土工膜防渗在鸭子坤水库除险加固中的应用

潘 勇，葛为祥，芮立龙

（ 宁波天成水利水电设计有限公司，浙江 宁波 315100）

复合土工膜属于一种土工防渗材料，将其应用到水库大坝的防渗中效果非常理想，不仅可以很好地控制施工质量，而且施工流程相对较为简便，成本也相对较低。 本文结合鸭子坤水库存在的渗漏问题，通过对复合土工膜技术在除险加固工程中应用过程进行研究，提出了具体的防渗施工工艺和方法，在实际施工中较好地解决了复合土工膜施工难度大、施工工艺不系统等问题，保证了鸭子坤水库防渗加固工程的施工安全。

1 鸭子坤水库概况及运行现状

鸭子坤水库位于浙江省天台县白鹤镇西岙村上约1.6 km 处，现状大坝为均质土坝， 最大坝高18.6 m，总库容10.10 万m3，是一座以灌溉为主的小（Ⅱ）型水库。 鸭子坤水库枢纽建筑物主要有大坝、溢洪道、 输水隧洞等。 水库控制集水面积1.75 km2，主流长度1.65 km。 水库设计洪水标准为30 年一遇，校核洪水标准为300 年一遇。 水库的正常蓄水位328.60 m， 相应正常库容7.75 万m3，设计洪水位329.84 m，相应库容9.71 万m3，校核洪水 位330.18 m， 相 应 总 库 容10.10 万m3， 死 水 位318.40 m，死库容0.02 万m3。

鸭子坤水库大坝为均质坝，现状坝顶为碎石土路面，杂草较多，上、下游侧均设置混凝土路肩。 现场检查认定大坝坝顶整体外观质量一般。 大坝上游坝坡综合坡比为1∶1.9，坝坡采用六边形预制块护面，预制块碳化严重，整个坝坡野草杂乱。 现场检查认定上游坝坡整体外观质量一般。 大坝下游坝坡采用干砌石护面， 块石大小不一， 杂草丛生。原坝下涵管出口位于下游坝坡二级马道处，发现少量渗漏现象。 隧洞出口引水管通至坝脚，引水管漏水。 溢洪道位于大坝左端，现场检查认定溢洪道各部位外观质量一般，结构稳定安全，不影响正常使用。 隧洞出口段设有档水堰，堰下埋设引水管通至大坝下游坝脚，穿过坝脚灌砌石挡墙，引水管存在漏水问题。

2 土工膜防渗技术的特点分析

复合土工膜防渗技术已日趋成熟，国内外在水库大坝上应用成功例子非常多， 该方案具有可行性。 针对鸭子坤水库大坝存在的渗漏问题，采取复合土工膜防渗具有明显的针对性，可以实现预期的防渗效果。 复合土工膜是一种理想的土石坝防渗材料。 其具有以下优点：

（1）复合土工膜的特点是将土工织物和土工膜合成在一起，采用布—膜—布复合土工膜，代号为SJN，膜为聚乙烯（PE或PVC）薄膜。

（2）土工织物替代颗粒料作为PE或PVC膜保护层，以保护膜不受损坏，降低了下面垫层级配要求，并且有表面排水作用。

（3）土工织物与覆盖层及基面（垫层）的磨擦系数大。

（4）由于有土工织物，故复合土工膜的抗拉、撕裂、顶破穿刺等方面力学强度较高。

（5）复合土工膜应变能力强，适应地基变形能力较强。

（6）土工膜与沥青混凝土层接触面上的孔隙压力及浮托力易于消散， 以免膜被水和气托起而失稳。

（7）能适应各种环境和温度，聚乙烯脆性低温达零下50℃。

（8）抗老化性能好，采用地下埋设，使用寿命延长，可达50 年。

（9）具有耐酸碱、耐腐蚀、无毒、渗透系数小等特性。

（10）施工过程中具有铺设方便，运输、铺设不易损坏，亦不易被石块、土粒、树根刺破等特点。[6-8]

3 土工膜在鸭子坤水库除险加固工程中的实际应用

3.1 防渗加固方案比选

根据安全认定结论，本工程坝体的防渗性不能满足要求，因此，需进行坝体防渗加固。

方案1 冲抓套井粘土填筑结合大坝坝基接触灌浆处理，其工程量及投资情况（见表1）。

表1 套井防渗处理+接触灌浆方案工程量及投资

方案2 大坝上游坝面铺设复合土工膜结合基础接触灌浆防渗处理， 其工程量及投资统计情况（见表2）。

表2 土工膜防渗处理+接触灌浆工程量及投资

根据两个方案比较，从经济性、实效性和施工工艺各方面综合考虑，优选大坝防渗方案为复合土工膜结合基础接触灌浆防渗处理。 两个方案技术经济比较结果（见表3）。

表3 两个加固方案技术经济比较

3.2 土工膜结合接触灌浆防渗处理要求

大坝坝体防渗设计采用防渗土工膜。 防渗复合土 工 膜（ 700 g/m2） 厚0.7 mm， 土 工 膜 下 设 厚20 cm细砂土垫层， 上设厚30 cm 细粒壤土回填料[2]。 土工膜用不透明材料覆盖以防紫外线老化，在储存过程中，要保持标签的完整和资料的完整，在施工现场，基面一定在按设计要求清理好。 这是确保防渗效果的关键，特别是对尖石、树根等杂物要彻底清除干净，基面不允许有局部凹凸现象，清理好的基面要用夯锤或夯板夯紧，使之密实平整。土工膜10 cm厚的保护层土料一定要过筛，筛去粒径大于6 mm以上颗粒，否则易刺破土工膜。

