调蓄山塘防渗方案设计与施工技术研究

2023-08-31陈步高李起宏雷进生许飞虎

陕西水利 2023年8期

关键词：防浪山塘调蓄

陈步高，高翔，李起宏，雷进生，许飞虎

（1.浙江华东工程咨询有限公司,浙江杭州 310000；2.三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002；3.防灾减灾湖北省重点实验室（三峡大学）, 湖北宜昌 443002）

0 引言

复合土工膜是一种有着良好防水性和延展性、能适应大变形的新型防渗材料,以较多运用于土石坝、蓄水池、尾矿坝等防渗工程中[1-2]。相较于钢筋混凝土面板防渗来说,在施工条件、可靠性和成本等方面,对于本工程,复合土工膜防渗更具优势。

1 工程概况

调蓄山塘位于宁南县大同乡新场村小凉山附近的古家槽南侧山脊处,山塘顶高程1400.0 m,塘底高程1390.0 m,平均开挖深度约20 m,水塘各方向岸坡开挖坡比均为1∶2,总开挖方量约为23.8 万m3,山塘有效库容为7.9 万m3。山塘西北至东南方向长约180 m,宽约100 m。塘顶马道宽度不小于5 m,马道内侧设0.3 m×0.3 m 的矩形断面排水沟,顶部设1.4 m 高防浪墙兼做安全挡墙,防浪墙采用C25 钢筋混凝土。

根据山塘所在位置的渗漏特性,复合土工膜布置见图1。岸坡部位土工膜防渗结构自上而下依次为：10 cm 厚预制混凝土块、复合土工膜（2 布1 膜）、30 cm 厚砂砾石垫层。塘底土工膜防渗结构自上而下依次为：土工沙袋压覆、复合土工膜（2 布1 膜）、30 cm 厚碎石垫层,70 cm 厚排水层。

图1 山塘典型剖面图

2 防渗方案比选

根据地形地质条件,从安全可靠性、施工条件、对水质影响和成本等方面,对复合土工膜防渗和钢筋混凝土面板防渗两种方案进行综合技术经济比较。

方案一：全库盆均采用复合土工膜（两布一膜）作为防渗结构层的主体,为使土工膜能够长期安全有效地起防渗作用,防渗结构层设置膜下支持层和膜上保护层等结构,为保证膜上保护层的结构稳定,库盆上游坡比为1∶2.0。膜上保护层两岸采用10 cm 厚预制混凝土盖板,库底采用土工沙袋压覆。土工膜下采用30 cm 厚砂砾石垫层作为支持层,库底支持层下设70 cm 厚排水层,排水层内设置纵横交错的排水暗沟进行排水排气,防止气压或水压顶托土工膜。土工膜与防浪墙底部进行锚固处理。

方案二：面板基础以坡积粘土、含砾粘土为主,局部为碎石混合土,库盆基础软硬不一,为协调不同的基础条件,库岸面板结构缝间距18 m,库底面板16 m。库岸面板通过连接板与库底面板相接。连接板宽度为4.5 m,库岸及挡水坝上游面板坡比均为1∶1.4,面板、连接板混凝土标号均为C25W8F150。库底面板基础设30 cm 厚砂砾石垫层进行找平,砂砾石垫层底部为70 cm 厚排水层,该层内埋设纵横交错的排水暗沟进行排水排气；库岸面板基础设30 cm 厚砂砾石垫层找平。面板缝与周边缝均设两道止水,顶部设SR 塑性材料,外部用氯丁橡胶片保护。底部设W 型止水铜片,W 型止水铜片的底部设6 mm 厚氯丁橡胶片和水泥砂浆垫层,缝面刷沥青乳胶。

（1）安全可靠性方面,土工膜渗透性小、延展性较好、能适应大变形,只要拼接焊缝质量能保证,就可以达到防渗要求。而混凝土面板因为和库底基础面板条件不同,连接板变形协调难度大,可能造成局部面板开裂。本工程处于地震断裂带边,地震工况下混凝土面板及止水结构易发生局部破坏,造成防渗失效。

（2）施工条件方面,土工膜产品市场规格化,铺设简便,重量轻,运输方便,但在施工中易受损,接缝焊接较多,与岸坡的连接处理也较麻烦,需精心施工,妥善解决土工膜接缝的焊接问题。而钢筋混凝土面板防渗比较常规,但容易开裂,适应基础变形的能力较差,故混凝土面板对基础的沉降变形要求较高,面板混凝土需预防温度裂缝等。

