浅谈土工塑料薄膜在中小型水库除险加固中的应用

李献忠

（宁乡县水利水电勘察设计院 长沙市 410600）

土坝土工塑料薄膜防渗工程，对保护层土料要求比较严格，土料必须为粘性土，且干容重必须大于1.5kg/cm3。大多数产生渗漏的水库大坝土质差，一般为砂质土，当地缺乏粘性土，在人力、物力、技术等条件缺乏的情况下，就地取材，在粘性土缺乏的地区，利用砂性土作塑料薄膜防渗保护层的探求，通过在宁县双华水库的试验，取得了很好的效果。

1 工程概况

双华水库位于宁乡县沙田乡双华村，为小（Ⅱ）型水库，1966年12月兴建，库容22.8万m3，集雨面积0.96km2，最大坝高13.7m，最大水深11.78m，坝顶长62m，坝顶宽6m，内外坡比均为1∶3.0。

该水库由于修建时质量低劣，加之土质为砂性土壤，导致大坝渗漏严重，整个坝体在库内正常水位时，在坝轴向中部，从坡脚往上6m左右的范围内，有570m2的面积明显渗水，坝坡已出现稀泥现象，渗漏已达（80～90）L/min，且有5处明显管涌现象，管涌直径达2cm左右。这样，既不能蓄水，又使水库长期留有隐患，随时有垮坝的可能。

为了根治险情，保证蓄水，2006年冬对该水库进行了土工塑料薄膜防渗处理，在无粘土作保护层的情况下，采用砂质土保护层，取得了很好的效果。现水库已达到正常蓄水位。大坝未出现处理前的渗漏、管涌现象，外坡明显干燥，内坡稳定，在水位波动情况下，未发生滑坡。

2 防渗塑膜计算

采用聚乙烯土工塑料薄膜防渗，其主要性能如下：比重：（0.91-0.93）g/cm3；抗拉强度：≥100kg/cm2；拉断时延伸值：≥280%；使用温度范围：（-50～+60）℃；抗冻性：-60℃。

土工塑料薄膜厚度计算：需要的厚度取决于漏水通道尺寸、水压力和材料的性能。

漏水通道截面为条形时（如裂缝）需要厚度为：

漏水通道截面为圆形时（如孔洞）需要厚度为：

式中 P——水压力（kg/cm2）；

[σ]——土工膜允许抗拉强度（kg/cm2）；

δ——土工膜设计厚度（cm）；

S——漏水裂缝宽度（cm）；

D——漏水孔的尺寸（cm）；

f——土工膜裂缝或孔洞上受水压后的重度（cm）。

当S=1cm或D=2cm时，f=0.14，P=11.78t/m2=1.178 kg/cm2；当S=1cm或D=2cm，[σ]=100kg/cm2；F=0.14S= 0.14×1=0.14cm。

3 保护层稳定分析

因当地无粘性土，只能采用砂质土，为了增大土料与土工膜的摩擦角，铺膜基面做成阶梯形，保护层厚度取0.5m，根据砂质土特点，其技术数据如下：土料与土工膜的摩擦角ф1=25°；土料内摩擦角为ф2=30°；土料凝聚力C=0；土料干容重rd>1.5t/m3；土料饱和容重rm2t/m3。

在水位变动情况下，稳定分析采用折线滑动面法分析，计算示意如图1。

图1 折线滑动面法坝坡稳定分析

ADC——滑动面

式中内坡m＝3，ф1＝25°，ф2＝30°。

保护层厚度DF＝0.5m，堤高H1＝11.78m，Kc为边坡稳定安全系数。

假设不同的水位H进行试算，求得最小安全系数。

利用BASⅠC程序进行计算。

程序中：A1=a1、A2=a2、Y1=ф1、y2=ф2，最小安全系数Kc= 1.81＞[Kc]＝1.15满足要求。

当坝坡无水或全部浸水时，只要坡角小于土体的内摩擦角和土体与薄膜的摩擦角，则边坡是稳定的，即边坡大于1∶2.2，边坡稳定。

4 铺盖形式及施工方法

铺盖形式如图2所示。

图2 铺盖断面形式

首先清理基面，要求基面坚实、平坦，将稀泥、乱石、杂草清除干净，再按规格尺寸挖成阶梯形。开挖时，垂直面不可能绝对垂直，但要尽量陡一些。再在上面铺一层粉砂土，并将其拍打密实。铺膜时由下到上水平铺设，膜与膜间以及膜与基面间压平贴紧，虽不宜张拉过紧，但也不能夹有大量气泡、砾石等杂物。薄膜拼接采用热沥青粘接，搭缝0.1m左右，沥青温度65℃左右，接缝处严禁泥沙落入。为施工方便，可在接缝薄膜下临时垫一块板，多层铺膜时，搭缝应错开。薄膜铺好后，再用粉砂土将阶梯填平及时将薄膜履盖起来。再夯筑保护层。干容重达1.5t/m3以上，并防止杂物砾石等将膜打坏。然后铺上垫层，干砌块石防浪。

周边接缝处理方法：在坝坡坡脚和坝肩山体上开挖一条至基础的截水沟。坝顶在最高水位以上开挖一条深1m左右的截水沟。四边贯通，将薄膜夹在沟中，再用粘土回填夯实止水，周边处理与坝坡施工同时进行。

5 大坝土工膜防渗的应用和分析

通过对双华水库大坝土工膜防渗的设计与施工以及运动中的观测，得出以下总结：

（1）大坝坝体渗漏与施工质量有关，但同样与坝体土质有相当大的关系，大多数坝体是砂质土壤。

（2）在当地粘土困难的情况下，砂质土作为土工膜防渗保护层是可行的，其坝体的稳定主要取决于砂土与土工膜的摩擦角，为了增大其摩擦角，应将其基面做成阶梯形或锯齿形。从理论上讲，当土壤的粒经大于土工膜厚度，并且干容重达到其要求值时，土体与土工膜的摩擦角是不会比土体的内摩擦角小多少的。通过计算，以砂质土作为保护层时，坝坡最陡可达1∶2.1，但需应用块石护坡以防浪。

（3）周边必须用粘土止水，如粘土困难可用混凝土代替。

（4）砂土夯筑要紧，干容重根据粒径级配应达到设计要求值。

（5）对于山丘区，特别是强风化岩石区利用砂质土用土工膜防渗，很有推广价值。

6 结语

土工塑料薄膜是一种新型建筑材料，在工业发达国家已广泛使用在土建和水利工程中，目前在我国由于价格比较贵，数量和品种也少，其应用也受到了一定限制，随着我国工业水平大大提高，今后预计我国在这一方面也将有一个大发展。土工塑料薄膜虽然渗透系数很小，接近于不透水，但由于它太薄、太轻、易破、施工困难，对基面及垫层料、保护层要求较严格，所以大面积使用还是具有一定困难，若将土工织物和土工膜经机械加工成组合材料—土工薄膜，它具有土工织物导渗与塑料薄膜防渗两方面功能，而且其厚度比单用塑料薄膜增加几十倍，重量也增加不少，这样强度比较高使用起来也方便得多，防渗作用也得到了保证，造价比单用塑料土工膜贵些，但保护层、垫层基面处理、费用等考虑它尚为经济，故土工膜具有施工简便、工期短、防渗效果好，造价省等优点，是一种理想的防渗材料。