土工膜刚性连接施工工艺研究与应用

(山东水利建设集团有限公司,山东 济宁 272021)

近年来土工膜以其比重小、隔水性好、抗开裂能力强、耐腐蚀、使用寿命长等优点，在水利、市政、园林等行业中得到广泛应用。水利工程中土工膜防渗效果主要取决于材料选择、膜的焊接和施工过程的控制。经过对近十座水库库底防渗施工的现场调研发现，随着土工膜材质提高和焊缝焊接工艺的成熟，大面积铺设土工膜的施工质量已得到保证，而土工膜与已完建筑物、砌石护坡等结合部位的刚性连接成为防渗治理的关键和易忽视的薄弱环节。如何改进施工工艺，有效防止结合部位渗漏，彻底解决土工膜的刚性连接质量隐患，成为确保土工膜防渗效果的关键。

1 工程概况

莱芜沟里水库库底及库岸主要为奥陶系下统及中统石炭系岩体，地下存在大量充填或半充填形式的溶洞，溶洞和断层裂隙发育，地形复杂多变，地下水位深埋库底80m以下，是莱芜地区较大漏斗区的一部分，虽经多次治理，库底渗漏仍很严重，水库一直无法正常蓄水运行。

本期防渗治理总面积89.5万m2，防渗治理方案为库底采用“两布一膜”防渗，范围为北区202.0m高程以下部分和南区库底，防渗层结构自上而下分别为：厚0.1m砂砾料保护层、厚0.5m壤土保护层、重200g/m2土工布、厚0.5mmPE-HD膜、重200g/m2土工布、库区支持层压实，其中壤土支持层和保护层压实度不低于0.92，砂砾料支持层和保护层相对密度不低于0.65。溢洪道进口处下挖整平后，采用混凝土铺盖进行防渗，混凝土铺盖与库底防渗土工膜连接，库岸1∶3斜坡用复合土工膜防渗，与库底两布一膜连接形成统一防渗体，上覆50cm壤土和10cm砂砾料保护层；库底、库岸均设排水排气沟，沟内埋设螺旋钢丝骨架的透水软管，沿水库中轴线设5道纵向直径150mm的透气软管；垂直水库轴线横向间隔20m设直径80mm的透气软管，接头部位采用四通接头；并在库底溶洞集中区域水平铺设一层粗砂垫层，形成一个完整的排水排气网络。

2 现状调查与方案选择

2.1 现状调查

考虑沟里水库库底喀斯特地质对水库蓄水产生的影响，为更好地控制土工膜刚性连接施工质量，施工前建设单位组织参建单位对附近城南水库、城北水库、双泉峪水库进行实地考察，发现土工膜刚性连接部位渗漏是造成当地水库防渗治理工程质量隐患的主要因素之一。本工程刚性连接部位主要包含三处，分别为土工膜与溢洪闸前C25钢筋混凝土防渗面板竖向连接、土工膜与溢洪闸前原C25钢筋混凝土护底水平连接、土工膜与原大坝砌石护坡竖向连接。

2.2 渗漏原因分析

目前土工膜与周边结构物连接防渗处理方式大多采用膨胀螺栓和钢板压条锚固，连接部位涂刷乳化沥青黏结，未形成统一的标准和规范，造成该部位防渗处理差异大、后期效果不理想。经分析产生渗漏的主要原因包括：ⓐ土工膜与结构物之间黏结不密实，存在渗漏缝隙；ⓑ刚性连接部位渗流路径长度不够；ⓒ刚性材料与柔性材料变形不一致；ⓓ结合部位不均匀沉降造成土工膜撕裂。

2.3 方案选择

根据土工膜与构筑物的刚性连接部位的特点和水压力的作用，土工材料选用密度不低于940g/cm2，渗透系数小于10-13cm/s的PE-HD膜；长丝针刺土工布密度不低于200g/m2，断裂强力大于10.5kN/m；平面接触面上增设凹形槽，预埋螺栓，预留变形余量，钢板错位紧固，采用专用胶灌缝等，经设计单位渗透试验验证，改进措施后刚性连接部位的抗变形破坏能力增强，渗透系数较原来大大降低，土工材料使用寿命延长，防渗效果较好。

3 施工工艺

根据土工膜与刚性连接部位试验确定的工艺，施工单位会同建设单位、设计单位、监理单位，针对本工程土工膜防渗涉及的三处刚性连接部位的特点及材质特性，分别采取相应不同的处理措施，确保达到“零渗透”的目标。具体施工工艺如图1所示。

