土工膜防渗斜墙在底沟水库大坝防渗加固中的应用

胡 全

（新疆阜康市滋泥泉子镇农业畜牲业发展服务中心，新疆 阜康 831500）

底沟水库位于阜康市上户沟哈萨克族乡境内，是一座以灌溉为主的小（二）型平原注入式水库，无防洪任务，其主要调蓄水源为白杨河水库下泄水。2011年对底沟水库大坝进行评价，得出底沟水库属三类坝，渗漏量较大，需对坝体、库盘等进行培厚加高、防渗加固。

1 坝体防渗方案

底沟水库大坝为土石坝，其坝体防渗处理原则主要有“截、压、排”三类[1]，具体可采用的防渗方案设计如下：

方案一：上游设置防渗斜墙

在原坝体上游位置设置一定厚度的防渗斜墙，斜墙材料可选用土工膜、沥青混凝土、粘性土等。防渗斜墙技术具有施工方便、质量有保证、后期维修简单等优点；

在原坝体上游坝坡之上设计一层水平铺盖，铺盖材料可选用混凝土浇筑层、砼板等，水平铺盖防渗效果好、施工速度快、工期短等优点，但铺盖面积大，造成成本较大[2]。

综合分析，方案一在施工难度和后期维护中与方案二相差不大，但投资成本上比方案二少15%左右，因此底沟水库大坝坝体防渗采用上游设置防渗斜墙方案，防渗斜墙材料选择PE复合土工膜，技术指标见表1[3]。

表1 PE复合土工膜技术指标

2 土工膜防渗斜墙结构设计

结合其他工程的成功经验，底沟水库大坝土工膜防渗斜墙结构从上至下依次为：干砌卵石→砂砾石→中细砂上垫层→复合土工膜→中细砂下垫层（见图1）[4]。

图1 土工膜防渗斜墙基本结构示意图

2.1 防渗斜墙各结构厚度计算

（1）各砂石层厚度设计

垫层主要起着保护土工膜完整性、平整坝面、防治坝体内部冲蚀等作用，结合其他工程经验，本项目设计中细砂垫层厚度为 300 mm～500 mm，粒径范围 2 mm～5 mm[5]。

干砌卵石层厚度250 mm～500 mm，要求卵石直径为2 cm～5 cm，卵石含量在70%以上，孔隙采用中细砂充填；砂砾石层200 mm～300 mm。

（2）复合土工膜厚度计算

当前，我国已有许多城市开展了多规合一工作，这些城市中的主要规划目标包含城市经济与社会发展、环境的可持续发展以及统筹策划城乡发展等。三规合一就是讲城市发展规划、国土规划及环境发展规划三者进行协调，并制定统一协同平台，对各项规划工作中所出现的矛盾进行协调处理。综合规划就是指各专项规划进行汇总综合，并对城市发展的战略目标进行明确，在此基础上进行相应的生态保护以及城乡发展等过程。就各试点实践进行研究的情况，发现“多规合一”能够在短时间内有效缓解规划矛盾，但无法解决产生这些矛盾的根本性问题。这就需要够构建一个统一的规划体系，借此促进我国空间规划体系改革的良好发展。

为确保防渗墙体各部分功能的有效发挥，必须精确计算出土工膜所需厚度和渗透量等参数，由于目前没用统一的计算法则，在此利用薄膜理论公式（1）和苏联经验公式（2）进行计算[6]。

式中：T为土工膜厚度，mm；P为水压力，Pa；d为土粒直径，mm；h为挠度；ε为土工膜抗拉应变。

经计算得出PE复合土工膜厚度约为0.3 mm。

2.2 土工膜顶端锚固形式及受力设计

设置于坝体上游的复合土工膜时刻受到水压力、坝体沉降等影响，若应力变形超过极限值，会把土工膜撕裂，造成防渗性大幅下降。结合工程经验，坝顶处土工膜的锚固形式对应力变形具有极大影响作用。目前土工膜的锚固形式主要分为刚性锚固和埋固，在此对锚固形式进行重点分析，并利用ABAQUS软件来模拟复合土工膜的应力应变值，各部分模拟参数见表2。

