土工膜防渗斜墙在水库大坝防渗加固中的应用

桂长兴

(中智建设集团有限公司，江西 鹰潭 335000)

0 前 言

现阶段水库大坝防渗加固中的土工膜防渗斜墙多采用复合土工膜，因此土工膜防渗斜墙的建设必须关注铺设方向的确定，基于实际情况的复合土工膜铺设施工设计也需要得到重视。为保证土工膜防渗斜墙更好服务于水库大坝防渗加固，正是文章围绕该课题开展具体研究的原因所在。

1 土工膜防渗斜墙的设计与施工要点

1.1 铺设方向的确定原则

土工膜防渗斜墙的设计需关注土工膜的铺设方向确定，需基于接缝最短原则、拉力大方向的接缝少原则开展设计。所谓接缝最短原则，指的是沿着坝轴线方向进行低坝土工膜展铺，如较长、较矮的防洪堤，可由此采用较长的土工膜卷材进行展铺施工，高坝则应从坝顶至坝底进行土工膜展铺，以此保证接缝最少；需保证接缝抗拉强度能够达到80%的母材水平，因此接缝应尽可能避免设置在拉力大的方向，以此保证拉力大的方向与土工膜的纵向平行。以高土石坝为例，坝坡方向受力较大，因此应沿上下方向进行土工膜展铺。对于地质情况良好防洪堤或低坝，需开展针对性计算，如顺坡接力较小则需要服从接缝最短原则，这种情况下可不在拉力大的方向设置接缝[1]。

1.2 具体设计与施工要点

PE复合土工膜近年来广泛应用于土工膜防渗斜墙，具备平面排水能力优秀、防渗性优越等特性，但由于PE复合土工膜较薄，为避免接缝漏水或损失情况出现，必须开展针对性设计。以低坝为例，PE复合土工膜施工一般采用水平铺盖并需要针对性开挖趾板槽，对两岸存在较厚黏性土，则需要进行土槽开挖，一般将需将深度、宽度分别控制为1.5m与2.0m，以此在回填的黏性土内埋设光膜曲折，为保证PE复合土工膜与黏土严密结合，需层层夯实。在铺设安排过程中，竖向横向接缝应错开成T字缝，不得存在十字缝；对于坝基覆盖层较薄的低坝，两岸趾板槽需首先开挖，趾板底部需开挖至基岩。如土石坝上游坡铺PE复合土工膜，需在混凝土的趾板进行土工膜的底部浇筑，趾板槽开挖到岩基需沿坝坡底部轮廓线进行，随后进行混凝土浇筑。需沿着趾板线进行PE复合土工膜埋没，具体埋设需从河床趾板向岸坡趾板延伸，并在趾板混凝土中浇筑留边的光膜，一般光膜宽度应控制在210mm左右，以此进行曲折浇筑；坝坡面PE复合土工膜铺设需关注锚固槽或趾板的开挖完成情况，以此纵向顺着趾板或锚固槽走向进行PE复合土工膜留边光膜的浇埋，基于锚固槽内或混凝土内完成浇埋施工。为与坝中央复合土工膜进行拼接，需露出半边，并随之检查坝面土石料是否存在大块尖棱石、密实平整情况，通过检查后方可进行PE复合土工膜的铺设，基于实际情况的PE复合土工膜裁减也不容忽视，以此更好满足胶接和焊接需要，温度收缩及坝体变形带来的影响也需要同时得到重视。完成铺设与拼接后，护坡应在48h内完成，必要情况下可通过遮盖保护施工质量，作业和检查人员必须穿着软底鞋且不得抽烟[2]。

2 土工膜防渗斜墙在水库大坝防渗加固中的具体应用

2.1 工程概况

以江西省某灌溉为主的小(2)型平原注入式水库作为研究对象，水库主要负责调蓄水源，无防洪任务。在2019年的水库大坝评价中，评价确定水库属三类坝，存在较大的渗漏量，需要对库盘、坝体进行防渗加固、培厚加高。在坝体防渗方案的选择中，由于水库大坝属于典型的土石坝，需严格遵循“排、压、截”的坝体防渗处理原则，因此初步得出了两种水库大坝防渗加固方案。方案一，设置一定厚度的防渗斜墙于原坝体上游位置，上游设置的防渗斜墙可采用黏性土、沥青混凝土、土工膜作为采用，具备施工方便、后期维修简单、质量较高优点的防渗斜墙可满足防渗加固需要。方案二，设计一层水平铺盖于原坝体上游坝坡上，选择混凝土板、混凝土浇筑层等作为铺盖材料，水平铺盖具备工期短、施工速度快、防渗效果好等优点，同样可较好满足防渗加固需要，但由于铺盖面积较大，该方案的成本也较高。综合对比，考虑到两个方案在后期维护和施工难度方面相差不大，最终选择了方案一进行水库大坝防渗加固，相较于方案二，方案一可实现15%的投资成本降低，因此工程最终设置土工膜防渗斜墙于原坝体上游位置，采用PE复合土工膜作为防渗斜墙材料，具体技术指标如表1所示。