铺设土工膜时，一定要由下而上的铺设。 膜与膜之间及膜与基面之间要压平贴紧，但不宜将膜拉得过紧，应留有1.50%的余幅以备局部下沉拉伸，不能在膜底留有气泡。 因为土工膜比较薄且很轻，铺好以后，在未铺好保护层以前，极易被风吹动，所以一次铺膜面积不宜过大，边铺膜边盖保护层土料。 回填保护层及砌筑块石护面时，一定要轻放，以免撞破土工膜。 土工膜的接缝接头有热粘、 胶粘、搭接等方法，土工膜铺设完成后，应尽量减少在膜面上行走、搬动工具等。 PE膜采用焊接工艺连接，搭接宽一般为左右10 cm[3]。

相邻两幅的纵向接头不应在一条水平线上，应相互错开1 m以上。 PE膜采用焊接工艺连接，平整度为±2 cm/m2，平整顺直；压实度为93%，经碾压后方可在其上铺设土工膜；纵、横向坡度宜在2%以上，填埋场底部的轮廊边界和结构必须有利于渗沥液的导流[4]；土工膜铺设完毕后再坝基防渗采用接触灌浆方案。 灌浆孔单排布置，灌浆孔中心线位于大坝中心线位置。 灌浆为全坝段灌浆，大坝段布置灌浆孔46 个，灌浆材料采用42.5 普通硅酸盐水泥，要求灌浆后被灌介质透水率达到10 Lu以下。[5]

3.3 加固后渗流计算

大坝渗流计算采用河海大学AutoBANK土石坝渗流分析程序进行计算[1]。 该程序是针对饱和多变介质渗流而编制的，适用于不规则边界的各向异性渗流场，能有效地解决土石坝在复杂渗流状况下的渗流分析问题，又可用来研究水位上升、下降情况的非稳定渗流状态。 程序的求解方法是基于三角形单元的有限元法。

（1）理论模型及边界条件

考虑水和土的压缩性，符合达西定律的二向非均质各向异性土体渗流，其基本方程为：

边界条件：

式中：h0— 边界水头，m； n— 边界外法线方向，°；

z—浸润线上各点的几何纵坐标值，m。

（2）计算断面

根据地质勘探剖面图中坝体和坝基的地质情况，选取河床最大断面0 +050.06 处为计算典型断面。

（3）计算参数

综合确定大坝坝体分5 个区：坝体人工填土分1 个区、土工膜防渗分1 个区、原套井回填分1 个区、坝基分1 个区、棱体排水分1 个区。 计算参数依据地勘建议值，各分区渗透系数取值（见表4）。

表4 大坝各分区渗透系数取值表

（4）允许水力坡降

采用《 水利水电工程地质勘察规范》（GB50487—2008）附录M中的判别方法，根据大坝土体试验结果，大坝的允许水力坡降为0.50。

材料允许坡降采用下列公式计算：

式（2）—（3） 中：icr— 材料的临界坡降；

i— 材料的允许坡降；

Gs— 土粒比重；

e— 孔隙比；

k— 安全系数，根据规范，本工程取k=1.5。

（5）计算工况

根据规范规定，渗流计算应考虑水库运行中出现的各种不利条件，主要工况组合情况如下：

上游校核洪水位330.18 m与下游相应水位；

上游设计洪水位329.84 m与下游相应水位；

上游正常蓄水位328.60 m 与下游相应最低水位。

由于放水涵管及溢洪道下泄洪水均对坝下游水位无影响，则各工况下其相应下游水位均取坝脚地面高程301.00 m。

（6）计算成果及分析

按照各种不同工况进行组合计算，各种计算工况典型断面加固后坝体复核计算坡降值及渗流量（见表5）。

表5 鸭子坤水库大坝流复核计算坡降值及渗流量

根据以上分析可得出：

（1）采用土工膜（700 g/m2） 结合基础接触灌浆处理后，防渗效果得到较大提升；

（2）大坝渗流稳定计算结果表明，加固后的大坝水力坡降满足规范要求；

（3）土工膜耐久性等方面性能的预测效果，有待观察进一步研究。

4 结 语

鸭子坤水库除险加固工程于2019 年底完工验收。 根据现场完工验收情况，结合近期大坝测压管观测，测压水位较低，浸润线经过坝坡后降落明显，库前水位高低对坝后测压水位相关度不大，浸润曲线较为稳定，表明加固效果良好。 复合土工膜是一种防渗效果好适应变形能力强的新材料，通过试验和计算复合土工膜样品，最终确定其基本满足《 水利水电工程土工合成材料应用技术规范》 SL/T225—98 的安全系数要求。