柔性材料在桥墩水库大坝坝面防渗加固中的应用

孙 超,尤育广,柳 卓

(1.浙江省水利水电工程局,浙江 杭州 310020;2.苍南县吴家园水库管理所,浙江 苍南 325801)

1 工程概况

桥墩水库位于浙江省苍南县鳌江流域横阳支江上游,坝址位于桥墩镇仙堂村的大玉沙,距苍南县城灵溪镇12 km。水库控制流域面积138 km2,总库容8 133万m3,是一座以防洪、灌溉、供水为主,结合发电等综合利用的中型水库。水库枢纽建筑物由拦河坝、泄洪放空洞、正常溢洪道、非常溢洪道、发电输水隧洞、电站等组成。

拦河坝为沥青混凝土斜墙土石坝,坝顶长605.5 m,宽6 m,最大坝高50 m。大坝迎水坡沥青混凝土斜墙是坝体主要防渗设施,沥青混凝土经历10多年运行已产生中度老化,在温度应力及变形沉降等影响下,面板出现大量裂缝,主要裂缝有9条,裂缝总长度10.95 m,缝宽10～30 mm,深度为40～50 mm,最大缝深为130 mm,其余为发丝状龟裂缝,一般缝宽1mm左右,面板施工条带缝基本开裂。这些裂缝导致通过坝体的总渗流量不断增加,威胁大坝运行安全。2006年4月省水利厅组织大坝安全鉴定为三类坝,必须实施除险加固。防渗加固处理工程于2007年11月18日正式开工。

2 坝面防渗处理方案确定

2.1 坝面防渗设计方案选用

根据水库大坝存在的问题,考虑到虽然坝体运行时间较长,坝体已趋于稳定,但受高水位作用下仍可能产生沉降,如用刚性材料进行坝面防渗则易产生裂缝。经技术经济比较,本工程坝面处理方案确定为柔性材料加固方案——即在原沥青混凝土坝面上粘贴PE复合土工膜,同时增设改性沥青彩砂面APP防水卷材,防止复合土工膜老化。该方案在全国尚属首例,具有工程造价低、施工速度快、粘结强度高、材料任意拼接、快速修复等优点。坝面加固概化图如图1所示。

图1 坝面加固概化图

2.2 材料选用

2.2.1 PE土工膜的选择

通过现场试验发现,原设计方案采用的HDPE(高密度聚乙烯)土工膜密度较大,硬度较高,在大面积铺设过程中无法妥善粘贴于坝面,导致产生较大面积的空鼓,经进一步试验,采用LDPE(低密度聚乙烯)土工膜能有效解决空鼓问题,最终选用LDPE土工膜作为防渗主材。

表1 LDPE土工膜性能指标

2.2.2 APP塑性防水卷材选型

APP塑性体改性沥青防水卷材是以APP(无规聚丙烯)改性沥青为浸涂材料,以优质聚酯毡为胎基,以PE膜为覆面材料,采用先进工艺精制而成的塑性体防水卷材。APP产品分Ⅰ型和Ⅱ型两种。本工程APP防水卷材主要功能为保护LDPE土工膜以避免LDPE土工膜受紫外线照射而老化,同时兼顾环保和适应变形的能力,故选用APP-Ⅱ型防渗卷材 (无规聚丙烯长纤维聚酯胎,表层自带彩色石英砂),卷材厚4.0 mm。

2.2.3 粘结剂选型

表2 KS热熔胶性能指标

3 PE复合土工膜防渗处理实施方案研究

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程为:施工准备→测量放样→坝面清洁→坝面涂胶→LDPE复合土工膜铺设→土工膜布面涂胶→APP塑性防水卷材铺设→LDPE土工膜锚固。