表2 坝体各部分模拟参数设定

（1）土工膜刚性锚固形式分析

当坝顶设置了防浪墙时，防渗斜墙的土工膜层可锚固在刚性防浪墙之上或底部（见图2），并预留足够结合长度。

图2 土工膜和防浪墙固定在防浪墙上部（见a）或底部（见b）

图3 是模拟的水库满蓄期锚固于防浪墙面上及底部的土工膜大主应变分布线，从图中可知：土工膜最大应变值约为0.22%，最大应力值为0.025 MPa。

图3 土工膜刚性锚固形式最大主应变分布

（2）土工膜埋固形式分析

当坝顶未设置防浪墙时，为了保证土工膜顶部锚固的牢固性，将其埋置于坝顶的锚固沟内，锚固沟形式一般有“V”型和“U”型（见图 4）。

图4 土工膜埋置于锚固沟内

图5 是模拟的水库满蓄期埋置于“V”型和“U”型锚固沟内的土工膜大主应变分布线，从图中可知：1）“V”型锚固沟土工膜最大应变值约为0.17%，最大应力值为0.025 MPa；2）“U”型锚固沟土工膜最大应变值约为0.08%，最大应力值为0.009 MPa。

图 5 “V”型（见 a）和“U”型（见 b）锚固沟内的土工膜大主应变分布线

经过对比分析：“U”型锚固沟埋置土工膜形式所造成土工膜的最大应变及最大应力数值均最小；而锚固于防浪墙之上的土工膜所要承受的应力及应变值最大。考虑到底沟水库大坝高程符合要求，因此无需设置防浪墙，而土工膜锚固采用“U”型锚固沟形式最为合适。

3 土工膜防渗斜墙施工要点

3.1 土工膜铺设施工

①上游坝坡按1∶1.5坡度平整，并人工碾压密实，碾压相对密度不得低于0.7，平整度要求小于5 cm；之后从下至上铺设中细砂垫层，厚度由500 mm逐渐减小至300 mm；

②为加快铺设速度，本项目要求先行将两幅土工膜利用LB-2胶水粘结，粘结宽度不小于10 cm，涂抹胶水厚度为0.6 mm。之后在接缝处加粘一条宽8 cm土工膜，土工膜保证防渗性；

③铺设土工膜时，在接缝处打褶，褶皱宽度在20 cm～25 cm，在槽口等位置褶皱宽度不得低于50 cm，要使整个土工膜沿坝轴方向呈宽松状态；

④本项目土工膜为PE膜，在施工现场适合采用热焊接机焊接，具体型号为2PH-213。在焊接前要求人工清理土工膜焊接位置，并铺设平整。焊接时需要重点控制好温度及行走速度，本项目要求焊接温度控制在250℃～320℃范围内，行走速度控制在1.5 m/min～2.0 m/min。正式施工前首先进行试验，确保各项参数合理后再进行施工。

3.2 中细砂垫层铺设施工

①首先将垫层砂料中粒径大于5 mm粗颗粒筛除，铺设从上游坡面中最低点开始。本项目要求垫层厚度在300 mm～500 mm，因此一次铺设至规定厚度，不再分层铺设；

②利用木板将垫层刮平并洒水，使其达到设计干容重。当下垫层铺设幅宽超过4 m后就可随即铺设土工膜。土工膜之上依然为中细砂垫层，施工步骤与下垫层一致。垫层施工均采用人工夯实，不得采用机械。

4 结语

底沟水库坝体防渗通过应用土工膜防渗斜墙技术后，防渗性能大大提高，经过近两年的运行使用后，其渗流量依然远小于标准值，说明防渗加固取得了很好的效果。坝体防渗必须立足于工程实际，结合地质、水文条件来确定最合适的防渗方案，尤其是土工膜顶部锚固及粘结方式上必须要保证牢固且能承受一定的应力应变。