土工膜在美国宝石湖坝防渗中的应用

［美国］ J.C.施特塞尔 等

南加州爱迪生电力公司(SCE)拥有和运营37座平均坝龄为80 a的大坝。混凝土、坝体表面材料老化以及渗漏等问题是维持大坝安全运行所必须应对的问题。SCE已经有了一个针对病险坝修复的综合方案和计划日程表，以保证在进入新世纪以后这些基础设施仍能发挥作用。

方案之一是在SCE所管辖的4座混凝土坝和所有的4座木面坝的上游面铺设土工膜防渗面层。2006年，SCE在萨布丽娜湖(Sabrina Lake)坝完成了首个土工膜防渗面层的铺设工作，该坝是位于比肖普溪(Bishop Creek)中叉的一座木面板堆石坝。该防渗面层减少了通过大坝90%的渗漏量。

2007年夏，宝石湖(Gem Lake)坝成为SCE的第2座装备土工膜面层的大坝。铺设土工膜防渗面层可解决由冻融条件所导致的混凝土恶化以及由此带来的渗漏问题。

1 结构性缺陷与复杂环境

SCE所拥有的装机13MW的拉什河(Rush Creek)发电工程位于内达华山脉东侧莫诺(Mono)县境内的拉什河上。该工程包括3座大坝(包括宝石湖大坝)、3座蓄水水库以及1座两台机组的电站。

宝石湖坝是座多拱混凝土坝，库容2133万m3。大坝位于安塞尔亚当斯(Ansel Adams)荒野保护区。该坝是美国第1批建造的多拱混凝土坝中的其中一座，由16个完整的拱组成，每个拱支墩中心之间的跨距为12.2 m。此外，坝体两端的部分拱与岩石拱座相连。大坝长度约为210 m，最大拱高为25.6 m。拱顶部厚度为0.31 m，底端厚度为1.21 m，混凝土重力坝段用钢筋加强到高程2753.4 m。拱的支墩由扶壁支撑，在顶部(坝顶4.6 m处)和底部的厚度分别为0.57 m和1.30 m。宽度分别为1.38 m和3.36 m。在拱的支墩之间设置了断面为0.31 m×0.46 m的双混凝土支撑杆。

大坝是在1915～1916年使用拉什河河床中的骨料和附近的岩石建造的。因为那个时代的施工工艺和混凝土配合比设计的缘故，混凝土略显多孔，这可使水填充结构中的空隙。在冬季，这种孔隙水结冰，产生膨胀并导致混凝土表面层层剥落。通过大坝渗透的水导致了水泥与骨料混合材料恶化，因为胶结材料被浸出，留下一窝窝松散骨料。在一些地方，利用鹤嘴锄就可以将0.31 m或更深的混凝土剥除掉。

1966年，实施了一项计划，即将整个上游面铺设了厚约7.6 cm的用粗钢丝网加固的喷浆混凝土。在喷浆混凝土上面先涂一层底层，再做两层聚硫化物涂层加以密封止水。1969年，在上游面设置了第3层聚硫化物涂层。聚硫化物保护涂层最初成功地阻止了水的浸入。然而，涂层的长期性能并没有预想中的那么好，涂层从坝体上剥落，致使喷浆混凝土暴露。

2006年，SCE进行了一项广泛的现场调查以量化混凝土变质的程度。一位混凝土专家观察了混凝土的状况，获得了混凝土的芯样，并对其进行了施密特锤测试。调查认为，数十年不间断冻融循环致使两座拱内出现了大量的变质混凝土窝穴。所有试图修复这些区域的努力都将白费，除非大坝渗流得到有效控制。

2 大坝修复方案

针对宝石湖坝的渗漏情况，SCE确定和研究了3种可供选择的处理方案。

(1)清除覆盖在坝面的老化聚硫化物涂层，并以同类材料取代;

(2)在上游面应用另一种喷浆层;

