渠道防渗技术在吐木秀克水电站工程中的应用

卢 军 邹德华

(新疆水利水电勘测设计研究院水利所,乌鲁木齐 830000)

吐木秀克水电站位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县境内,电站为引水式径流电站,引水线路长21.19km,设计引水流量75m3/s,装机容量为48MW。渠道沿山前冲洪积扇布置,渠基础地层为第四系卵砾石层,属中密～密实土,中等透水层。引水渠道在设计流量下平均流速,要满足不冲、不淤的要求,衬砌渠道宜选用1～2m/s;可能出现岸冰的渠道要满足输冰流速不小于1.2m/s;衬砌型式要结合施工条件、造价等综合考虑。根据上述原则,结合吐木秀克水电站引水渠地质情况,综合考虑工程地质条件、运行条件、防冻性能、工程造价及工程施工等因素,确定渠道采用设计纵坡为1/4250。渠道断面为宽浅式,底宽8m,边坡1︰1.75,渠深4.7～5.6m,采用设计强度C20W6F200的现浇混凝土板,底板板厚为120mm,边坡上部板厚100mm下部板厚120mm。现浇板下为一布一膜,塑膜下为M10砂浆垫层。引水渠混凝土板每隔20m设置一道宽0.3m、深0.3m的混凝土横隔墙。

1 渠道防渗结构设计

渠道防渗体结构采用双层防渗结构,即现浇混凝土结构加土工膜作为防渗主体,其防渗体从下而上的结构形式由砂砾石层、膜下砂浆过渡层、土工膜防渗层、混凝土板防渗保护层组成。

砂砾石层:主要是渠道原砂砾石基础,局部粉砂层被置换层砂跞料,此层要求碾压密室,形成稳定的基础层,可减少渠基湿陷变形,防止渗流淘刷渠基,保证上部防渗结构层整体稳定性。

膜下砂浆过渡层:3cm厚M10水泥砂浆。形成平整的硬化作业面与膜紧贴,防止尖棱角材料或不平整的凸面顶破防渗膜;为下一工序提供平整密室的基础面,提高整体防渗结构面的施工质量。

防渗层:一布一膜,即PE复合土工膜。由吹塑成型的聚乙烯土工膜与针刺聚酯无纺布热压复合而成,膜厚 0.6mm,布重 150g/m2。铺设方式:黑膜朝下,白布朝上,布能够保护膜,减缓阳光照射老化,减少混凝土预制板铺筑过程中的施工损伤;具有加筋和提高强度的作用。

混凝土预制板保护层:设计强度C20W6F200混凝土板。渠底板厚12cm,边坡板厚10～12cm,刚性整体具有一定的防渗功能,并对防渗塑膜起到保护覆盖作用;减少渠道糙率,减小渠道过水断面。

2 渠道PE复合土工膜稳定分析和选择标准

2.1 土工膜的抗滑稳定分析

目前国内生产的PE土工膜基本上都是光面的,部分厂家可以根据设计要求对光膜进行加糙处理。为了分析土工膜在渠道边坡上的稳定性,新疆农业大学在同类工程中做了详细的试验,分别采用光面膜、加糙膜和复合土工膜与砂浆体做了摩擦系数实验,基本结论为:光膜能维持稳定的常用边坡为1︰2.5,复合膜在1︰2的边坡条件下能维持稳定,加糙膜在1︰2.5的边坡条件下能维持稳定,在1︰2的边坡条件下不满足规范规定的安全系数,但可维持临界稳定。而用一布一膜作为防渗材料室内试验表明膜朝上及朝下都是稳定的。小于以上边坡的渠道断面设计时可考虑采用其他加固措施。

表1 防渗塑膜与砂浆体之间摩擦系数试验成果

本工程根据渠道设计规范,参考同类工程经验和上述试验成果,综合考虑后采用1︰1.75的边坡,同时增加混凝土隔梁、增加坡顶塑膜埋设长度、边坡混凝土结构做成10～12cm渐变等综合措施提高边坡稳定性。防渗膜采用一布一膜有下列优点:无纺布具有较高的抗拉强度和延伸性,与土工膜复合使用后,增大了防渗层整体抗拉强度和抗穿刺能力,可以大幅减少施工其土工膜的破损;无纺布表面粗糙,增加了接触面的摩擦系数,提高结构稳定性;根据试验资料看,土工膜在紫外线照射下,短缺内强度损失很大,增加一层无纺布,能有效减少施工期塑膜照射时间,同时减少施工中对膜的破坏程度。

2.2 复合土工膜的渗流分析

PE土工膜的正常渗透流量与土工膜的厚度有关,可近似按达西定理计算,计算公式如下:

式中:Qg——土工膜的渗透量,m3/s;

Kg——土工膜渗透系数,m/s;

A ——土工膜渗透面积,m2;

Δ H ——土工膜上下水位差,m;

tg——PE土工膜厚度,m。

根据工程运行中的水头,即可以计算出渗流量,本工程选用复合土工膜渗透系数Kg≤1.0×10-13cm/s,若土工膜施工质量较好,则渗漏损失基本可以忽略不计。

根据笔者多年工程经验,渠道实际渗水量还是比较大的,一般经过半年以上的通水运行期后,土工膜下渠道基础基本处于饱和状态。分析原因,主要是施工中对塑膜有损伤,同时塑膜接缝焊接质量对渗水量的影响也很大。

2.2 厚度选择

《渠道防渗工程技术规范》(SL18-2004),规定渠道中小型渠道土工膜厚度宜为0.18～0.22mm,大型渠道宜用0.3～0.6mm。目前国外工程从耐久性考虑,土工膜厚度都在0.5mm以上,欧美一般采用1mm以上厚的土工膜较多。

