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淺談土工合成材料在新建堆石壩及病險(xiǎn)庫(kù)加固中的應(yīng)用
土工合成材料是一種新型的建筑材料，由于其具有質(zhì)量輕、施工簡(jiǎn)易、運(yùn)輸方便、料源豐富等優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展非常迅速，尤其是近二三十年在全世界范圍內(nèi)得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
土工合成材料分為四類(lèi)：土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料，其原材料主要是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等各種高分子聚合物。近幾年，在水利工程中使用較廣泛的是土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料。土工織物分為有紡?fù)凉た椢锖蜔o(wú)紡?fù)凉た椢飪煞N類(lèi)型，其中，針刺無(wú)紡?fù)凉た椢�，具有孔隙率高、滲透性大、排水性能較好的特點(diǎn)，在大壩工程中常作為排水反濾設(shè)施廣泛使用。土工膜防滲性能較好，垂直滲透系數(shù)小于1×10-11cm/s，價(jià)格便宜，但其CBR頂破強(qiáng)度較低，對(duì)于防滲要求較高的工程部位不宜使用，一般常用于壩基垂直防滲。土工復(fù)合材料是將兩種或兩種以上的土工合成材料組合在一起的產(chǎn)品，品種繁多，功能各異，其中復(fù)合土工膜具有防滲和排水雙重作用，在大壩工程中應(yīng)用較廣泛。
近幾年，土工合成材料的生產(chǎn)廠家越來(lái)越多，生產(chǎn)規(guī)模愈來(lái)愈大、品種繁多，質(zhì)量基本上都可以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；其次，對(duì)土工合成材料的研究也日益深入，制定的許多國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，為該材料的推廣提供了技術(shù)依據(jù)，土工合成材料的研究、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)逐步走向了成熟。下面簡(jiǎn)要闡述土工合成材料在新建堆石壩及病險(xiǎn)庫(kù)加固中所取得的成功經(jīng)驗(yàn)，以饗讀者。
1.復(fù)合土工膜在堆石壩的應(yīng)用
博斯塘水庫(kù)位于新疆木壘縣境內(nèi)。該水庫(kù)為山區(qū)攔河水庫(kù)，屬小（Ⅰ）型水庫(kù)，壩型為復(fù)合土工膜防滲堆石壩，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)186m，最大壩高37m，壩頂寬5m，前壩坡1：1.65，后壩坡1：1.45、1：1.55兩級(jí)。壩址兩岸基巖裸露，巖性為安山巖，較堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，部分階地上有數(shù)米厚的坡積物。河床礫卵石層厚12～14m，下部為安山巖。溢洪道位于右壩肩山脊埡口處，為正槽開(kāi)敞式，均在巖體內(nèi)開(kāi)挖。筑壩材料大部分采用溢洪道爆破開(kāi)挖出的安山巖巖渣，不夠部分采用河床砂礫石料。壩基采用人工澆筑混凝土防滲墻防滲，施工方式為大開(kāi)挖。
壩體前壩坡的復(fù)合土工膜與壩基混凝土防滲墻及兩壩肩混凝土趾板錨固在一起，共同形成前壩面的防滲系統(tǒng)。壩體為透水性很強(qiáng)的爆破料組成，滲透系數(shù)一般大于在1×10-3cm/s，可以迅速降低壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線(xiàn)高度，利于壩體的抗滑穩(wěn)定安全。
前壩坡面由下而上主要由無(wú)砂混凝土（下墊層）、復(fù)合土工膜、苯板（上墊層）、混凝土板護(hù)坡構(gòu)成。下墊層采用透水性較強(qiáng)的無(wú)砂混凝土，最小厚度8cm；上墊層采用保溫性能及平整度較好的苯板，厚度2cm；苯板上部為邊長(zhǎng)0.60m、厚10cm的六邊形鋼筋混凝土�？�，框內(nèi)現(xiàn)澆C20素混凝土，�？蛑g干靠，有利于壩面排水。
