复合土工膜面板在堆石坝中的应用与施工工艺

赵彦辉

（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西 西安 710061）

土工膜以塑料薄膜作为防渗基材，是与无纺布复合而成的土工防渗材料，其防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。目前国内外主要应用的材料有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和乙烯/醋酸乙烯共聚物（EVA），均为高分子化学柔性材料，具有比重轻、延伸性好、适应变形能力高等特点。已在垃圾填埋场、尾矿堆存场、渠道防渗、人工景观湖蓄水池防渗中得到广泛应用［1］。与传统的混凝土、沥青混凝土面板相比，土工膜成本低、见效快，抗变形协调能力强，不会像混凝土面板那样因坝体变形产生开裂；同时，作为面板应用时上游可采用覆盖保护或无覆盖保护两种形式。采用覆盖保护的土工膜面板，其优点在于，覆盖于土工膜面板上的保护层在具有压载稳固功能的同时，还可持久保护土工膜，免受环境影响损坏。而无遮盖保护的土工膜可缩短施工时间，降低施工成本，避免覆盖层对土工膜的损坏，大坝运行期可随时检查；如发生意外损坏，修复成本低，耗时短，甚至可进行水下修补［2-3］。

1 工程概况

南欧江六级电站位于老挝丰沙里省境内，是南欧江流域自下游至上游开发的第六个梯级电站，工程规模为大（2）型。电站由复合土工膜面板堆石坝、溢洪道、放空洞、导流洞及引水发电系统组成。电站以发电为主，总装机容量180MW，死水位490m，正常蓄水位510m，相应库容4.09亿m3，调节库容2.46亿m3，具有季节调节性能。

复合土工膜面板堆石坝坝顶高程515m，大坝高85m，坝顶长362m、宽8m，上游坝坡1∶1.6，下游坝坡1∶1.8。坝体垫层料、过渡料和底部排水区形成L形排水体，以保证软岩堆石料填筑区能保持河床段趾板建基面高程430m，在运行期相对干燥。南欧江六级电站坝体结构详见图1。

图1 坝体结构（单位：m）

南欧江六级电站大坝软岩填筑比例高达81%，其全断面软岩筑坝技术目前处于国际领先（目前国内外面板堆石坝软岩填筑比例最高为73.4%），为软岩强度最低的复合土工膜面板堆石坝。六级电站大坝基础和左右岸采用帷幕灌浆防渗；大坝主体部分仅采用复合土工膜铺设于大坝上游挤压边墙上进行坝体防渗，土工膜上部无保护。复合土工膜与趾板用不锈钢条、橡胶及螺栓等进行固定。南欧江六级电站大坝是目前世界上最高的、全断面使用软岩比例最大的、仅用土工膜防渗的复合土工膜面板堆石坝［4］。

1.1 挤压边墙

挤压边墙布置于大坝上游最外侧，为土工膜提供铺设基础面。挤压边墙设计底高程为431.70m，顶高程为512.0m，挤压式边墙混凝土共202层（每层高40cm），总计混凝土8763m3。断面为梯形，边墙外侧坡比1∶1.6，内侧坡比8∶1，顶宽10cm，每层采用挤压机一次挤压成型，每层挤压边墙浇筑不间断，浇筑完成后进行锚固带及垫层、过渡料填筑施工。挤压边墙施工到472.1m高程后进行一期土工膜铺设，然后施工至512m高程进行二期土工膜铺设。挤压边墙主要施工工艺如下。

1.1.1 挤压边墙混凝土配合比设计

根据设计提供的大坝坝体填筑施工技术要求，挤压边墙混凝土配合比应满足以下要求:

a.挤压边墙混凝土为一级配干硬性混凝土，坍落度为零，低抗压强度，28天抗压强度不超过8～10MPa，且2～4h的抗压强度指标以挤压成型的边墙在垫层料振动碾压时不出现坍塌为原则。

b.弹性模量指标宜控制在3000～5000MPa。

c.密度指标控制在大于1.95t/m3，尽可能接近垫层料的压实密度。

d.渗透系数控制在大于5×10-3cm/s，为半透水体。

e.在混凝土成型后2～4h后即可进行垫层料铺填，满足垫层料振动碾碾压时的变形要求。

根据以上要求获得的挤压边墙混凝土施工配合比见表1。

表1 挤压边墙混凝土施工配合比

1.1.2 挤压边墙面层处理

为使挤压边墙混凝土表面平整度满足铺设土工膜要求，在施工中对混凝土表面处理的主要工序包括去除松散的无砂混凝土骨料和凸起的粗骨料、对表面（局部）空腔的填补（如有必要）、层与层结合部位或棱边的处理。具体处理措施如下:

