复合土工薄膜在土坝防渗中的应用

2022-07-14李经利李佳青

湖南水利水电 2022年3期

李经利，李佳青

（1.嘉禾县水利局，湖南郴州 424500；2.嘉禾县观音山水库管理所，湖南郴州 424500）

前言

湖南省嘉禾县现有上型号水库96座，其中中型水库3座，小（Ⅰ）型水库18座，小（Ⅱ）型水库75座，设计兴利库容达8 400多万m3，提供蓄水量1.05亿m3，为该县农业稳产及发展城镇供水打下了坚实基础，这些工程大部分修建于20世纪60—70年代，受当时经济和技术条件影响，工程标准低、质量差，经多年运用，建筑物老化严重，大坝防渗保安成为水库运行管理的头等大事。从坝型而言，除2000年4月竣工投产的中型水库——观音山水库为圬工重力坝外，其余95座上型号水库均为土坝，由透水性较小的土料壤土和黏土经人工碾压而成。由于构筑坝体的主要材料是土料，水库蓄水以后，坝体受到水压力作用，渗水会沿着坝体内的孔隙向下游流动，导致坝体失稳，所以土坝防渗是工程设计、施工及运行管理等工作的重中之重。

长期以来，我们在治理水库坝基、坝身及坝肩与山体接头漏水工程时，用黏土修建防渗铺盖，在理论和工艺上都较成熟，但工序多，工程量大，其厚度均超过1 m，黏土采运困难，费用高，且黏土碾压质量不易保证。复合土工薄膜，因其优良的防渗性能，在水库防渗中被广泛运用。下面介绍复合土工薄膜在水库大坝防渗中的设计与施工。

1 复合土工薄膜性能

复合土工薄膜是将土工薄膜与土工织物叠合，用热焊法或黏结法贴合在一起而成的复合材料,有PVC、PE两种，基本分为织造型和非织造型两种。选材时考虑：PE产品的宽度比PVC产品宽1～2.5倍，可减少接缝，有利于防渗。非织造型土工织物不仅对膜提供加筋和保护，提高膜的使用寿命，还起到排水（反滤）排气的作用，同时还提高膜面的摩擦系数，对稳定性有利，因此，本工程选用PE膜与非织造型土工织物复合成型的产品。该材料依靠土工薄膜层防渗，用无纺土工织物保护，防水效果良好，具有较高的抗拉、抗顶破及抗撕裂强度，可在粗糙的层面上施工；柔性好，在运输和施工中，薄膜受到织物的保护，不易损坏。

2 复合土工薄膜防渗铺盖设计

2.1 薄膜厚度确定

一般塑料薄膜的渗透系数约为10-9cm/s，完全能满足水库防渗要求。如何选择塑料薄膜，关键在于选择薄膜的经济厚度，可采用非加筋聚氯乙烯薄膜厚度的选用方法。

1）在连续均匀地基上，薄膜均匀受压，其厚度S≤d/5，其中d为地基土粒的计算粒径。

2）在不连续不均匀的地基上，如周边支承的板一样受力，薄膜厚度S为d/5＜S≤d/3。

3）在不连续不均匀的地基上，如周边支承的膜一样受力，薄膜厚度S＜d/3。

在使用时，考虑地基的不均匀沉陷，在运输、拆装、铺设中可能受损，在选用时比设计要略厚一些。设计选用的复合土工膜特性为：PE膜厚度为0.4 mm，土工布选择聚酯长丝非织物造产品，最后选择材料为：500 g/0.4PE500 g（合计1.0 kg/m2）。

2.2 防渗铺盖范围的确定

防渗铺盖设置范围，根据水库库区坝区地形地质条件，构筑坝体土料性能及坝体外坡渗水出露部位是散渗还是集中渗漏，确定坝体漏水类型。土坝渗漏可分为坝基渗漏、坝身渗漏和坝肩与山体接头渗漏。根据渗漏情况，确定防渗铺盖范围，但对涵卧管断裂导致坝体漏水时，则采用环氧砂浆混凝土在涵外管断裂处进行堵填与加固。为保证铺盖防渗效果，截断坝体内漏水通道，应在坝内坡建成堵闭式薄膜防渗铺盖。在坝内坡、底部开挖截水墙，周边应设置混凝土截水墙，使薄膜铺盖同截水墙、压顶共同组成一个防渗整体。

2.3 保护层的设置

为延缓复合土工薄膜老化，保护土工膜不受人畜活动破坏和流水冲刷、日光曝晒、冰冻等因素影响，在复合土工膜铺盖上设黏土、碎石、块石三层保护。第一层为黏土护层，在土工膜上铺黏土或壤土15 cm，铺平夯实；第二层为碎石垫层，铺10 cm厚，碎石粒径小于2 cm，防止和减少波浪对黏土护层的冲刷淘蚀，起反滤作用，并对块石护面起辅助平整作用；第三层块石护层，厚度25 cm，既对碎石垫层、黏土护层起保护作用，又能增强铺体的稳定性。

