垂直铺塑技术在水库大坝防渗加固中的应用

朱芳芳

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 847000)

0 引 言

由于受限于资金、技术等原因，各类型年代较久远水库防渗加固工程是目前我国众多地区面临的水利治理难题之一，且数目巨大，因此必须探索防渗效果好、成本低、技术门槛较低的加固技术，这就使得垂直塑膜防渗技术应运而生。

1 工程概况

苏库恰克水库位于叶尔羌河西岸中游灌区，系灌注式平原水库，主要建筑物由主坝、副坝、放水闸、放水渠、库外渠、排水渠等组成，属Ⅱ等大(2)型工程。水库设计总库容1.6亿m3，东西坝长21.4km，最大坝高7.7m。苏库恰克水库于1985年投入使用，平均年调水可达1.3亿m3，控制灌溉面积超过7.27万hm2，产生了极大的经济效益。在2016年中旬，相关部门监测出苏库恰克水库坝体存在渗漏问题，渗透系数达到3.0×10-3cm/s，需要进行除险加固措施。

2 垂直铺塑技术设计分析

2.1 塑料薄膜基本参数设计

1)薄膜力学指标设计：

塑料薄膜的隔水性、经济性、一定程度变形能力均较好，因此是理想的防渗材料。目前水利工程中常用的塑料薄膜为两种：聚氯乙烯、聚乙烯，其中后者更耐老化，寿命更长，因此本项目设计选用聚乙烯薄膜，主要力学指标见下表1所示[1]。

表1 聚乙烯薄膜力学指标

2)薄膜厚度设计：

在此应用薄膜理论公式来计算其厚度t，具体见(2-1)所示[2]。当应变系数T<5时，说明薄膜厚度太小，可能被撕裂；当T≥5时，说明厚度合适。经计算本项目所用薄膜厚度不得低于0.16mm，因此最终选取0.18mm。

T=0.122·Pt·α·ε-0.5

(1)

式中：T为薄膜应变系数；P为薄膜承受的水压力，kPa；α为薄膜允许最大拉应力，kg/cm2；ε为正方形孔隙边长，m。

3)铺塑位置设计：

防渗体的防渗效果除了和结构、材料等有关外，还和铺设位置紧密联系。在此本项目采用试验法来确定最佳铺塑位置。

经过实地勘察：苏库恰克水库大坝坝体坝基深度4.0m以下范围为亚黏土和黏土，渗透系数为2.0×10-7cm/s，可看作是不透水层。铺塑位置设计为以下两个方案：①坝脚垂直铺塑；②坝脚垂直+坝面平铺，见下图1[3]。

图1 坝脚垂直铺塑(左) 坝脚垂直+坝面平铺(右)

经过对比：方案①相对于无任何铺塑处理来说，防渗效果较差，仅能减少渗流量的32%-35%；方案②相对于无任何铺塑处理来说，防渗效果良好，可减少渗流量的70%以上。因此本项目选择方案②作为最终铺塑位置。

2.2 开沟造槽机结构设计分析

垂直铺塑技术的核心工作就是能否开挖出连续、规则、尺寸合理的沟槽，而开沟造槽机则是专用设备，按照机型不同，一共可分为三大类：往复式、刮板式、旋转式，这三类开沟造槽机均能满足黏土、砂砾石地层的开沟造槽工作，但应用最为广泛的是刮板式，因此本项目选用该形式造槽机，主要结构如下：

2.2.1 破土开沟结构

面向5G的承载网需求及关键技术 ……………………………………………………师严，王光全，王海军 24-1-17

刮板式开槽机由链架、链条、刮刀、轮子、吸砂装置等组成，具体结构见图2所示。破土开沟结构包括两个：一个是利用刮刀将土块粒刮下并由链条带至地面；另外是利用吸砂装置将细粒砂土吸出，主要结构设计如下：

1)链架优化设计：

刮板式开槽机链架+链条自重较大，而且链条摇晃、抖动比较严重，导致输砂效率较低。本项目设计将链架靠近工作面一侧做成鱼腹形状，可适应链条自然垂度，这一小小改进使链条受力更加均匀，输砂效率提高[5]。

2)刮刀设计：

刮刀作用包括破土和运土，其中坡破土刮刀长度比运土刮刀长3cm左右，直立于刀板之上，其间距根据开槽卵砾石粒径、含量确定，在一定程度下间距越小，破土能力越强；运土刮刀一半高度设计直立于刮板，另一半存在一定曲率，更适合固定砂土，运土刮刀并不是间距越小越好，经测定本项目最适合间距为0.5m。

2.2.2 吸砂装置结构优化设计

为了提高开沟效率，本项目设计在链架空腔位置多安装了几个喇叭形吸口，利用射流泵将小粒径砂石加工呈糊状并吸出，效果良好。本项目所用刮板式开沟机其最大开沟深度可达12m，开沟速度3-5m/h，开沟宽度15-30cm[6]。

图2 刮板式开沟造槽机结构示意图

3 垂直铺塑技术应用施工分析

3.1 开沟造槽施工分析

1)场地及机械准备：

由于开槽机整体结构为刚性，因此若受力不均容易造成臂杆弯曲、塌槽等问题，所以对施工场地的平整度、坚实度要求较高。本项目要求开槽机2m范围内均通过人工整平压实，必要地段铺设一层铁板。此外，要求开工前检查开槽机各部件(尤其是本项目设计添加部件)是否焊接牢固，环向焊缝贴焊加强板。

2)槽壁稳定措施：

塌槽是最常见的施工问题，为了保证槽壁稳定，常用方法是采用较多的泥浆护壁，即在开槽时，向槽内灌注一定比重泥浆，起到支撑作用。泥浆比重目前没有明确的计算公式，且根据沟槽深度不同，泥浆比重也需要实时调整。本项目采用(3-1)经验公式并结合现场试验确定，具体得到的数据见下表2所示[7]。

(2)

式中：F为安全系数，取值2；r为砂土容重，g/cm3；r1为泥浆比重，g/cm3；φ为砂土内摩擦角，°。

表2 不同深度沟槽泥浆比重适合值

3.2 塑膜铺设施工分析

1)塑膜铺设装置位于开槽机后部，当开槽深度到达设计值后便开始铺膜施工。本项目铺膜方式为垂直铺膜，要求两幅膜之间搭接宽度≥1.5m，上部预留宽度≥0.5m。塑膜深度控制要求达标，每隔50m宽度探测1次。

2)一捆塑膜铺设完毕后，与下一捆塑膜采用双线缝合形式连接，要求重叠宽度≥20cm，缝线连续、均匀。

3)回填沟槽时要求使用粉质土，不得含有杂质、土块等，并且要求粉质土自然落槽，不得进行人工振捣，经过7d后再进行补填。

3.3 垂直铺塑防渗效果检测分析

为了检测铺塑防渗效果，在渗漏点较严重断面设置了测压管，根据测压管水位变化可间接测出防渗效果，具体对比如表3所示。根据检测结果可知：铺膜后测压管水位普遍降低1.2m以上，有效减小了水头，而且渗漏量降低至1.6×10-5cm/s，满足规范要求。

表3 铺膜前后测压管水位变化 m

4 结 语

垂直铺塑防渗技术相对于传统防渗墙结构，其成本仅为后者的1/5左右，经济效益显著，而且施工简单，特别适合一些高度低、规模小、平原型等中小型水库坝体、河堤、垃圾填埋场的防渗加固工程。苏库恰克水库大坝经过本次防渗加固后，渗漏量显著降低，且随着填土充分吸收水分后，必然还会进一步增加结构体防渗性，因此该技术具有良好的应用前景。