土工膜厚度的选用可根据接缝处理型式、防渗的效果、土工膜的耐久性、投资和效益、渠道的规模及建筑物的重要性等因素综合考虑选取。

根据水压力大小决定膜厚计算的公式很多,都根据膜上水压力和膜下过渡料的粒径进行计算,如前苏联全苏水工研究院在薄膜理论的基础上,结合试验,对聚乙烯薄膜,提出计算膜应力的经验公式,还有北京市水科所的计算公式、水利水电工程土工合成材料应用技术规范推荐的计算公式等,不论采用哪种公式,其计算出的膜厚度均较小。

表2 土工膜厚度计算比较

从水压力方面考虑,一般渠道防渗土工膜厚0.1mm已足够。

但考虑到工程的重要性、防渗膜的耐久性、焊缝的质量等,在调查研究、总结经验、专家咨询的基础上,结合工程实际,考虑水文气候,工作环境,施工条件,使用寿命,工程造价,生产规格等因素,综合确定聚乙烯土工膜厚度为0.6mm。该种膜厚已在总干渠133.6km渠道得到应用,防渗效果较好,渠道水利用率可达到97%左右。

本工程防渗工程选用的PE土工膜的断裂伸长率(极限拉应变)≥450%。PE复合土工膜断裂伸长率≥60%,断裂强度(极限抗拉强度)≥12kN/m。土工膜抗拉强度和拉应变的安全系数选择4～5。一般土工织物的极限拉应变在50%～100%范围内,其工作应变(极限拉应变除以安全系数)范围≥10%～20%,在此范围内,抗拉强度呈直线关系。PE土工膜在工作应变范围内强度呈上升趋势,虽然伸长率(延伸率)随时间延长逐渐降低,但下降幅度不大,二年以后基本稳定下来,大多在50%以上。

2.4 土工膜的性能指标基本要求

(1)产品结构型式。选用“一布一膜”。布:选用短纤针刺无纺布,白色;膜:选用PE土工膜,黑色,PE树脂为中密度(LDPE),吹塑成型加工。

(2)产品性能指标。PE土工膜为PE复合土工膜的基材,其性能指标应结合产品标准及工程应用技术规范研究确定,参考国家标准GB/T17643-1998《土工合成材料聚乙烯土工膜》以及SL/T 225-98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》、SL/T231-98《聚乙烯(PE土工膜防渗工程技术规范)》的规定,结合本项目的特点确定如表3。根据国内几个大厂家的调研情况,确定幅宽不小于6m。

PE复合土工膜为本项目所选的目标产品,其主要性能指标参考国家标准GB/T17642-1998《土工合成材料非织造复合土工膜》的规定,具体见表4。

表3 聚乙烯土工膜(PE)性能指标

表4 PE复合土工膜性能指标表

2.4 土工膜的施工中基本要求

(1)土工膜的拼接应由专业人员采用焊接方式,焊缝搭接长度不小于10cm。

(2)焊接前必须对焊接面进行清扫,焊接面上不得有油污、灰尘并保持黏(搭)结面干燥。当日平均气温低于-3℃或出现大风天气时,土工膜在露天环境不允许焊接。

(2)铺设面上应清除杂草物,保证铺设面平整,不允许出现凸出凹陷的部位,排除铺设工作范围内的积水。

铺设过程中,作业人员不得穿硬底皮鞋及带钉的鞋。不准直接在土工膜上做可能引起土工膜损坏的施工作业。

(3)土工膜的现场拼接接头应确保其具有可靠的防渗效果。在拼接过程中和拼接后24小时内,拼接面不得承受任何拉力,严禁焊接面发生错动。土工膜接缝焊接强度不低于母材的80%。

3 结 语

吐木秀克水电站引水渠运行效果良好,达到防渗和安全运行的结果。采用此防渗结构需注意下列问题。

(1)采用复合土工膜型式时,要根据渠道地质、地下水、边坡等运用条件综合考虑,才能保证达到防渗效果。

有地下水的地段不宜采用防渗膜结构,基础为不透水的情况下,需设置纵横向排水,在气候寒冷地区,容易发生渠道冻胀导致的破坏。

(2)防渗膜的防渗性能良好,目前渠道水利用系数已可以达到95%以上,但根据工程统计数据看,膜下漏水情况很普遍,塑膜的损坏基本发生在施工期,加强施工质量控制,是保证塑膜质量的重要环节。

(3)与建筑物衔接处采用焊接方式不可靠,其接缝强度过低。当遇到复杂形状的防渗结构如与建筑物的连接等,容易悬空,易被水压和土体变形所张破。

因此PE复合土工膜与建筑物连接技术应考虑专用胶粘剂(KS胶)粘接,该技术已在国各类PE复合土工膜防渗工程中推广应用,取得了较理想的效果。

(4)土工膜防渗材料品种也很多,工程中遇到的问题也各式各样,理论研究和经验总结十分必要,可为其他工程使用提供借鉴。

[1]中华人民共和国国家标准《土工合成材料非织造复合土工膜》GB/T 17642-1998

[2]中华人民共和国国家标准《土工合成材料聚乙烯土工膜》GB/T17643-1998

[3]中华人民共和国国家标准《短纤针刺非织造土工布》GB/T 17638-1998

[4]中华人民共和国国家标准《土工合成材料应用技术规范》GB50290-1998

[5]《渠道防渗工程技术规范》SL18-91

[6]《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》SL/T 225-98

[7]《聚乙烯(PE)土工膜防渗工程技术规范》SL/T 231-98