土工膜水库库盘防渗技术及应用

唐安军 刘 红

(新疆昌吉州阜康市水利局水管总站 新疆阜康 831500)

1 概述

近年来土工合成材料不断应用于水利工程防渗,因其具有渗透系数小,材料性能稳定,质量轻,造价低,施工速度快等优点,而得到广泛应用。现就土工膜用在水库库盘防渗中的设计、施工有关内容简述如下。

2 防渗结构

土工膜虽具有一定的抗刺破、抗顶破能力,但在水头变大时,常被膜下尖砾顶破,尤其在基土级配不良,和存在角砾的情况下,更易破坏。

由于土工膜在运输、施工过程中可能造成的偶然性损伤,据国外对施工缺陷分析,约每4000m2出现一个,缺陷等效孔径为1mm～3mm,与建筑物连接部位为5mm,对于施工水平低下的等效孔径为10mm。这些缺陷是造成渗漏的主要通道,如膜下基土不具备反滤,易形成流土,如渗透力超出膜的承受力,则会引起更大的漏洞。所以膜下必须设置过滤层,厚度不宜太大,一般垫30cm～50cm细砂和壤土。

对于库盘防渗,根据地质条件,一般结构从上到下为:砂砾石 (卵)防护层,细砂 (或土)过滤层,土工膜、细砂 (或土)过滤层、基础。

防护层的主要作用是防止土工膜被风浪淘刷而暴露。

保护层主要起保护膜不被有棱角尖砾刺破。

3 土工膜厚度的选择

PE土工膜要有足够的强度来承受水压力和基础变形,其厚度取决于水压力、材料性能及基础平整度。

土工膜厚度的计算见下式:

T——单宽土工膜受到的拉力 (kN/m);

P——膜上作用的水压力 (kPa);

b——预计膜下产生的裂缝宽度 (m);

ε——膜的拉应变 (%);

Tf——极限抗拉强度;

Ff——安全系数,一般4～5。

根据国内外试验资料,膜下垫层越细,级配越好,膜厚越大,承受水头越大。在垫层粒径为50mm～300mm时,膜厚0.5mm可承受60m水头;在垫层粒径为10mm～20mm时,膜厚0.5mm可承受200m水头。膜厚的选择通常以计算为依据,并依据相关规范、规程,考虑安全系数最终确定膜厚。

4 反渗透压力分析

在正常蓄水位和死水位之间的库底,当水位快速下降时,渗漏的水量来不及向下渗漏,表层的土体会产生反渗透压力,设计时要考虑反渗透压力的影响。

5 水库引水渠

水库引水渠库内段 (最高蓄水位以下部分)应设计成宽浅式衬砌渠道,并一直通到水库的最低点,以防第一次蓄水冲刷库盘内膜上保护层而使土工膜受损,渠顶与库盘面齐平,在水位变化区 (正常蓄水位到死水位之间)渠顶两边一定范围内加以护砌。

6 土工膜施工

(1)铺设膜前基面的处理

由于土工膜抵抗树根、杂草穿透力弱,要求土工膜铺设在比较坚实,平整的基面上。为此,对基面的乱石及其他杂物要清除干净,对坡度变化较大的地方要削填平整。对于塌坑、裂缝、洞穴等要填平、库盘清理完成后,作为水库的持力层,必须密实,使蓄水后沉降变形小,使土工膜的变形在其延伸范围内,膜的下垫层,也必须密实,且垫层中不得含有石块及可能破坏塑膜的杂物。

(2)膜的铺设与搭结处理

土工膜的铺设应平行坝轴线方向滚动展开,顺水流方向搭接,两膜之间采用焊接。膜块间的结点应为T字型,不得做成十字型,坡面上土工膜的铺设其接缝排列方向应平行或垂直最大坡度线,且应按由下而上的顺序铺设,坡面弯曲处应使膜和接缝妥帖坡面。

