淺談土工合成材料在新建堆石壩及病險庫加固中的應用
土工合成材料是一種新型的建筑材料，由于其具有質量輕、施工簡易、運輸方便、料源豐富等優點，自問世以來，發展非常迅速，尤其是近二三十年在全世界范圍內得到迅速的發展和廣泛的應用，取得了良好的經濟、社會和環境效益。
土工合成材料分為四類：土工織物、土工膜、土工復合材料和土工特種材料，其原材料主要是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等各種高分子聚合物。近幾年，在水利工程中使用較廣泛的是土工織物、土工膜、土工復合材料。土工織物分為有紡土工織物和無紡土工織物兩種類型，其中，針刺無紡土工織物，具有孔隙率高、滲透性大、排水性能較好的特點，在大壩工程中常作為排水反濾設施廣泛使用。土工膜防滲性能較好，垂直滲透系數小于1×10-11cm/s，價格便宜，但其CBR頂破強度較低，對于防滲要求較高的工程部位不宜使用，一般常用于壩基垂直防滲。土工復合材料是將兩種或兩種以上的土工合成材料組合在一起的產品，品種繁多，功能各異，其中復合土工膜具有防滲和排水雙重作用，在大壩工程中應用較廣泛。
近幾年，土工合成材料的生產廠家越來越多，生產規模愈來愈大、品種繁多，質量基本上都可以達到國家標準；其次，對土工合成材料的研究也日益深入，制定的許多國家標準或規范，為該材料的推廣提供了技術依據，土工合成材料的研究、生產、設計逐步走向了成熟。下面簡要闡述土工合成材料在新建堆石壩及病險庫加固中所取得的成功經驗，以饗讀者。
1.復合土工膜在堆石壩的應用
博斯塘水庫位于新疆木壘縣境內。該水庫為山區攔河水庫，屬小（Ⅰ）型水庫，壩型為復合土工膜防滲堆石壩，壩軸線長186m，最大壩高37m，壩頂寬5m，前壩坡1：1.65，后壩坡1：1.45、1：1.55兩級。壩址兩岸基巖裸露，巖性為安山巖，較堅硬，抗風化能力強，部分階地上有數米厚的坡積物。河床礫卵石層厚12～14m，下部為安山巖。溢洪道位于右壩肩山脊埡口處，為正槽開敞式，均在巖體內開挖。筑壩材料大部分采用溢洪道爆破開挖出的安山巖巖渣，不夠部分采用河床砂礫石料。壩基采用人工澆筑混凝土防滲墻防滲，施工方式為大開挖。
壩體前壩坡的復合土工膜與壩基混凝土防滲墻及兩壩肩混凝土趾板錨固在一起，共同形成前壩面的防滲系統。壩體為透水性很強的爆破料組成，滲透系數一般大于在1×10-3cm/s，可以迅速降低壩體內的浸潤線高度，利于壩體的抗滑穩定安全。
前壩坡面由下而上主要由無砂混凝土（下墊層）、復合土工膜、苯板（上墊層）、混凝土板護坡構成。下墊層采用透水性較強的無砂混凝土，最小厚度8cm；上墊層采用保溫性能及平整度較好的苯板，厚度2cm；苯板上部為邊長0.60m、厚10cm的六邊形鋼筋混凝土模框，框內現澆C20素混凝土，模框之間干靠，有利于壩面排水。
因此，該壩體防滲效果的好壞關鍵是復合土工膜自身的防滲效果及其與周邊連接的可靠性。
復合土工膜自身的防滲效果主要取決于土工膜的物理力學指標及接縫的質量。根據承受的水壓力和下墊層，經計算，復合土工膜采用兩布一膜（300g/m2/PE0.5/250g/m2），其物理力學指標為：抗拉強度19KN／m，延伸率53.6％，CBR頂破強度3.41KN，垂直滲透系數4.76×10-13cm/s，幅寬4.0m。施工中，一般都要對工廠內生產的土工膜進行拼接，接縫的質量好壞直接影響土工膜的防滲性能和抗拉強度，因此，必須嚴格按照技術規程進行施工。
