土工膜所需厚度和滲透量等參數(shù)，由于目前沒用統(tǒng)一的計(jì)算法則，在此利用薄膜理論公式（1）和蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式（2）進(jìn)行計(jì)算[6]。

式中：T為土工膜厚度，mm；P為水壓力，Pa；d為土粒直徑，mm；h為撓度；ε為土工膜抗拉應(yīng)變。

經(jīng)計(jì)算得出PE復(fù)合土工膜厚度約為0.3 mm。

2.2 土工膜頂端錨固形式及受力設(shè)計(jì)

設(shè)置于壩體上游的復(fù)合土工膜時(shí)刻受到水壓力、壩體沉降等影響，若應(yīng)力變形超過極限值，會(huì)把土工膜撕裂，造成防滲性大幅下降。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，壩頂處土工膜的錨固形式對(duì)應(yīng)力變形具有極大影響作用。目前土工膜的錨固形式主要分為剛性錨固和埋固，在此對(duì)錨固形式進(jìn)行重點(diǎn)分析，并利用ABAQUS軟件來模擬復(fù)合土工膜的應(yīng)力應(yīng)變值，各部分模擬參數(shù)見表2。

表2 壩體各部分模擬參數(shù)設(shè)定

（1）土工膜剛性錨固形式分析

當(dāng)壩頂設(shè)置了防浪墻時(shí)，防滲斜墻的土工膜層可錨固在剛性防浪墻之上或底部（見圖2），并預(yù)留足夠結(jié)合長度。

圖2 土工膜和防浪墻固定在防浪墻上部（見a）或底部（見b）

圖3 是模擬的水庫滿蓄期錨固于防浪墻面上及底部的土工膜大主應(yīng)變分布線，從圖中可知：土工膜最大應(yīng)變值約為0.22%，最大應(yīng)力值為0.025 MPa。

圖3 土工膜剛性錨固形式最大主應(yīng)變分布

（2）土工膜埋固形式分析

當(dāng)壩頂未設(shè)置防浪墻時(shí)，為了保證土工膜頂部錨固的牢固性，將其埋置于壩頂?shù)腻^固溝內(nèi)，錨固溝形式一般有“V”型和“U”型（見圖 4）。

圖4 土工膜埋置于錨固溝內(nèi)

圖5 是模擬的水庫滿蓄期埋置于“V”型和“U”型錨固溝內(nèi)的土工膜大主應(yīng)變分布線，從圖中可知：1）“V”型錨固溝土工膜最大應(yīng)變值約為0.17%，最大應(yīng)力值為0.025 MPa；2）“U”型錨固溝土工膜最大應(yīng)變值約為0.08%，最大應(yīng)力值為0.009 MPa。

圖 5 “V”型（見 a）和“U”型（見 b）錨固溝內(nèi)的土工膜大主應(yīng)變分布線

經(jīng)過對(duì)比分析：“U”型錨固溝埋置土工膜形式所造成土工膜的最大應(yīng)變及最大應(yīng)力數(shù)值均最??；而錨固于防浪墻之上的土工膜所要承受的應(yīng)力及應(yīng)變值最大?？紤]到底溝水庫大壩高程符合要求，因此無需設(shè)置防浪墻，而土工膜錨固采用“U”型錨固溝形式最為合適。

3 土工膜防滲斜墻施工要點(diǎn)

3.1 土工膜鋪設(shè)施工

①上游壩坡按1∶1.5坡度平整，并人工碾壓密實(shí)，碾壓相對(duì)密度不得低于0.7，平整度要求小于5 cm；之后從下至上鋪設(shè)中細(xì)砂墊層，厚度由500 mm逐漸減小至300 mm；

②為加快鋪設(shè)速度，本項(xiàng)目要求先行將兩幅土工膜利用LB-2膠水粘結(jié)，粘結(jié)寬度不小于10 cm，涂抹膠水厚度為0.6 mm。之后在接縫處加粘一條寬8 cm土工膜，土工膜保證防滲性；

③鋪設(shè)土工膜時(shí)，在接縫處打褶，褶皺寬度在20 cm～25 cm，在槽口等位置褶皺寬度不得低于50 cm，要使整個(gè)土工膜沿壩軸方向呈寬松狀態(tài)；

④本項(xiàng)目土工膜為PE膜，在施工現(xiàn)場適合采用熱焊接機(jī)焊接，具體型號(hào)為2PH-213。在焊接前要求人工清理土工膜焊接位置，并鋪設(shè)平整。焊接時(shí)需要重點(diǎn)控制好溫度及行走速度，本項(xiàng)目要求焊接溫度控制在250℃～320℃范圍內(nèi)，行走速度控制在1.5 m/min～2.0 m/min。正式施工前首先進(jìn)行試驗(yàn)，確保各項(xiàng)參數(shù)合理后再進(jìn)行施工。

3.2 中細(xì)砂墊層鋪設(shè)施工

①首先將墊層砂料中粒徑大于5 mm粗顆粒篩除，鋪設(shè)從上游坡面中最低點(diǎn)開始。本項(xiàng)目要求墊層厚度在300 mm～500 mm，因此一次鋪設(shè)至規(guī)定厚度，不再分層鋪設(shè)；

②利用木板將墊層刮平并灑水，使其達(dá)到設(shè)計(jì)干容重。當(dāng)下墊層鋪設(shè)幅寬超過4 m后就可隨即鋪設(shè)土工膜。土工膜之上依然為中細(xì)砂墊層，施工步驟與下墊層一致。墊層施工均采用人工夯實(shí)，不得采用機(jī)械。

4 結(jié)語

底溝水庫壩體防滲通過應(yīng)用土工膜防滲斜墻技術(shù)后，防滲性能大大提高，經(jīng)過近兩年的運(yùn)行使用后，其滲流量依然遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值，說明防滲加固取得了很好的效果。壩體防滲必須立足于工程實(shí)際，結(jié)合地質(zhì)、水文條件來確定最合適的防滲方案，尤其是土工膜頂部錨固及粘結(jié)方式上必須要保證牢固且能承受一定的應(yīng)力應(yīng)變。