(3)膜上覆保护料

覆土施工为避免损伤膜料,只能由人工和人力车进行覆盖,人工整平铺匀,采用进占法,机械不得在现场转弯、调头。

7 土工膜防渗应重点注意问题

(1)应根据工程重要性、作用水头、施工水平,并应方便接缝质量的检测,经技术经济比较,合理选择膜材种类、厚度、材料力学性能参数。

(2)应重点做好土工膜与岸坡防渗面板及坝体防渗体的连接,要确保接缝、接头止水的封闭性,保证土工膜与岸坡岩石和混凝土面板连接可靠。

(3)应重点做好土工膜上垫层及保护层设计,采取有效措施,避免产生人为因素破坏而导致漏水缺陷。

(4)土工膜下面应设置有效的排水系统,防止库水位较低时,因反向水压力顶托土工膜遭到破坏。

(5)应加强对土工膜缺陷及接缝质量检测方法的研究,完善运行期渗漏监测手段,及时发现渗漏部位和渗漏量,并预先制定对策和措施。

8 工程实例

阜康市上游水库除险加固工程全库盘防渗采用了土工膜技术。

(1)工程概况

上游水库位于新疆阜康市五工煤矿北部,距阜康市城区东南约15km。水库主要承担灌溉下游1.2万亩耕地,保护下游1.9万人口和吐乌大高速公路、S303省道、阜甘支线铁路和阜康市重化工业园西区。

上游水库位于准噶尔盆地南缘、北天山山前冲洪积丘陵上,地形稍有起伏,地势南高北低,由南东向北西缓倾,海拔高程为750m～800m,属山前冲洪积丘陵地貌。工程区在构造单元上处在北部冲洪积平原区,水库区地震烈度为7度,工程区处于区域构造稳定性相对较好的地段。

库区出露的岩性主要为第四系上更新统冲洪积堆积 (Qal+pl3 )低液限粉土层和含漂石碎石土层,主要分布于水库区及其周边。

坝基上部为微透水性低液限粉土层,厚度1.2～2.3m,较不稳定,渗透系数 (k)为2.8×10-5～5.9×10-5cm/s,下部为较厚的强透水性碎石土层,渗透系数 (k)为 3.5×10-2cm/s～1.3×10-1cm/s。

2009年除险加固后设计总库容107万m3,坝长650m,最大坝高11m。工程等别为Ⅳ级,工程规模为小 (1)型。枢纽主要由大坝、泄洪放水涵洞等组成。大坝轴线成弓形拦河布置,坝型为复合土工膜斜墙防渗土坝,坝顶宽5.0 m,坝体上游坡比为1︰2.5,为混凝土护坡;下游坡比为1︰2.0,库盘采用0.5mmPE塑膜防渗。

(2)库盘防渗设计

库盘防渗范围为正常蓄水位高程,防渗面积为19.1万m2,膜下设30cm土料垫层,膜上设50cm土料保护料。施工中铺膜前,在库中766m高程下开挖后分布有芦苇根,设计采取挖除办法,先犁后人工捡集。因库盘冲积有一定厚度土层,施工对土层厚度满足要求的,未换膜下30cm土料垫层,采用分块作业,挖50cm厚土层,平整碾压后铺膜,然后用下一批要铺设的膜的开挖料堆在其上,膜与膜预留焊接宽度,焊接,检测合格后,膜上土料摊平,进行下一块膜料铺设,循环作业,从而避免了土方倒运,施工速度较快。

9 结语

土工膜全库盘防渗技术可有效地解决坝体、坝基、库盘渗漏问题。在库盘土工膜防渗结构施工中,人为造成土工膜破损是难免的,这些集中渗漏通道,在水库放空过程中大都容易发现和修补。若膜上是砂或更细料,放空后会出现塌陷或漏斗状,若为粗粒料,其上的细粒料会消失,总之即便出现破损,发现和维修是不难的。

在我国西北地区,有许多丘陵和平原水库建在古河道和扇缘洼地上,渗漏情况较严重,不仅浪费了有限的水资源,而且抬高了库区下游灌区地下水位,增加了土壤的无效蒸发,使盐分蒸发聚集表面,造成土壤次生盐碱化,影响农业生产,生态环境恶化。因此,研究库盘防渗技术及推广具有重要现实意义,而土工膜全库盘防渗的应用,在这方面具有重要的参考价值。