土工膜鋪設前先進行下墊層無砂混凝土的施工，然后將卷成捆的土工膜沿壩坡由下而上縱向鋪放，鋪設應平順，松緊適度，予留大約1.5%的余幅，以免受拉破壞。土工膜展開平整后即可進行拼接。拼接一般采用熱熔焊法，該方法焊縫的抗拉強度較高，質量較好。焊接采用自走式熱熔雙縫焊機，根據膜材種類、厚度和室外氣溫選擇合適的焊接溫度及行走速度，先在現場采用小塊土工膜進行試拼接，待焊接質量穩定后再進行實際焊接操作。熱熔焊法焊縫形式為直縫雙道，每道寬度1cm，間隔1cm，焊縫處土工膜搭接寬度約10cm。
土工膜焊接完成后，必須進行接縫檢測。一般先進行目測，觀察有無漏接，接縫是否有燙損、褶皺，是否拼接均勻等，目測合格后采用真空法或充氣法進行最終質量檢測及評定。（1）真空法：主要設備有吸盤、真空泵和真空計。檢測時將待測部位刷凈，涂肥皂水，放上吸盤，壓緊，抽真空至負壓0.02Mpa～0.03Mpa，關閉氣泵。靜觀約30s，觀察吸盤頂部透明罩內有無肥皂水泡產生和真空度有無下降，如有，表示漏氣，應予補救。（2）充氣法：將焊縫之間的空腔兩端封死，插入氣針，充氣至0.05Mpa～0.20Mpa（視膜厚選擇），靜觀0.5min，觀察壓力表，如氣壓不下降，表明不漏，接縫合格，否則應進行修補。其次，還需進行土工膜的抽樣測試。約1000m2取一試樣，作拉伸強度試驗，要求焊縫強度不低于母材的80%，且試樣斷裂不得在接縫處，否則接縫質量不合格。土工膜表面的無紡布可采用手提縫紉機縫合，以保護土工膜。對于質量不合格的焊縫可采用塑料焊槍或電烙鐵重新補焊。
復合土工膜周邊連接的可靠性，主要是指復合土工膜與壩基混凝土防滲墻、壩肩混凝土趾板及防浪墻的連接。混凝土防滲墻底部及兩壩肩趾板與基巖面接合面均需進行水泥灌漿，防止防滲墻底部或趾板與基巖面接合面處滲水，灌漿完畢后，進行壓水試驗，合格后才能進行下一道工序。復合土工膜與防滲墻、趾板及防浪墻聯結采用扁鐵和膨脹螺拴錨固連接，為了保證復合土工膜具有一定伸縮能力，周邊均設伸縮節（圖2、圖3）。
施工時由于土工膜在壩面上易于滑動，因此，在無砂混凝土表面每隔5m，刷熱瀝青兩道，面積約0.5m2，將復合土工膜粘結在上面，這樣，既不妨礙膜后無紡布的透水性又增大了膜的抗滑能力，收到了很好的效果。
該工程1998竣工開始蓄水，經過近6年的運行，壩頂最大沉降變形6cｍ，壩后地面干燥，無滲流溢出，壩后坡測壓管內浸潤線低于河床砂礫石層表面3m左右，達到了設計預期效果，復合土工膜防滲效果明顯，工程取得了成功。
2.土工合成材料在病險庫加固中的應用
近幾年，全國各地的病險水庫由于年久失修，管涌或者潰壩的事故時有發生，造成了巨大的經濟損失。病險庫數量多，施工條件復雜，工期短，將質量輕、運輸方便、施工簡易的土工合成材料正確推廣應用到病險庫加固當中，具有深遠意義。
白土坑水庫位于新疆瑪納斯縣境內，為中型平原水庫，始建于1962年。壩軸線長7.0km，壩型為均質土壩，最大壩高7.00m，上游壩坡1：2，采用小型砼板護坡，下游壩坡1:1.5～1：2.0不等，壩頂寬度2～4m，壩后無濾水壩腳。壩體填筑質量較差，干密度值平均僅為1.43g/cm3，滲透系數6.4×10-4cm/s，長期處于軟塑狀態，壩體內浸潤線高，壩體滲水嚴重，壩后形成大片沼澤濕地，后壩坡腳有發生管涌或流土的滲透破壞危險，大壩上下游壩坡抗滑穩定計算均不滿足規范要求。大壩壩基未做任何處理，壩基2～4m以上為粉砂與粉土層，滲透系數較大0.79×10-4cm/s，以下土體結構性較好，滲透系數在1.27×10-5～6.48×10-6cm/s，為較好的隔水層。該水庫多年來，一直低水位運行，達不到原設計標準。2001年大壩安全鑒定為三類壩，屬病險庫，需進行除險加固。
鑒于該水庫壩型為均質土壩，且為老壩體加固，因此在前壩坡上鋪設復合土工膜進行防滲，該方法簡單易行、施工速度快、可以有效降低壩體內的浸潤線高度，增大壩體內的干燥區，提高土體內摩擦角，從而提高壩體的抗滑穩定安全性。壩基進行垂直鋪塑，塑膜與壩面復合土工膜連為整體。后壩坡按1：2.25培厚，新老壩體間設褥墊式排水體。