因此，該壩體防滲效果的好壞關(guān)鍵是復(fù)合土工膜自身的防滲效果及其與周邊連接的可靠性。
復(fù)合土工膜自身的防滲效果主要取決于土工膜的物理力學(xué)指標(biāo)及接縫的質(zhì)量。根據(jù)承受的水壓力和下墊層，經(jīng)計(jì)算，復(fù)合土工膜采用兩布一膜（300g/m2/PE0.5/250g/m2），其物理力學(xué)指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度19KN／m，延伸率53.6％，CBR頂破強(qiáng)度3.41KN，垂直滲透系數(shù)4.76×10-13cm/s，幅寬4.0m。施工中，一般都要對(duì)工廠內(nèi)生產(chǎn)的土工膜進(jìn)行拼接，接縫的質(zhì)量好壞直接影響土工膜的防滲性能和抗拉強(qiáng)度，因此，必須嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程進(jìn)行施工。
土工膜鋪設(shè)前先進(jìn)行下墊層無(wú)砂混凝土的施工，然后將卷成捆的土工膜沿壩坡由下而上縱向鋪放，鋪設(shè)應(yīng)平順，松緊適度，予留大約1.5%的余幅，以免受拉破壞。土工膜展開(kāi)平整后即可進(jìn)行拼接。拼接一般采用熱熔焊法，該方法焊縫的抗拉強(qiáng)度較高，質(zhì)量較好。焊接采用自走式熱熔雙縫焊機(jī)，根據(jù)膜材種類(lèi)、厚度和室外氣溫選擇合適的焊接溫度及行走速度，先在現(xiàn)場(chǎng)采用小塊土工膜進(jìn)行試拼接，待焊接質(zhì)量穩(wěn)定后再進(jìn)行實(shí)際焊接操作。熱熔焊法焊縫形式為直縫雙道，每道寬度1cm，間隔1cm，焊縫處土工膜搭接寬度約10cm。
土工膜焊接完成后，必須進(jìn)行接縫檢測(cè)。一般先進(jìn)行目測(cè)，觀察有無(wú)漏接，接縫是否有燙損、褶皺，是否拼接均勻等，目測(cè)合格后采用真空法或充氣法進(jìn)行最終質(zhì)量檢測(cè)及評(píng)定。（1）真空法：主要設(shè)備有吸盤(pán)、真空泵和真空計(jì)。檢測(cè)時(shí)將待測(cè)部位刷凈，涂肥皂水，放上吸盤(pán)，壓緊，抽真空至負(fù)壓0.02Mpa～0.03Mpa，關(guān)閉氣泵。靜觀約30s，觀察吸盤(pán)頂部透明罩內(nèi)有無(wú)肥皂水泡產(chǎn)生和真空度有無(wú)下降，如有，表示漏氣，應(yīng)予補(bǔ)救。（2）充氣法：將焊縫之間的空腔兩端封死，插入氣針，充氣至0.05Mpa～0.20Mpa（視膜厚選擇），靜觀0.5min，觀察壓力表，如氣壓不下降，表明不漏，接縫合格，否則應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)。其次，還需進(jìn)行土工膜的抽樣測(cè)試。約1000m2取一試樣，作拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，要求焊縫強(qiáng)度不低于母材的80%，且試樣斷裂不得在接縫處，否則接縫質(zhì)量不合格。土工膜表面的無(wú)紡布可采用手提縫紉機(jī)縫合，以保護(hù)土工膜。對(duì)于質(zhì)量不合格的焊縫可采用塑料焊槍或電烙鐵重新補(bǔ)焊。
復(fù)合土工膜周邊連接的可靠性，主要是指復(fù)合土工膜與壩基混凝土防滲墻、壩肩混凝土趾板及防浪墻的連接�；炷练罎B墻底部及兩壩肩趾板與基巖面接合面均需進(jìn)行水泥灌漿，防止防滲墻底部或趾板與基巖面接合面處滲水，灌漿完畢后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，合格后才能進(jìn)行下一道工序。復(fù)合土工膜與防滲墻、趾板及防浪墻聯(lián)結(jié)采用扁鐵和膨脹螺拴錨固連接，為了保證復(fù)合土工膜具有一定伸縮能力，周邊均設(shè)伸縮節(jié)（圖2、圖3）。
施工時(shí)由于土工膜在壩面上易于滑動(dòng)，因此，在無(wú)砂混凝土表面每隔5m，刷熱瀝青兩道，面積約0.5m2，將復(fù)合土工膜粘結(jié)在上面，這樣，既不妨礙膜后無(wú)紡布的透水性又增大了膜的抗滑能力，收到了很好的效果。