(3)在上游面应用土工膜防渗面层。

关于前两种选择方案，清理剥落的聚硫化物需要另外想办法收集和处理产生的碎片。另外，已证明聚硫化物的寿命一般都比较短，约为20 a。SCE曾经在1966年应用过一种增强的喷浆层，尽管通过坝体的渗流量因此约减少了50%以上，但在大约20 a以后，出现很大的裂缝，水进入了原来的混凝土中，冻融循环又重新开始。

土工膜已在世界范围内超过85座大坝上得到应用，铺设坝体面积超过58万m2。

3种选择方案的初始费用相近，但预计的每年的折旧费有很大差别。另外，与防渗涂层或喷浆层20 a的寿命相比，土工膜垫层寿命较长，超过40 a，并且与安装有关的环境问题较少。

3 修复设计

大坝位于自然保护区，基本的运输工具是2台有轨缆车和一条船。而这需要获得一些机构的许可，包括美国林务局(USFS)、美国鱼类和野生动物管理局(FWS)、美国陆军工程师兵团以及地方水资源局。在这类地区进行施工需要采取最原始的方法，除非在迫不得已的情况下才使用机械化作业。SCE指出必须在一个季节内使用挖掘机和四轮车完成土工膜防渗面层的铺设。若采用排空水库的方式进行施工，则可能会使工期延长到两个季节，其对保护区环境的影响会超过使用机械设备。

SCE在2008年与CARPI公司商谈了一个设计和建造合同。该合同包括了ACE修复公司为两座严重受损的拱进行灌浆的条款。在铺设土工膜之前，CARPI提供了该系统的细部设计计划和说明。这包括经过USFS的可建造性审查和来自 SCE、CARPI、ACE和USFS的代表们的施工前会议商讨，以保证所有的安装部件都能够得到妥善地规划和设计。

宝石湖土工膜系统的设计和实施之所以复杂是因为:

(1)大坝交通困难;

(2)大坝结构复杂;

(3)因工程处于高海拔地区，施工时段较短;

(4)环境限制。

宝石湖坝独特的结构要求创新设计和安装技术，以便经济地通达大坝的上游面进行施工。根据以往类似的安装，CARPI的安装小组借助脚手架进入坝体的前侧。对于宝石湖坝，将脚手架运输到山上并进行安装的费用过高，估计会超过20万美元。实际上，如果使用脚手架，在一个季节内完成安装任务的主要目标就不可能实现。

2006年，CARPI在德国的Linach坝上铺设了土工膜防渗面层。为了这次铺设，CARPI施工人员利用吊平台来接近大坝的上游面。吊平台是一个两点可调的悬挂脚手架，利用与平台两端U形夹头相连的绳索或钢索悬吊。虽然宝石湖坝仍有小部分区域需要架设脚手架，但是通过吊平台可以接触到90%以上的坝面。使用吊平台明显减少了工程的潜在费用。

在设计阶段，通过认真的初步设计和结构分析得出:典型的拉伸剖面安装方法在相邻两拱交叉的地方并不适用。宝石湖坝的几何形状(拱跨度比较短)致使交叉部位有一区域绷得太紧。CARPI开发了一种新的多层设计系统，构建了全尺寸样机，并建立了每个安装阶段的文档。这保证了SCE和加利福尼亚大坝安全局(DSOD)安装工作的成功完成。

4 土工膜铺设

在宝石湖坝上铺设土工膜的工作于2007年6月开始，并包含了许多施工步骤。CARPI在表面粗糙的地方(约占总面积的3%)按照每平方米2 kg的标准铺设土工布使之变得平顺，因此减少了表面平整费用。其次，在整个表面，CARPI为排水层铺设了Tenax Tendrain土工网，用一层薄的土工布包裹住已经存在的聚硫化物保护涂层。然后，CARPI沿着基础两跨溢洪道拱的溢流堰顶，两岸坝肩设置了淹没的(不锈钢)周边止水。沿16座非溢洪道拱的坝顶设置了非淹没的(不锈钢)周边止水。在其他3个位置，CARPI设置了排水片，并在每个位置处打了一个钻孔穿过坝面，以便使渗漏水通过坝体排放。在拱的起拱点处垂直地安装不锈钢板条，在每跨拱的中央垂直地安装不锈钢张型材将土工膜紧贴在大坝面上。