a.去除松散的边墙混凝土骨料，在铺设土工膜前，安排作业人员，使用高压风沿坡面由上到下（含锚固带覆盖部位）进行清理。

b.对凸起的粗骨料，安排作业人员使用钢毛刷清理，对局部凸起使用钢毛刷不能清理掉的进行凿除处理，凿除后的低凹部位，使用砂浆抹平。

c.表面（局部）空腔。使用M5水泥砂浆抹面。

d.层与层结合部位或棱边，采用打磨处理，避免出现尖角、错台。

1.1.3 平整度检查

挤压边墙施工完成后，对其平整度进行检查验收，不满足铺设土工膜要求的部位，使用自喷漆标记，在土工膜铺设前，安排作业人员对其进行处理。一期土工膜铺设前挤压边墙表面平整度检查结果统计见表2。

表2 平整度检查结果统计

1.1.4 挤压边墙验收

在土工膜铺设前，由现场监理工程师和专职质检人员对挤压边墙表面平整度进行检查，对需要处理的部位，使用自喷漆标记，施工人员按要求进行处理，经复验合格后进行土工膜铺设。

1.2 锚固带

土工膜面板安装在锚固带上，锚固带为土工膜提供基础和支撑，锚固带材料与土工膜面板相同，在挤压边墙上形成6m×6m的网格。锚固带安装简易、常规，大大简化了土工膜的安装过程。锚固带跟随挤压边墙施工进度逐层安装，每施工一层挤压边墙，安装一层锚固带，施工工序如下:

a.锚固带每一段长165cm、宽42cm，相邻两条锚固带之间的距离为6m。整个坝面锚固带共60道，总安装长度约6031m，在大坝中间部位设有定位点，该处锚固带的编号为第37道，然后以定位点为基准，向两边测量放点，每6m布置一道。

b.锚固带由膜（PVC）和无纺土工布组成，膜的厚度为2.5mm，无纺土工布规格为500g/m2。

c.在铺设土工膜之前，由现场监理工程师、现场专职质检人员对锚固带进行全面检查。主要检查复合土工膜锚固带安装是否垂直、锚固带中心间距是否为6m，以及通过人工拉拽的方式检查锚固带是否焊接牢固，对不合格的锚固带进行补焊，验收合格后开始土工膜铺设。

2 土工膜

2.1 土工膜施工

土工膜面板铺设面积为37555m2，分三期铺设完成，一期为472m高程以下，二期为472～512m高程，三期为512m高程以上部分，施工过程如下:

a.复合土工膜由膜（PVC）和无纺土工布组成，膜的厚度为3.5mm，无纺土工布规格为700g/m2，土工膜单宽为2.1m。

b.土工膜每条长度根据坝面铺设斜长各不相同，长度在生产阶段根据现场实际情况已经确定，包装并编号后运输至现场。现场根据编号顺序逐条摆放在坝体填筑面上，再由坝体填筑面将土工膜放至上游坝坡，安装就位后开始土工膜焊接。

c.土工膜焊接主要分为三类:土工膜之间的搭接焊接、土工膜与锚固带之间的焊接，以及土工膜局部小面积的焊接。土工膜单宽为2.1m，搭接10cm进行焊接，三条焊接完成后总宽度为6m，然后与提前安装的锚固带进行焊接，将复合土工膜予以固定。该工作由左岸开始进行，依次焊接，直至整个坝面铺设完成。

d.土工膜底部与趾板进行连接，在趾板周边设置有U形槽，在U形槽内通过钢板将土工膜与趾板固定，然后土工膜覆盖至趾板面上，在趾板混凝土面上涂抹专用黏结剂，将土工膜与趾板黏接牢固，最后再将土工膜周边用钢板和螺栓固定在趾板混凝土面上。

e.土工膜铺设完成后，质检人员对整个坝面土工膜进行检查，对破损地方，通过打补丁的方式进行补焊。

2.2 质量检查

土工膜施工中，安排质检工程师进行现场控制，监理、业主共同参与。质量检查根据设计文件提供的质量控制标准进行，每道工序经检查合格后，方可开始下一道工序施工。全部施工完成后，经现场各方联合检查合格后，签署合格文件移交业主。

