复合土工膜在高土石坝施工中的应用研究

2017-12-15朱武

水利技术监督 2017年5期

朱武

复合土工膜在高土石坝施工中的应用研究

朱武

（九江市河道湖泊管理局，江西九江 332000）

以江西省某水电站施工建设为例，将复合土工膜应用于黏土心墙及上下游围堰中。在施工前试验测定复合土工膜相关力学性能，并设计试验对比确定铺设复合土工膜施工过程中的相关参数。对于施工过程中质量风险点进行把控，加强质量检测，保证复合土工膜在水利工程中发挥效用，提升坝体防渗防变形性能。

复合土工膜；高土石坝；质量控制；质量检测

复合土工膜由于具有防水防渗、抗老化、高稳定的化学性、高弹性、适应变形的优势，在水利工程中广泛应用，其主要构成是土工织物和土工膜复合而成的。在水利工程中虽有应用先例，但大部分是基于公路建设方面的经验，对于应用于水利工程中研究尚浅，未充分发挥其作用。研究复合土工膜在高土石坝施工中断应用，丰富完善了复合土工膜的应用技术，为类似施工提供参考。

对于复合土工膜的应用，国内土木工作者也不断努力研究。程鲲［1］等人为了深入了解复合土工膜的防渗机理及防渗效果的探究，应用有限元的方法进行渗流分析。岑威钧［2］等人针对复合土工膜和防渗墙的受力特性进行研究，并进行敏感性分析，寻找最佳应用的坝型。沈振中［3］等人借助非稳定饱和-非饱和渗流理论与 Galerkin有限元法，，搭构三维有限元数值计算模型，对试验数据进行数值模拟，分析复合土工膜的防渗特性。张光伟［4-5］等人通过室内室外的复合土工膜渗透性试验，探究渗透系数与渗透压、渗透压应力路径的函数关系。李波、杨昕光、徐晗［6-8］等人以实际水利工程进行离心模型试验，探究复合土工膜的受力性状，分析其防渗特性机理。

本文以江西省某水电站施工建设为例，将复合土工膜应用于黏土心墙及上下游围堰中。从施工前试验测定复合土工膜相关力学性能到设计试验对比确定焊接土工膜的相关参数。对于施工过程中质量风险点进行把控，提升施工质量，加强质量检测，以期完善复合土工膜在水利工程领域应用的经验。

1 工程概况

某水电站是江西省赣州市重点水利工程，位于某县县城西侧20km处。水电站设计库容量是3亿m3，调节库容是2500万 m3，正常蓄水位是1478m，其装机总规模是100万 kW，年均发电量可达200亿kW·h，将为赣州市内覆12个区县供电。水电站主要建筑物有：混凝土黏土心墙堆石坝坝、引水发电建筑物、厂区建筑物、泄洪洞等。黏土心墙堆石坝最高处为85m，坝顶长度是535m，堰高最大是45m，堰顶长度是 400m，堰顶宽度是12.5m。

本水电站的黏土心墙与上游围堰挡水面采用复合土工膜，提升其防渗性能。其具体应用位置为：在黏土心墙的复合土工膜应用于心墙底部与垫层料中间，右岸位于桩号0+500处，左岸位于0+100处，上下游位于黏土心墙底部边界处，中间层铺设到灌浆廊道，总共面积大致5万m2；上游围堰复合土工膜主要位于围堰挡水面的垫层料和喷射混凝土中间，其面积大约为3万m2。

2 试验研究

为了能够在水利施工建设中更好的应用复合土工膜，对复合土工膜的相关性能通过试验方式进行全面掌握。

2.1 复合土工膜的性能

复合土工膜具有很好的弹性、较好的变形能力，这种性能可以有效应对膨胀、收缩等现象，弥补基面的不均衡沉降。本水电站坝体采用二布一膜形式的复合土工膜，通过试验测得其力学性能概况见表1。