2.4 保护层边坡稳定分析

复合土工膜铺盖边坡稳定最不利条件：①水库空库状态时遇到连续降雨，土体受到重力、动水压力、渗透压力的作用，复合土工薄膜与土体之间的粘接力及磨擦力最小，下滑土体按饱和容重（rm）计算，抗滑土体因受孔隙水压力和水压力作用，按浮容重（r1）计算；②水库满库状态时，土工膜铺盖保护层边坡完全浸没在水中，土体按浮容重计算，土体滑动面在黏土保护层按直线计算，最危险的滑裂面在坡脚，取安全系数K=1.05，求出稳定角度等于15.95°,因此坡度大于1∶3.5的坝面，在坝坡脚、戗台内侧设防滑槽，同时每隔3～7 m在坝坡上设深0.3 m、底宽0.3 m梯形防滑槽。

3 复合土工薄膜铺盖施工

3.1 施工流程

复合土工薄膜防渗采取边挖、边铺、边夯、边护的区段循环作业，其施工流程如图1。

图1 施工流程图

3.2 复合土工薄膜铺盖面的平整

复合土工薄膜铺盖在设计坡面及坝面范围内，将坡面的碎石和其它尖硬杂物清除干净，并将坡面拍紧、整平，按设计要求，平行于坝轴线开挖布置防滑槽，断面深0.3 m，底宽0.3 m，呈梯形，防滑槽的边角应修圆，槽底整平拍实，清除石块及坚硬杂物。

3.3 复合土工薄膜之间的连接

土工薄膜之间的连接是保证其连续性和防滑效果的关键。铺设时各幅间在现场粘接，搭接长度20～30 cm，采用加热法粘接时把薄膜搭接面20～50 cm加热，使搭接两片粘接，薄膜粘接后应检查接缝质量，并尽快在上部设置保护层。

3.4 复合土工薄膜铺体的周边固结措施

为有效防止库水通过铺盖周边渗入铺体底部，影响铺盖防滑效果，必须对周边进行有效固结处理。固结措施：下部及周边复合土工薄膜贴于混凝土截水墙（见图2），再用75#水泥砂浆铺垫10 cm。

图2 底部及周边土工膜固结构造图

4 复合土工薄膜防渗效果

1990年青山水库坝内坡铺膜2 500 m2，使坝外坡长25 m、宽1.5 m的散渗带漏水由原来的0.06 m3/s减少到0.01 m3/s。1991年，嘉禾县盘江水库铺膜1.2万m2，治理坝内坡与条形山体接触部位渗漏，效果良好。1996年，行廊镇邝家水库在坝内铺膜55 000.06 m2，根治了原来因大坝外滑坡导致坝外坡长35 m、宽1 m的散渗带，漏水量由原来0.03 m3/s减少到0.009 m3/s，坝外坡大部分地方干燥不漏水。2002年白鹿塘水库大坝内坡铺膜2 800 m2，根治了长18 m，宽2.2 m的散渗区，漏水量由原来的0.032 m3/s减小至0.008 m3/s。

5 复合土工薄膜应用范围

土工膜是一种高分子化学材料，比重较小，延伸性较强，适应变形能力强，耐腐蚀和低温、抗冻等性能好，采用土工膜处理土坝渗漏，是对传统防渗材料（土料、沥青、混凝土）的补充或替代，其主要机理是以土工膜的不透水性隔断土坝漏水通道，以其较大的抗拉强度及延伸承受水压和适应坝体变形。聚已烯薄膜在24 h内吸水率只有0.01%，几乎不漏水，只要接缝处理得当，施工中无破损，可以做到基本不漏水；用厚度0.1～0.2 mm的聚已烯薄膜铺垫于中砂层上作为防渗材料，在水头为200～300m的长期作用下，也不会发生破坏；当温度下降后，土工膜相对延伸性逐渐减小，脆性增加，即使地温低于土工膜的催化温度，如果不受外力作用也不致解体或破坏，当温度回升后，它又能逐渐恢复正常的柔韧和强度。在一般情况下，埋铺的土工膜是不会被土的冻胀拉断的，同时土工膜对细菌和化学作用有效好的耐侵蚀性，不怕酸、碱、盐类的侵蚀。

水工用土工膜防渗的使用年限主要是由土工膜是否失去防渗隔水的作用而定。据国家标准规定，水工用厚度0.2 mm加稳定剂的聚乙烯薄膜，在清水条件下工作年限可达40～50年，在污水条件下为30～40年。因此，土工膜作为防渗材料，它既不受覆盖面积大小的限制，也不受水头大小的限制，在有水或无水的支承面下都可以敷设，这给广泛使用土工膜作为防渗材料创造了极为有利的条件。