一期土工膜（472.1m高程以下）2014年11月1—30日进行施工，经各方联合检查合格后移交业主。二期土工膜（512～472.1m高程）于2015年4月13日开始施工，5月20日施工完成，经联合检查合格后移交业主。在二期土工膜施工前，对一期土工膜进行了全面检查，对个别破损的部位进行了补焊，对因大坝沉降产生的局部臌胀部位进行切割，并对挤压边墙进行处理后重新焊接。在大坝蓄水前，对土工膜进行一次全面检查，对个别破损部位进行补焊。

土工膜面板质量检查主要包括以下内容:

a.挤压边墙表面的松动料是否清理，挤压边墙表面局部凸起是否清理，挤压边墙表面孔洞是否填平，挤压边墙的最终表面是否满足土工膜铺设要求。

b.复合土工膜锚固带是否垂直铺设，锚固带间距是否为6m，锚固带搭接焊部位是否清理干净，锚固带搭接焊是否牢固。

c.土工膜批次材料外部包装是否完好，土工膜批次材料外部标签是否完整、可读，数量是否与装箱清单一致。

d.人工焊缝和机器焊缝。人工焊缝以平口螺丝刀插不进去为合格。机器焊缝必须进行气压试验，采用气压法检测:0.2MPa压力持续5min气压，下降不超过10%即可。

e.土工膜与趾板连接采用螺丝钻孔、锚固、摊铺混合胶、覆盖土工膜、拧紧螺帽等工序。用12kN扭力扳手拧紧并检查。

f.施工完成后，对外观进行全面检查。

3 结 论

a.土工膜施工不受天气影响，缩短了筑坝工期。对于缺少天然混凝土骨料和黏土的南欧江六级电站而言，土工膜是一个很好的选择。同时，土工膜面板与混凝土面板相比，具有经济、施工速度块、基本无大型机械设备等特点。

其中，经济性除了单价的优势外，还在于取消了盖板与盖重，不存在周边缝与垂直缝的止水结构；施工速度快，由于复合土工膜铺设在大坝上游挤压边墙表层，上部无保护、工序少、铺设快、效率高，是现浇混凝土面板所无法比拟的。已施工完成的3.6万m2土工膜仅耗时2个月；整个施工过程使用的机械设备较少，除转运叉车外，无大型设备。

b.锚固带安装是一个简易、常规的过程，大大简化了土工膜的安装过程，提高了土工膜铺设安装效率。

c.截至2016年1月底，大坝累计最大沉降量为100cm左右，土工膜从外观上看无明显拉伸和褶皱，体现了复合土工膜面板在85m高的软岩堆石坝中具有良好的适应性。但是土工膜铺设后易损坏也是存在的事实，尽管在施工期已经采取了有效的保护措施，在坝前基坑充水前的检查中还是发现大小不等的破损约30处。因此，应考虑在施工期土工膜表面增加覆盖或采取其他更可靠措施；选择大坝填筑全部结束后沉降的空档期为最佳铺设时间，更能发挥施工速度快效率高的优点，完全不会影响工期，又能避免施工干扰对土工膜的破坏。

d.土工膜设计单位对挤压边墙的混凝土设计指标为抗压强度8～10 MPa、渗透系数大于5×10-3cm/s。挤压边墙的刚性较大，挤压边墙随坝体发生变形时，存在空鼓、裂缝和错动等现象，由于刚性导致土工膜随坝体的变形不一致。应考虑适当增加掺和料增加挤压边墙的弹性模量，从而增加挤压边墙的塑性，使得挤压边墙和土工膜与坝体变形时保持一致。

e.大坝沉降数据显示，软岩筑坝初期沉降值较大，且沉降期较长，应在填筑期间增加沉降期，把沉降期根据观测数据分为几期，对25个月的主体工期无影响，编制控制性工期时能够更加灵活。

f.土工膜可高效取代堆石坝中的混凝土面板，具有防渗性能，还能适应混凝土面板无法承受的沉降和变形，能够使大坝安全施工，降低成本，降低复杂性，缩短工期。

g.现有资料表明，2mm厚的土工膜已经安全运行超过30年，对南欧江六级电站所采用的3.5mm厚土工膜，使用寿命可达100年。但由于各地的自然环境、社会环境存在差异，土工膜面板在运行期间需要有针对性地做好安全防护。