表1 PE复合土工膜技术指标

2.2 土工膜防渗斜墙结构设计

结合类似工程的成功经验，水库大坝土工膜防渗斜墙结构设计从下至上分别为：中细砂下垫层→复合土工膜→中细砂上垫层→砂砾石→干砌卵石。具体设计需首先计算防渗斜墙各结构厚度，各砂石层厚度设计垫层主要负责防治坝体内部冲蚀、平整坝面、保护土工膜完整性，基于类似工程设计，文章研究水库大坝土工膜防渗斜墙设计采用300mm-500mm厚度的细砂垫层，细砂的粒径范围控制在细砂垫层区间。选用250-500mm厚度的干砌卵石层，卵石含量控制在70%以上，卵石直径控制在2-5cm区间，采用中细砂充填孔隙。采用200-300mm厚度的砂砾石层；为保证土工膜防渗斜墙各部分功能充分发挥，还应针对性计算复合土工膜厚度，复合土工膜渗透量、所需厚度等参数的精确计算极为关键，文章研究工程的相关计算采用薄膜理论公式和苏联经验公式，具体公式如下：

(1)

(2)

式中：T、P、d、h、ε分别为土工膜厚度、水压力、土粒直径、挠度、土工膜抗拉应变，由此，工程最终选择了0.3mm厚度的PE复合土工膜[3]。

为保证PE复合土工膜更好服务于水库大坝土工膜防渗斜墙建设，还需要针对性开展土工膜顶端锚固形式及受力设计。深入分析可以发现，复合土工膜需要在工程中设置于坝体上游，且时刻受到坝体沉降、水压力影响，如出现超过极限值的应力变形，PE复合土工膜便会撕裂，这将导致土工膜防渗斜墙的防渗性能大幅下降。基于同类工程经验可以发现，应力变形直接受到坝顶处土工膜锚固形式影响，现阶段埋固和刚性锚固属于主要的土工膜锚固形式，因此需重点分析、优选锚固形式，为模拟PE复合土工膜的应力应变值，工程采用了ABAQUS软件，由此得出了表2所示的模拟参数。

表2 模拟参数

开展针对性的土工膜刚性锚固形式分析可以发现，在防浪墙设置于坝顶时，可在刚性防浪墙底部或之上锚固PE复合土工膜，足够结合长度的预留也不容忽视。基于图1所示的土工膜刚性锚固形式最大主应变分布可以发现，该图对锚固于防浪墙底部及面上的PE复合土工膜在水库满蓄期的最大主应变分布线进行了模拟，结合模拟可发现PE复合土工膜的最大应变值、最大应力值分别为0.22%、0.025MPa。

图1 最大主应变分布

进一步分析土工膜埋固形式可以发现，如未设置防浪墙于坝顶，为保证PE复合土工膜顶部锚固牢固性，需在坝顶的锚固沟内埋置PE复合土工膜，这里存在“U”型和“V”型两种锚固沟形式。围绕“U”型和“V”型锚固沟内PE复合土工膜水库满蓄期最大主应变进行模拟可以发现，“U”型、“V”型锚固沟PE复合土工膜的最大应力值分别为0.009MPa、0.025MPa，最大应变值分别为0.08%、0.17%。开展针对性对比分析可以确定，“U”型锚固沟埋置PE复合土工膜存在最小的最大应力数值及最大应变，PE复合土工膜锚固于防浪墙上则会承受最大的应力及应变值。考虑到工程大坝高程实际，由于不需要设置防浪墙，工程最终选择了“U”型锚固沟形式进行PE复合土工膜锚固。

2.3 土工膜、中细砂垫层铺设施工要点

PE复合土工膜的铺设属于水库大坝土工膜防渗斜墙施工的重要环节，施工过程中采用1∶1.5坡度进行上游坝坡平整处理，需同时保证人工碾压密实，平整度、碾压相对密度需分别控制在5cm内、0.7及以上。随后开展的中细砂垫层铺设需从下至上进行，最初的铺设厚度为500mm，随后逐渐减小，最终降至300mm。为保证铺设施工效率，施工过程中需首先采用LB-2胶水黏结两幅PE复合土工膜，采用最窄10cm的黏结宽度及0.6mm的涂抹胶水厚度，还需要加黏宽8cm土工膜于接缝处，以此更好保证PE复合土工膜防渗性能。PE复合土工膜的具体铺设施工需在接缝处打褶，采用20-25cm的褶皱宽度，如处于槽口等位置，则需要采用低于50cm的褶皱宽度，以此沿坝轴方向保证整个土工膜呈宽松状态。基于PE复合土工膜特定，施工采用2PH-213型号的热焊接机焊接，焊接前需对土工膜焊接位置进行人工清理并保证铺设平整，具体焊接过程则需要对行走速度和温度进行控制，需基于1.5-2.0m/min的行走速度、250℃-320℃的焊接温度进行施工。还应做好正式施工前的试验工作，施工的正式开始必须保证各项参数合理；中细砂垫层铺设施工需首先筛除>5mm粒径的粗颗粒，以此从上游坡面最低点进行铺设施工，基于300-500mm的垫层厚度，施工未采用分层铺设，而是保证一次铺设至规定厚度。在基于木板进行垫层刮平处理后，为保证中细砂垫层达到设计干容重，还需要针对性进行洒水处理，PE复合土工膜的铺设需在下垫层铺设幅宽超过4m后进行。PE复合土工膜之上仍为中细砂垫层，因此需开展同样的施工，具体施工过程的人工垫层夯实也不得忽视，不得使用机械，避免出现PE复合土工膜损坏问题。

3 结 论

综上所述，土工膜防渗斜墙可较好服务于水库大坝防渗加固。在此基础上，文章涉及的土工膜防渗斜墙结构设计、土工膜与中细砂垫层铺设施工要点等内容，则提供了可行性较高的土工膜防渗斜墙施工路径。为更好保证水库大坝防渗加固效果，土工膜防渗斜墙施工必须结合水文条件、地质条件、工程实际针对性开展，土工膜防渗斜墙的设计与施工、锚固及黏结方式的合理选择也不容忽视。