表1 复合土工膜的力学性能概况

通过表1中检测数据，与相关规范进行对比，该工程应用的复合土工膜的力学性能均复合设计要求。

2.2 复合土工膜焊接试验及相关参数标定

为了提升复合土工膜的防渗功能，首先要通过复合土工膜的焊接试验后，才能在水利工程中进行铺设。本水电站应用双峰热合焊接方式来实现土工膜的连接。选取一块平整且足够大的场地进行焊接试验，并将所需要的复合土工膜进行剪裁，其试件的规格为：长2m，宽1m的矩形。试件横向搭接，其搭接宽度是15cm，复合土工膜的焊接温度是500℃。依次改变焊接机的走行速度，形成3种焊接方案，各方案的走行速度依次是1.2m/min、1.6m/min、2.4m/min。按照3种方案，焊接3个试件，首先对3个焊接好的试件实进行检测，包括撕扯、充气、目测等，对焊接好的试件通过相同的拉伸试验测定其力学性能，具体情况见表2。

表2 复合土工膜焊接检测试验结果

通过表2中的数据，不难看出方案1、2复合土工膜焊接质量良好，满足工程质量要求及相关规范标准。因此该工程复合土工膜焊接温度是500，焊接机移动速度是1.2～1.6m/min，其搭接宽度是15cm。

2.3 复合土工膜与土体摩擦性能试验

为全面掌握复合土工膜与心墙、砂砾石料的摩擦性能，分别对复合土工膜和心墙、砂砾石料两者间进行界面摩擦直剪试验。制作试验样件，其规格是底面边长300mm的正方形，高度是150mm。人为给定界面摩擦直剪试验的界面应力发生改变，其值依次为 100kPa、 200kPa、 300kPa、 400kPa、500kPa，其控制方式选用应变控制方式，水平位移速度保持在1mm/min。为提升试验的准确性，避免因复合土工膜与下盒之间的打滑干扰试验结果，待复合土工膜和下盒粘结为一体后再进行剪切试验。试验结果见表3。

表3 土工膜和心墙黏土、砂砾料直剪摩擦试验结果

通过表3中的数据，不难看出，垫层砂砾石料与复合土工膜的界面摩擦强度达到19.6kPa，其摩擦性能良好，很难产生打滑现象，复合土工膜与其接触料可以相互协调，提升其抗变形能力。

3 施工工艺及质量把控

3.1 土工膜铺设施工

复合土工膜铺设施工大致分为以下5个阶段：施工前期准备、场地清扫、水坝垫层施工、铺设复合土工膜、覆盖层施工。其具体工艺流程如图1所示。

图1 复合土工铺设施工流程

3.1.1 施工前期准备

施工前期准备，主要是指材料及设备的准备。其复合土工膜及基底清理、铺设等相关设备的选购必须结合施工现场条件及施工成本综合考虑后决定，并且在购买后必须进行检测或者试验，其各项指标合格后方能使用。

3.1.2 场地清扫

在水坝垫层施工前，必须对垫层基底进行清扫，其主要是清除场地杂物、浮土、积水、碾压平整场地，保证场地平整、干净、压实度复合施工要求。在场地清扫完毕后，待相关单位检验合格后方能进行下一个施工工序。

3.1.3 水坝垫层施工

水坝垫层施工，主要是在水坝地基层铺筑规定的石料，并进行碾压，达到设计的平整度、压实度、颗粒级配等相关参数要求，待相关单位检验合格后方能进行下一个施工工序。

3.1.4 铺设复合土工膜

复合土工膜铺设主要包括3个关键环节：铺设、膜与膜连接、膜与心墙连接。分别就这3个环节进行阐述。

（1）复合土工膜铺设

复合土工膜铺设对天气要求较高，避免在雨雪天、高温、低温条件下施工，应选择天气晴好，无风条件下进行。复合土工膜铺设选用波浪形松弛方式，其富余度2%左右，摊开后应保证其平整无褶皱为准，且复合土工膜与垫层面密贴。在铺设过程中，铺设人员应避免对复合土工膜造成损坏，尽量穿平底布鞋为宜，同时避免车辆驶过，发现复合土工膜有破损，及时补修。