图1 土工膜刚性连接工艺流程

3.1 配制专用胶

土工膜与刚性部位缝隙常涂刷沥青专用胶处理，因水压力和外界温度等影响，不能保证胶液的密封性和黏结性。通过查找资料，根据相关工艺配制专用胶，主要材料为膏子油、滑石粉、石棉绒等，经检验其防水、防渗及黏结效果优于沥青胶，能满足施工工艺要求。专用胶经验证具有以下特点：

a.黏结牢固且防水防渗，使膜接触部位安全有效。

b.柔韧性在-40℃仍不脆、不开裂。

c.耐热性：在80℃以下不流淌。

d.黏结性：与金属、混凝土、砖瓦、石、玻璃、油毡、木材等能牢固黏结，稳定耐久，不剥落，不开裂。

e.防水性：专用胶不吸水，防水性能良好。

f.耐碱性：耐碱性不好，遇碱性接触面会发硬。

3.2 土工膜与溢洪闸前C25钢筋混凝土防渗面板竖向连接

原设计中土工膜与溢洪闸前边墙防渗面板为竖向连接，渗漏隐患较大。为此在连接面增设12cm×3cm尺寸的齿槽，增加弯曲接触面，延长渗透路径，消散降低渗水压力，从而使土工膜刚性连接达到了理想的防渗效果，消除了质量隐患。

施工图未对钢板压条安装作明确要求，施工前期采用50cm×10cm×0.8cm尺寸的钢板压条，每块钢板之间存在5～10cm不等的间距，造成相邻钢板压条紧固后下层橡胶板出现褶皱，层间产生空隙造成渗漏；对钢板压条采取紧密搭接方式进行安装，消除了因挤压变形产生空隙造成渗漏的现象；同时为避免刚性连接部位地基不均匀沉降导致土工膜撕裂破坏，在土工膜黏接前预留不小于20cm长度的变形量。具体施工方法如图2所示。

图2 土工膜与溢洪闸前防渗面板垂直连接剖面

a.预留齿槽：在混凝土结构浇筑前用模板预制出断面尺寸12cm×3cm的齿槽，并每隔20cm埋置8cm×15cm的锚固螺栓。

b.黏结土工布、土工膜：混凝土结构拆除模板后，对齿槽表面进行平整度检测，检测合格后在接触面涂抹专用胶，进行土工布、土工膜的黏结，黏结顺序依次为：接触面→专用胶→底层土工布→专用胶→土工膜→专用胶→顶层土工布，为保证施工质量，专用胶涂抹时一定要均匀全面，并确保结合面无硬物、杂质等。

c.钢板压条紧固：在安装钢板压条前先安装12cm×2cm尺寸的橡胶压条，安装钢板压条时要求压条之间应紧密连接；在使用螺母紧固压板时，在螺柱上涂抹一层专用胶以消除螺母与螺柱之间的空隙；紧固螺母时分两序进行(即隔一个紧一个，之后再紧中间剩余的螺栓)，分序紧固确保钢板受力的均匀性，使钢板与混凝土结构之间的空气全部排除。

d.专用胶灌缝：为进一步消除土工膜刚性连接部位渗水隐患，在钢板压条紧固完成后，采用专用胶对钢板与齿槽间的缝隙进行灌缝处理。

e.保护层回填：连接部位施工完成后进行膜上保护层回填，回填采用50cm壤土，10cm卵石，回填时壤土保护层注意不能含石块、树根等尖锐物。保护层主要起保护土工膜、防止渗漏的作用；卵石保护层主要防止水流冲刷。

3.3 土工膜与溢洪闸前护底水平连接

土工膜与溢洪闸前防渗护底连接部位为水平连接，综合考虑施工时间、人力投入、施工难度，最终将齿槽设置在原护底边缘的地面上，并在护底边缘位置切割出断面尺寸20cm×10cm的凹槽作为土工膜与护底连接的平台，见图3。在土工膜黏接紧固后采用C25混凝土浇筑至原护底高程，从而达到对接缝处的二次封堵，既避免了接缝处直接受水压力的影响，又消除了钢板压片直接与水接触而产生锈蚀破坏的隐患。

图3 土工膜与原溢洪闸前护底水平连接剖面示意图

3.4 土工膜与原坝体砌石竖向连接

土工膜与坝体砌石护坡连接时在距坝脚2m处进行深埋处理。根据现场情况，坝脚干砌石首先用M10砂浆灌缝抹面处理，再用C25混凝土做25cm宽连接平台并预埋螺栓，涂刷专用胶进行土工膜黏结，压钢板后再回填50cm壤土保护层，并在其上游铺盖部位设置一道齿槽，埋下折曲的土工膜，预留20cm变形伸缩量，防止结合部位不均匀沉降变形破坏。具体如图4所示。

