水工材料论文
摘 要： 土工膜是由高聚物制成的透水性极小的工程防渗材料,具有结构简单、施工方便、防渗效果好、节省工程造价和工期短等技术特点,可用于库区防渗、新建土石坝防渗、病险水库防渗等。在鸭子坤水库除险加固工程中,在对冲抓套井与土工膜(700 g/m2)防渗方案进行比选基础上,采用土工膜结合接触灌浆方案进行防渗处理。结果表明:加固后的大坝水力坡降与渗流量较小,达到了规范要求。
关键词： 土工膜材料; 土工膜结合接触灌浆; 水力坡降; 鸭子坤水库;
Abstract： Geomembrane is a kind of impervious material in engineering made of high polymer with little water permeability, which has the technical characteristics of simple structure, convenient construction, good impervious effect, low engineering cost and short construction period. It can be used for seepage controlling in reservoir areas, new earth rock dams and dangerous reservoirs. In the reinforcement project of Yazikun Reservoir, on the comparison of the anti-seepage schemes between offset grab well and geomembrane(700 g/m2), the anti-seepage treatment is carried out by combining geomembrane with contact grouting. The results show that the hydraulic gradient of the strengthened dam is small and the seepage flow is small, which meets the requirements of the code.
Keyword： geomembrance material; contact grouting with geomembrance; hydraulic gradient; Yazikun Reservoir;
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。[6,7,8]
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:
icr=Gs?11+e (2)
i=icrk (3)
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。
参考文献
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