（2）复合土工膜连接

复合土工膜连接，主要是指土工布缝合与土工膜焊接。复合土工膜与水流方向垂直，且为了提升防渗功能，上游土工膜应压住下游土工膜。土工布缝合时应考虑到后期土工膜焊接工序，其搭接宽度应略大于焊接搭接宽度，本工程取18cm。缝合针距不宜过大，应控制在5mm左右。为了保证缝合质量，其缝合顺序是下层土工布缝好后，焊接土工膜，再缝合上层土工布。土工布缝合与土工膜焊接相互协调。土工布缝合要均匀，保证缝合好后受力均匀。土工膜焊接前，对土工膜进行清理，保证膜面整洁。根据实际情况选用合适的焊接机的走行速度、焊接温度，并随时进行调整，保证焊接质量。复合土工膜搭接宽度15cm，保证焊接质量的同时，尽量提高焊接效率。

（3）复合土工膜与心墙连接

复合土工膜与心墙连接主要借助膨胀螺栓、扁钢实现。廊道墙体表面处理平整，按照设计在墙体表面钻孔及埋设膨胀螺栓，并按设计要求在廊道墙体和复合土工膜间安装橡胶垫层。扁钢同样根据图纸设计进行钻孔。土工膜与橡胶垫层密贴后装扁钢，拧紧螺丝，实现连接。

复合土工膜铺设完成后，相关单位检测合格后方可进入下一个施工工序。

3.1.5 覆盖层施工

复合土工膜铺设完成后，及时进行铺盖层施工，保证复合土工膜的防渗抗变形功能。覆盖层的填筑材料选用高塑性黏土。此工艺分为两个施工工序，依次是第一层黏土填筑、第二层黏土填筑。第一层黏土料，借助进占法，人工平料为主，装载机作为辅助工具，当第一层铺筑厚度为0.3m时，利用自行式平碾静碾方式进行压实作业，待检测合格后方可进行第二层铺筑。第二层铺筑高度达到1m后，利用振动凸碾进行压实，其压实度达到设计要求后采用正常碾压方式进行碾压。

3.2 施工质量控制与检测

3.2.1 施工质量控制

工程质量的保证主要靠施工期间质量控制来实现。施工质量控制主要包括施工前期准备与施工过程中的控制。

（1）施工前期准备

施工前期准备主要是指施工材料及施工设备的采购，对于采购的施工材料及设备必须进行检测试验，其各技术指标合格后方可投入使用，对于不符合规定的拒绝使用。

（2）施工过程中

施工过程中，复合土工膜铺设质量直接影响着这个工程质量，重点把控施工过程中的关键点，其重要内容如下。

基底清扫必须认真，垫层碾压密实平整。复合土工膜在铺设前认真检查，是否有破损，如有破损及时修补；铺设复合土工膜必须保证无褶皱，松紧合适，避免架空凸起现象；土工膜焊接前必须进行试验，对焊接过程中可能发生的情况做到预判，焊接参数了解；焊接人员必须经过严格培训合格后才能进行焊接工作；对于复合土工膜焊接的搭接宽度，必须有专人进行检测，保证搭接宽度在15cm以上；土工膜焊接必须严格按照焊接顺序进行，并且派专人对焊接前的土工膜表面进行清理，保证其整洁；焊接过程中时刻关注天气变化，考虑外界环境变化对焊接温度、焊接速度的影响，及时调整。

3.2.2 施工质量检测

施工质量检测，主要包括以下4个方面。

（1）焊缝现场外观质量检测

对于焊接好的复合土工膜焊缝进行目测，焊缝痕迹均匀整齐，且无虚焊、烫损等现象才属于合格，任何一项不是上述现象均为不合格焊接。

（2）焊缝撕拉检测

复合土工膜焊接完一面时，应派专人进行撕拉检测，其用力应保证均匀适度，若出现漏焊、虚焊，应及时补修。

（3）焊缝充气检测

焊缝充气检测需要将检测段两端进行融合封闭，检测段随机选取。选用专用气压式检测仪，其针头平行插入焊缝空腔一端，避免损伤其他部位，针孔处用快干胶水封堵。把检测仪压力升至0.5MPa后进行计时，计时5min，再次查看压力值，压力值低于0.45mpa为不合格。

（4）焊缝拉伸检测

复合土工膜焊缝随机取样进行拉伸试验，截取长度为1.2m，宽度0.4m的焊缝进行裁剪，制作成8个试验样本，样本大小为20cm的正方形。对8个试验样本进拉伸试验，断裂点大于6个及以上在母材上时，说明焊缝合格，否则不合格。