該工程1998竣工開(kāi)始蓄水，經(jīng)過(guò)近6年的運(yùn)行，壩頂最大沉降變形6cｍ，壩后地面干燥，無(wú)滲流溢出，壩后坡測(cè)壓管內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)低于河床砂礫石層表面3m左右，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果，復(fù)合土工膜防滲效果明顯，工程取得了成功。
2.土工合成材料在病險(xiǎn)庫(kù)加固中的應(yīng)用
近幾年，全國(guó)各地的病險(xiǎn)水庫(kù)由于年久失修，管涌或者潰壩的事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。病險(xiǎn)庫(kù)數(shù)量多，施工條件復(fù)雜，工期短，將質(zhì)量輕、運(yùn)輸方便、施工簡(jiǎn)易的土工合成材料正確推廣應(yīng)用到病險(xiǎn)庫(kù)加固當(dāng)中，具有深遠(yuǎn)意義。
白土坑水庫(kù)位于新疆瑪納斯縣境內(nèi)，為中型平原水庫(kù)，始建于1962年。壩軸線(xiàn)長(zhǎng)7.0km，壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高7.00m，上游壩坡1：2，采用小型砼板護(hù)坡，下游壩坡1:1.5～1：2.0不等，壩頂寬度2～4m，壩后無(wú)濾水壩腳。壩體填筑質(zhì)量較差，干密度值平均僅為1.43g/cm3，滲透系數(shù)6.4×10-4cm/s，長(zhǎng)期處于軟塑狀態(tài)，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)高，壩體滲水嚴(yán)重，壩后形成大片沼澤濕地，后壩坡腳有發(fā)生管涌或流土的滲透破壞危險(xiǎn)，大壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。大壩壩基未做任何處理，壩基2～4m以上為粉砂與粉土層，滲透系數(shù)較大0.79×10-4cm/s，以下土體結(jié)構(gòu)性較好，滲透系數(shù)在1.27×10-5～6.48×10-6cm/s，為較好的隔水層。該水庫(kù)多年來(lái)，一直低水位運(yùn)行，達(dá)不到原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。2001年大壩安全鑒定為三類(lèi)壩，屬病險(xiǎn)庫(kù)，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。
鑒于該水庫(kù)壩型為均質(zhì)土壩，且為老壩體加固，因此在前壩坡上鋪設(shè)復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲，該方法簡(jiǎn)單易行、施工速度快、可以有效降低壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線(xiàn)高度，增大壩體內(nèi)的干燥區(qū)，提高土體內(nèi)摩擦角，從而提高壩體的抗滑穩(wěn)定安全性。壩基進(jìn)行垂直鋪塑，塑膜與壩面復(fù)合土工膜連為整體。后壩坡按1：2.25培厚，新老壩體間設(shè)褥墊式排水體。
根據(jù)承受的水壓力和下墊層，經(jīng)計(jì)算，前壩面的復(fù)合土工膜采用兩布一膜（200g/m2/PE0.5/200g/m2），其物理力學(xué)指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度18KN／m，延伸率56.4％，CBR頂破強(qiáng)度2.8KN，垂直滲透系數(shù)1.0×10-12cm/s，幅寬6.0m。先將已損壞或脫落的原砼護(hù)坡板用細(xì)石混凝土填補(bǔ)平整，再鋪7.5cm厚細(xì)砂墊層，然后鋪復(fù)合土工膜，膜上鋪75cm厚的砂礫石防凍層，再澆筑20cm的混凝土護(hù)坡板。復(fù)合土工膜上部折埋在壩頂附近，下部與垂直鋪塑膜焊接在一起。（圖4）復(fù)合土工膜的拼接方法同前述。