土工复合材料包括3 mm厚的聚氯乙烯(PVC)土工膜和500 g/m3的土工布，沿水平方向按每次宽度为1.05 m铺设于每跨拱的表面。最后，CARPI施工人员铺设了3 mm厚的PVC土工膜焊接条带来覆盖不锈钢的张紧型材。

该防渗系统的关键因素是使该坝的全部表面防水的PVC土工复合材料。这种复合材料包含了在挤压至非织造土工布过程中热耦合产生的土工膜。土工膜复合材料固定在坝面上垂直设置的型材上。这种锚固技术能使土工复合材料在很大的范围内延伸，从而使这种材料应力减到最小。因为没有阻塞排水层的粘结层，所以这种锚固系统还允许排水层紧贴着坝体表面。这种土工膜防渗面层的锚固技术有两大好处:

(1)为排水以及借助透过防水层或坝体的渗漏水的重力作用随后排放提供可能性。渗水由安装在坝体内的排水管收集并排放到下游。

(2)允许将土工膜张紧以防止形成褶皱和下垂，这样可延长其使用寿命。

5 大坝修复所带来的效益

通过在宝石湖坝铺设CARPI土工膜系统带来了以下效益:

(1)渗流控制。2007年9月，土工膜安装完成以后所观测的渗流量减少了50% ～90%，拱上部10.5 m的区段没有明显的渗流发生。

(2)消除了冻融破坏。阻止了通过坝体漏水造成的下游坝面变干，消除了冻融循环的成因。

(3)延长寿命。对CARPI系统，有超过85座坝的成功跟踪记录。大坝修复设施已经运行了30 a以上。根据对6座现有坝的土工膜抽样研究记录，预计这些防渗设施的使用寿命将超过50 a。

(4)成本效益。土工膜系统和其他的选择方案相比，其建造费用实际上是同等的。

然而，由于土工膜系统使用寿命已得到证实，寿命周期成本分析显示，CARPI土工膜是最具成本效益的。土工膜系统对环境的影响最小，而喷浆和聚硫化物涂层则明显需要采取更多的环保措施，最后，因为缆车运输费用增加以及大量使用可能造成的维修问题，喷射混凝土方案所需要的材料体积和重量都很大使得该方案没有吸引力。聚硫化物和土工膜防渗系统的运输费用大致相同，但是，土工膜系统明显地较为安全。几乎所有的土工材料都是固态的，所以即使在运输过程中发生丢失的话，也没有大的危害。聚硫化物包含液体和膏状物，一旦发生事故，意味着要进行大量的清理工作。

(5)环境影响很小。与其他选择方案相比，土工膜防渗系统所造成的工程环境影响较小。在土工网排水层上的土工织物能够自动截获已有的聚硫化物涂层而无需进行清除。不管是选择喷浆还是聚硫化物方案都需要将现有涂层清除，这项工作很困难而且费用昂贵。在宝石湖坝进行土工膜铺设无需修建场地或改建场地。因为水库岸线距离大坝上游面超过30 m，所以不产生泥沙。在整个铺设过程中均保持了最低的在槽泄流量。

(6)美观。宝石湖坝土工膜的铺设90%的时间都在水下完成，大坝的外观基本不受影响。枯水年时或水库排空时，土工膜暴露，它是一种非彩色的灰色，与周围地面协调。

(7)维修工作量最小。CARPI土工膜防渗系统是一种被动的系统，不需要进行维修。

6 未来的打算

SCE正在调查研究在其他几座大坝铺设类似的土工膜会带来的效益，包括在阿格纽湖(Agnew Lake)坝(多拱混凝土坝)，希尔赛德(Hillside)坝和塞勒巴(Saddlebag)坝(木面板堆石坝)，杉楃湖(Shaver Lake)坝(混凝土重力坝)，以及泰奥加湖(Tioga Lake)坝(主坝为木面板堆石坝，副坝为混凝土拱坝)。