图4 土工膜与原坝体砌石护坡连接示意图

3.5 效果检验

2017年7月末汛期水库开始蓄水，库区二坝下游共完成约28万m2库底防渗施工，最大蓄水量约218.6万m3，最大蓄水深度6.46m。期间为检验铺膜质量，采用水下检测船和GPS对蓄水区域进行检测，汛期内共蓄水13天，在蓄水期间未发现冒泡、漩涡等现象，经测算库区渗漏量符合设计和规范要求。随后将库区蓄水全部放空，检查已完成的土工膜刚性连接的部位，未发现塌坑、裂缝、变形等质量缺陷。

通过2017年汛期蓄水验证，施工单位将该施工工艺运用于后续施工的多处刚性连接部位，分别为土工膜与溢流堰连接、土工膜与高压线塔基座连接、土工膜与圆柱形桥墩连接。在土工膜与圆柱形桥墩连接时，根据现场情况及结构特性又对施工工艺进行适当调整，最终达到防渗效果，具体措施如下：

由于该桥墩为圆柱形，直接在桥墩切割凹槽易对桥墩内部结构造成损坏，对桥梁的安全运行造成影响。由于接触面为曲面，增加了施工难度，不能有效地保证连接部位的密封性。经研究决定采用C25钢筋混凝土对同跨桥墩进行包固，包固长度和宽度分别为19.4m和2.6m，高度为0.65m。土工膜与包固混凝土连接，包固混凝土浇筑时在土工膜刚性连接部位预留凹槽。通过增加包固增强了桥墩的稳定性能，并且有效杜绝了土工膜刚性连接部位的渗漏隐患；浇筑前需对地基做夯实处理，确保地基的稳定性。

2018年8月初完工后的水库因汛期降雨库区内开始大面积蓄水，最大蓄水量约560万m3，最大蓄水深度9.02m，截至2018年8月24日，经巡视、检查，未发现冒泡、漩涡等渗漏现象，库区渗漏量值满足设计和规范要求。

4 效益分析与评价

4.1 社会效益

通过改进土工膜刚性连接施工工艺，有效解决了结合部位土工膜防渗施工中易渗漏的质量隐患问题，确保了库区防渗治理的效果，得到当地水利主管部门、业主、设计、监理等单位的一致认可，为土工膜在不同环境中推广应用提供了条件；同时彻底消除了库底渗水对附近南冶煤矿造成的安全隐患；水库正常蓄水运行解决了当地生产、生活缺水的问题，促进了当地经济的发展；当地政府加大沟里水库周边生态治理，兴建水利风景区，带动了当地旅游业的发展。

4.2 技术效益

该工艺规范了土工膜刚性连接部位施工，首次提出在土工膜刚性连接部位增设凹形齿槽，延长了渗流路径；根据工程特点配制了专用胶，分层涂刷，增大了结合面各层间的黏结力和密封性；螺栓外表面刷胶及混凝土密封等，增加了结合部位的整体性，延长了使用寿命；增设土工膜预沉量，防止结合部位不均匀沉降破坏。

整理编制了土工膜刚性连接施工工艺，绘制了土工膜刚性连接施工工艺流程图，在当地水利行业推广，为类似工程提供借鉴经验；施工可操作性强，使用设备简单，且效果明显。

4.3 经济效益

由于沟里水库库区喀斯特地质的特殊性，工程防渗要求高，采取该工艺后有效解决了土工膜刚性连接部位易损坏的难题，施工直接成本虽比常规方法略有增加，但减少了土工膜渗漏造成后期治理的经济损失，为水库的安全运行与正常蓄水提供了保障。

5 结 论

目前该施工工艺增设凹形槽和配制专用胶尚属国内首例，具有施工工艺简单、实用性强、成本低等优点，适用于防渗质量要求较高、刚性连接较长的工程，具有较强的实用性和推广价值。2017年申请获得实用新型专利(专利号：ZL 2017 2 0462721.3)，申报的“提高土工膜刚性连接施工一次验收合格率”被评为2018年度水利工程优秀质量管理小组活动Ⅰ类成果。

建议今后采用类似工艺时，在刚性结构表面凿毛后重新浇筑一道齿墙，齿墙支模时预留出齿槽供土工膜搭接使用，新筑齿墙可避免对原刚性结构内部结构的破坏，最大限度降低结合面渗透系数，从而大幅提高土工膜防渗质量和结构安全系数。