(1)施工准备:施工前根据坝面实际情况布置好卷扬机、熔胶设备的位置,准备好施工工具和安全带、安全绳等,同时准备好各种材料和车辆。

(2)测量放样:按照坝面实际长度,自上而下按4 m垂直放样,边线用红漆标注,以便控制好每幅的位置和施工时的垂直度。

(3)坝面清洁:坝面涂胶前将裂缝处理完成,清除表面淤泥等杂物,然后用大扫帚将施工面进行清扫,最后用高压风枪将坝面的浮尘吹净。

(4)坝面 (或土工膜布面)涂胶:按照事先放线的部位将熔化好的KS胶用长嘴保温壶淋在坝面 (或土工膜布面)上,安排2人用橡胶刮板迅速将胶刮平。

(5)LDPE复合土工膜 (或APP塑性防水卷材)铺设:铺设自上而下进行,胶涂好后,由3人迅速铺贴LDPE复合土工膜 (或APP塑性防水卷材)。

3.2 施工注意事项

(1)土工膜搭接宽度:由于本工程坝面坡陡且单幅很长(最长126 m),经研究,将土工膜搭接宽度确定为15 cm。以避免两幅之间的脱离现象,使其形成完整的防渗层。

(2)熔胶温度:一般应加热至150～180℃,若温度低于150℃,则运输至作业面时已冷却而影响粘贴效果,若高于180℃,则因温度过高影响KS胶本身质量。

(3)涂胶后,在胶表面失去流动性之前,应迅速加压粘合,以不超过20 s为宜。从边缘看PE土工膜与坝面、PE膜与APP卷材、PE膜与PE膜之间胶层密实,无漏粘、空洞等。

(4)LDPE复合土工膜要防止紫外线的照射,铺完的土工膜要及时铺贴APP防水卷材,没有铺设的土工膜须及时覆盖。

3.3 第三方检测

2009年10月,浙江省水利水电质量监督检验站对坝面土工膜及APP防水卷材的粘结性能——抗剥离强度进行现场试验。本次试验以KS粘合剂生产厂家提供的企业标准作为检测依据,共进行了4个不同桩号、不同高程(水位变化区与水上区)共6组试件进行现场拉拔剥离试验。试验结果表明,被测部位APP卷材与土工膜间的剥离强度、土工膜与原坝面的剥离强度、土工膜与土工膜搭接处粘结强度均大于企业标准所要求的剥离强度。上游坝面加固后如图2所示。

图2 上游坝面(加固后)图

4 观测验证

为监视大坝的安全运行,有效地评价设计方案的合理性以及施工质量可靠性,利用本工程原有的渗流量观测设备,对坝面加固前后坝体渗流量进行对比分析。在左岸排水支洞内上下游各设1道量水堰,进行渗流量监测。2007年为保安加固前,坝面未经处理,在库水位为50.44 m时,渗流量为10.119 L/s;2009年大坝加固后,库水位为50.23 m时,渗流量为1.463 L/s,2009年最高库水位为53.66 m时,渗流量为4.765 L/s;2010年汛期,在库水位53.76 m时,渗流量为3.39 L/s。以上数据表明,复合土工膜设计及施工质量可靠,防渗效果明显,达到了预期目标。同水位不同年份大坝渗流量比较见表3。

表3 同水位不同年份大坝渗流量比较表

5 结论与建议

实践证明,坝面柔性防渗加固方案防渗性能可靠,施工方便、快捷,有效缩短了工期,投资效益显著。值得一提的是,桥墩水库坝面防水层的提前完工保证了水库按计划向下游沿途的灵溪镇、桥墩镇等60万人口提供生产、生活用水,并在2008,2009年历次台风过程中及时地发挥蓄洪作用,减缓了下游的灾情,产生了巨大的社会效益。

复合土工膜以其轻巧、方便、柔韧、既能补强又能适应一定的变形等优点,愈来愈受到水利工程的青睐。建议今后在以下方面加强研究与应用:

(1)关于土工合成材料性能研究,目前国外更注重土工合成材料的耐久性能如抗紫外线辐射、温度变化的耐气候性、化学与生物侵蚀、蠕变性能等,国内在这些方面的研究较少,应加以借鉴。

(2)有关部门应尽快根据设计要求和施工条件制定一套完整的施工质量管理办法和严格的操作规程,建立健全质量保证体系,以确保工程施工质量。

[1]中华人民共和国水利部.水利水电工程土工合成材料应用技术规范 [S].北京:水利电力出版社,1998.

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