根據承受的水壓力和下墊層，經計算，前壩面的復合土工膜采用兩布一膜（200g/m2/PE0.5/200g/m2），其物理力學指標為：抗拉強度18KN／m，延伸率56.4％，CBR頂破強度2.8KN，垂直滲透系數1.0×10-12cm/s，幅寬6.0m。先將已損壞或脫落的原砼護坡板用細石混凝土填補平整，再鋪7.5cm厚細砂墊層，然后鋪復合土工膜，膜上鋪75cm厚的砂礫石防凍層，再澆筑20cm的混凝土護坡板。復合土工膜上部折埋在壩頂附近，下部與垂直鋪塑膜焊接在一起。（圖4）復合土工膜的拼接方法同前述。
壩基垂直鋪塑是一種新的淺基礎防滲技術，鋪塑深度可達8m左右，開溝寬度只有20多厘米，是解決水庫淺層透水地基滲漏嚴重及延長滲徑減小壩后坡腳滲透比降的有效方法。垂直鋪塑適用于粉土地基；對于粉砂地基施工中必須做好泥漿固壁，施工速度要快，否則易塌壁。鋪塑塑膜采用厚0.3mmPE膜，設計深度應深入粘土層內1.0m，鋪完塑的溝槽采用粘土漿充填。鋪塑機先將基土破開，然后將事先卷繞在鋼管上的塑膜垂直放入槽內，由鋪塑機牽引向前移動。鋼管上的塑膜用盡前應予留1.5倍的槽深長度，將塑膜拿出溝槽，洗凈擦干后用自走式熱熔雙縫焊機焊接。局部破損的塑膜補漏，可采用PVC膠合劑粘接，粘接寬度不小于15cm，春秋季固化時間不少于12h，要求粘貼牢固、均勻、可靠。塑膜槽口外漏段，應敷土加以保護，避免陽光直接照射。壩基鋪塑塑膜上部要與前壩坡的防滲復合土工膜焊接，形成完整的防滲體，降低壩體內浸潤線，增加壩體穩定，達到除險目的。
該水庫原下游壩坡腳未設濾水壩腳，鑒于后壩坡培厚，因此，在新老壩體間設壩體內褥墊式排水體。采用重量輕、鋪設方便、造價低的無紡布代替反濾料，無紡布上部壓天然級配的砂礫石料（含泥量<8％）。無紡布的選擇對反濾效果有很大的影響，應按照保土性、透水性、防堵性三個原則進行設計選型，詳見《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》，根據計算結果，選擇400g／m2的針刺無紡布。無紡布的接縫采用搭接形式，搭接寬度不小于10cm。
白土坑水庫2001年底除險加固全部完工，經過兩年的運行觀察，防滲效果較明顯，壩后積水或沼澤消失，地下水位降低至1.5m以下，水庫達到了設計要求，取得了巨大的經濟效益和社會效益。
3.土工合成材料在施工中應注意的問題
（1）運輸、貯存中不得沾污、雨淋、破損，遠離火源，周圍不得有酸、堿等腐蝕性介質，不得長期曝曬和直立。
（2）材料進場時，應進行抽檢。施工時應有專人隨時檢查清基、材料鋪放方向、材料的接縫或搭接、材料與結構物的連接，每完成一道工序應按設計要求及時驗收，合格后，方可進行下道工序。
（3）施工場地應平整干凈，防止損壞土工膜；鋪設應平順，松緊適度。不平地、軟土上和水下鋪設搭接寬度應適當增大。
（4）鋪設人員不得穿硬底鞋操作。
（5）盡量采用寬幅，使膜在施工時接縫最少；每卷材料的重量不宜超過1t；膜與膜相連時，應采用同種土工膜。高壩應垂直于壩軸線鋪膜，低壩應平行于壩軸線鋪膜，以減少拼接量；接縫應盡量與最大拉力方向平行。
（６）垂直鋪塑應嚴格按照工藝要求進行施工，PE塑膜施放速度應迅速，防止槽孔坍塌，影響鋪塑效果。
4.結語
復合土工膜防滲堆石壩在新疆尚屬首例，它的成功應用，為堆石壩防滲設計提供了新思路。其次復合土工膜及無紡布在病險庫加固中所取得的可喜成果，也為病險庫加固設計積累了豐富的經驗。今后水利工程建設中應予大量推廣使用土工合成材料并加強檢測和應用的研究。
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