壩基垂直鋪塑是一種新的淺基礎(chǔ)防滲技術(shù)，鋪塑深度可達(dá)8m左右，開(kāi)溝寬度只有20多厘米，是解決水庫(kù)淺層透水地基滲漏嚴(yán)重及延長(zhǎng)滲徑減小壩后坡腳滲透比降的有效方法。垂直鋪塑適用于粉土地基；對(duì)于粉砂地基施工中必須做好泥漿固壁，施工速度要快，否則易塌壁。鋪塑塑膜采用厚0.3mmPE膜，設(shè)計(jì)深度應(yīng)深入粘土層內(nèi)1.0m，鋪完塑的溝槽采用粘土漿充填。鋪塑機(jī)先將基土破開(kāi)，然后將事先卷繞在鋼管上的塑膜垂直放入槽內(nèi)，由鋪塑機(jī)牽引向前移動(dòng)。鋼管上的塑膜用盡前應(yīng)予留1.5倍的槽深長(zhǎng)度，將塑膜拿出溝槽，洗凈擦干后用自走式熱熔雙縫焊機(jī)焊接。局部破損的塑膜補(bǔ)漏，可采用PVC膠合劑粘接，粘接寬度不小于15cm，春秋季固化時(shí)間不少于12h，要求粘貼牢固、均勻、可靠。塑膜槽口外漏段，應(yīng)敷土加以保護(hù)，避免陽(yáng)光直接照射。壩基鋪塑塑膜上部要與前壩坡的防滲復(fù)合土工膜焊接，形成完整的防滲體，降低壩體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)，增加壩體穩(wěn)定，達(dá)到除險(xiǎn)目的。
該水庫(kù)原下游壩坡腳未設(shè)濾水壩腳，鑒于后壩坡培厚，因此，在新老壩體間設(shè)壩體內(nèi)褥墊式排水體。采用重量輕、鋪設(shè)方便、造價(jià)低的無(wú)紡布代替反濾料，無(wú)紡布上部壓天然級(jí)配的砂礫石料（含泥量<8％）。無(wú)紡布的選擇對(duì)反濾效果有很大的影響，應(yīng)按照保土性、透水性、防堵性三個(gè)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，詳見(jiàn)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇400g／m2的針刺無(wú)紡布。無(wú)紡布的接縫采用搭接形式，搭接寬度不小于10cm。
白土坑水庫(kù)2001年底除險(xiǎn)加固全部完工，經(jīng)過(guò)兩年的運(yùn)行觀察，防滲效果較明顯，壩后積水或沼澤消失，地下水位降低至1.5m以下，水庫(kù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
3.土工合成材料在施工中應(yīng)注意的問(wèn)題
�。�1）運(yùn)輸、貯存中不得沾污、雨淋、破損，遠(yuǎn)離火源，周?chē)坏糜兴�、堿等腐蝕性介質(zhì)，不得長(zhǎng)期曝曬和直立。
（2）材料進(jìn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抽檢。施工時(shí)應(yīng)有專(zhuān)人隨時(shí)檢查清基、材料鋪放方向、材料的接縫或搭接、材料與結(jié)構(gòu)物的連接，每完成一道工序應(yīng)按設(shè)計(jì)要求及時(shí)驗(yàn)收，合格后，方可進(jìn)行下道工序。
�。�3）施工場(chǎng)地應(yīng)平整干凈，防止損壞土工膜；鋪設(shè)應(yīng)平順，松緊適度。不平地、軟土上和水下鋪設(shè)搭接寬度應(yīng)適當(dāng)增大。
�。�4）鋪設(shè)人員不得穿硬底鞋操作。
�。�5）盡量采用寬幅，使膜在施工時(shí)接縫最少；每卷材料的重量不宜超過(guò)1t；膜與膜相連時(shí)，應(yīng)采用同種土工膜。高壩應(yīng)垂直于壩軸線(xiàn)鋪膜，低壩應(yīng)平行于壩軸線(xiàn)鋪膜，以減少拼接量；接縫應(yīng)盡量與最大拉力方向平行。
�。ǎ叮┐怪变佀軕�(yīng)嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行施工，PE塑膜施放速度應(yīng)迅速，防止槽孔坍塌，影響鋪塑效果。
4.結(jié)語(yǔ)
復(fù)合土工膜防滲堆石壩在新疆尚屬首例，它的成功應(yīng)用，為堆石壩防滲設(shè)計(jì)提供了新思路。其次復(fù)合土工膜及無(wú)紡布在病險(xiǎn)庫(kù)加固中所取得的可喜成果，也為病險(xiǎn)庫(kù)加固設(shè)計(jì)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。今后水利工程建設(shè)中應(yīng)予大量推廣使用土工合成材料并加強(qiáng)檢測(cè)和應(yīng)用的研究。
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