（3）对水质影响方面,本工程选用HDPE 土工膜无毒,可保证水源清洁。钢筋混凝土面板对调蓄池内水质基本无影响,也是一种清洁的防渗型式。

（4）成本方面的差异主要在防渗结构材料及施工费用,由于土工膜材料相比面板混凝土材料单价经济许多,因此土工膜更为经济。

综上所述,土工膜综合技术经济更优。

3 库盆防渗设计

3.1 土工膜结构布置

土工膜是防渗结构层的主体。为使土工膜能够长期安全有效地起防渗作用,防渗结构层主要包括膜下支持层、膜上保护层等结构。土工膜防渗层的结构类型有单层（复合）土工膜防渗、多层土工膜防渗及土工膜与其它渗透性较小的土层组成的组合式防渗层。本调蓄水库拟采用复合土工膜（两布一膜）防渗,土工膜膜厚拟定为 0.5 mm。因库底为坡积粘土、含砾粘土为主,局部碎块石土,为保护土工膜,必须在土工膜下设置砂砾石垫层找平。垫层按规范要求可用粒径小于 4cm的卵砾石、碎石或粗砂,考虑料源因素,本工程拟采用 30cm厚碎石垫层找平。为方便施工、检修,库周土工膜膜上保护层采用 10 cm 厚预制混凝土块,库底采用土工沙袋压覆保护。

3.2 库底排水系统设计

横向每间隔25 m 及四周一圈均设0.2 m×0.2 m（宽×高）的梯形断面排水盲沟作为土工膜底部排水排气设施,盲沟内回填石渣。盲沟在山塘底部东南侧引水口附近设两根,100 排水盲管,盲管外裹土工布325 g/m2,将盲沟内渗水通过盲管排至山塘外,排水盲管纵坡0.5%。

3.3 土工膜锚固设计

土工膜锚固主要为土工膜与防浪墙底部的锚固及与进水口、引水口、溢流孔等部位的搭接。土工膜与防浪墙底部锚固应在防浪墙浇筑之前施工。具体做法为：在“L”型防浪墙、上游检查小道混凝土浇筑前,土工膜沿二者基础面铺设,再在其上浇筑防浪墙混凝土、检查小道混凝土,并用螺栓与防浪墙锚固。土工膜与进水口、引水口、溢流孔等部位的搭接均采用不锈钢螺栓锚固于混凝土上。

3.4 土工膜材料选择

土工膜的主要功能是防渗,要求土工膜必须有较小的渗透系数和良好的均匀性,工程上常用来作为防渗的土工膜材料有HDPE、PVC 和PE 膜。考虑到小凉山调蓄山塘库水用于居民点安置点生产、生活用水,需保证水质清洁,且防渗要求高,使用寿命长（50年～100年）,拟定选用无毒、抗老化性能好的聚合物材料,即选择HDPE 土工膜。

4 土工膜施工技术

复合土工膜防渗体主要施工工序包括基面处理、上下层土工布铺设与缝合、HDPE 土工膜铺设与焊接、覆土回填保护等[3]。

4.1 基面处理

开挖后的基础面应平顺,基础范围内的局部突起、陡坎、深槽、冲沟等应进行处理：①局部突起、山梁、土埂等应结合周边地形条件进行开挖与周边地形顺接；②陡坎部位应进行放缓开挖,开挖后坡度不大于 1∶2。③局部深槽、冲沟部位首先按陡坎要求将与周边衔接的边坡放缓至 1∶2,采用防渗土料进行分层碾压回填至周边地面,回填技术要求同防渗铺盖。

清除基础面残留的树根等杂物,采用不小于18 t 的振动碾对开挖面进行碾压6～8 遍,其中强风化岩基础区域无需碾压。处理后的基础面不应存在碎块石集中和架空现象,若存在应进行清除或在表面铺设一层 400 g/m2土工布。碾压后的基础面应及时进行防渗铺盖施工。

4.2 土工膜铺设

土工膜铺设应在温度和风力适宜且无降水的情况下进行,且基面条件应满足平整无杂物,基面表面含水率在15%以下,如不符合需根据情况进行晾晒,确保满足干燥施工的要求。

铺设前应依据设计要求,对施工现场进行区块划分和材料分配。在裁剪时应严格按照实际情况进行裁剪,且控制不小于10 cm 的搭接宽度。坡岸铺设土工膜时,按照从上到下的顺序滚动铺设,以波浪形松弛方式控制膜的松紧度,并预留1.5%的富余度,从而满足变形要求[4]。在铺设时,操作者严禁穿着携带会损伤膜的物品或进行损伤膜的操作。在铺设的过程中应随时检查土工膜的质量外观,确保没有出现明显的创伤、孔洞、折损等方面的缺陷。

4.3 土工膜焊接

土工膜焊接采用热熔焊法,双焊缝搭焊,焊缝搭接宽度10 cm 左右,焊缝间应留有1 cm 的空腔,以便进行打压检测焊缝焊接质量。每次焊接前,应先现场进行试焊以重新确定焊接参数,焊接前焊缝表面应做到无水、无尘、无垢[5]。焊接过程中,应随时根据施工现场的气温、风速等施工条件调整焊接参数。

焊接完成且焊缝完全冷却后,需进行焊接质量检查,目前主要使用的方法有目测和真空检测。目测是用肉眼观察的方法进行观察,确认有无熔点和明显漏焊的地方,接缝是否有烫损和褶皱；真空检测是用真空检测仪“T”形接头、转折接头和目测时有疑问的地方进行检测,检测程序如下：肥皂液沾湿需检测焊缝→真空罩放置潮湿区且压严→启动真空泵,调节压力大于或等于0.05 MPa →保持30 s 后,观察肥皂泡情况。