土工复合材料在低土坝防渗中的应用

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【摘要】 本文介绍梨庄水库土坝采用复合土工膜进行防渗加固的施工方法及防渗效果。复合土工膜防渗体具有施工方便、宜于操作、适应变形能力强、耐腐蚀性强、防渗效果好等特点，对相似工程防渗加固具有推广价值。

【关健词】 复合土工膜 梨庄水库 大坝防渗加固 应用。

一 工程概况

梨庄水库位于福清市阳下镇梨庄村,是一座具有防洪、灌溉、养殖、供水等综合效益的小一型水库。水库坝址以上流域面积1.82km2。工程于1957年12月兴建，1960年2月建成，1977年进行保坝加固，设计洪水采用50年一遇，校核洪水 采用500年一遇。大坝坝型为均质土坝，坝顶高程38.0m（系假设高程，下同）。最大坝高24.50m,坝顶长145m，坝顶宽5m。大坝坡比从上到下迎水坡为1:2.7、1:3.3、和1:3.5，在高程22m和32m各设一马道，为干砌块石护坡。背水坡为1:2.0、1:2.5、1:3.0和1:2.0，为草皮护坡，在高程17m、23m和29.5m各设一个马道。坝脚设置块石排水棱体，其顶高程为17.00 m。大坝地基为弱风化岩基，透水性弱。大坝两端坝基为夹碎石残坡积的粘性土层（厚度较厚），且在施工中未进行有效防渗处理。

二 大坝存在主要问题及其原因分析

梨庄水库由于受建坝时环境、技术、资金和施工工艺等因素影响，工程本身就存在先天不足，再加上工程已经运行了四十年，虽经过多次维修加固，但受到一些原因制约，仍存在坝身隐患。

1.大坝存在主要工程地质问题

（1) 背水坡渗漏潮湿：大坝建成后，于1961年开始蓄水时，就发现大坝背水坡高程33.00米―36.00米产生严重渗漏，使大坝不能正常运行，管理单位于1963年2月在大坝迎水坡修建粘土斜墙防渗体，但未能彻底解决。针对大坝背水坡渗漏情况，管理单位于1991年12月、1998年4月和1999年6月分别对大坝进行充填式粘土灌浆，但效果不理想。由于受加固资金限制，灌浆处理不够全面、彻底，在背水坡中部即高程17.00―29.50米之间仍有严重渗漏、土体湿软现象（面积约为450m2）。

（2）护坡变形：1998年发现大坝迎水坡的干砌块石护坡发生松动和变形等损坏现象。管理单位虽经过部分翻砌，取得一定效果，但仍有部分块石松动现象。背水坡草皮护坡质量较差，经雨水冲刷造成鱼鳞沟较多。

（3）绕坝渗漏：大坝两端与原山坡结合处也发现较为严重绕坝渗漏现象。

2.存在问题的原因分析

（1）大坝背水坡渗漏和湿坡的原因分析

经过现场仔细检查，向水库管理人员了解多年运行情况以及查阅有关水库大坝资料，兹将上述大坝存在问题的原因分析如下：

坝体填筑质量差。①梨庄水库于一九五七年十二月动工，鉴于当时县级的技术条件，工程建设标准低，施工力量主要依靠人海战术，即投工投劳为主进行建设。由于缺乏技术人员，没有按规范进行施工。土坝分层填筑时，上下土层之间结合不良，蓄水后，水位高出该接合面高程时，即沿接合面产生层面渗漏。②坝体施工时，由于缺乏土料质量的检测设备，含水量只凭施工员经验确定，较难达到施工要求。有的铺土层太厚，碾压不实，造成坝体透水性很不均匀，悬殊很大，使坝身浸润线变化，渗流逸出点抬高，出现水平的透水带。③大坝分区施工填土，由于土层厚薄不同，上升速度不一致，造成坝体内存在少压或漏压的虚土层，水库蓄水后，即在虚土处，发生集中渗流。

根据省水利水电科研所2002年7月提供的《福清市梨庄水库坝体土样土工试验成果表》，大坝填筑质量差，密实度明显低于规范规定，土料为高液限的粉土。同时填坝土料局部含有较多杂质。并有透水性大的沙性土料掺杂其中，坝体碾压不密实，层间施工质量差，形成坝身强透水层。

坝后排水棱体中的导滤层施工质量差，造成排水棱体局部淤堵，排水不畅，坝体实测浸润线提高，增大坝坡渗漏和湿浸的面积。

(2)迎水坡干砌块石护坡局部松动和变形的原因分析

运行多年受风浪长期冲刷，块石底部碎石被淘空所致。

由于坝体填土密度相差悬殊，形成坝体不均匀沉陷，造成迎水坡块石护坡的局部变形。

(3)大坝两端与原山坡结合部的渗漏、湿坡的原因分析。

大坝两侧为夹碎石粘性土，据了解，施工时两端坝基没有彻底清除表层风化破碎强透水体，坝身土体与原边坡搭接处未按碾压式土坝设计规范的规定，开挖足够深、宽的结合槽，渗径不足，造成绕坝渗流。

坝体与山坡接头部均采用人工夯实，部分土料填筑质量较差，在高水位运行时，坝端有绕坝渗流，造成两坝端有渗漏、湿浸现象。

三 坝体防渗加固方案的比选

针对上述梨庄水库坝体渗漏和绕坝渗漏的原因分析和现有的施工技术力量，坝体防渗加固方案提出以下两个方案进行比较和选择：

1.方案Ⅰ：对大坝迎水坡23.00米高程以下采用帷幕灌浆防渗，同时将复合土工膜延伸铺设至库底，防止23.00m高程以下帷幕灌浆和复合土工膜之间产生渗漏通道。在复合土工膜上面用砂袋压重作为保护层，保证复合土工膜能紧贴坝坡不发生移位，更好地发挥防渗效果, 23.00m高程以上铺设复合土工膜至坝顶，与防浪墙紧密连接。

2.方案Ⅱ：采用充填式灌浆防渗结合对背水坡进行“下排”处理的方案。根据大坝现有渗漏情况，大坝灌浆处理范围为桩号0000～0175,深度最深至高程12.00cm。

背水坡采用“W”型导渗沟。“W”型导渗沟控制底高程为17.00m，控制顶高程为29.00 m，桩号从0+010~0+140，导渗沟的断面为梯形断面，底宽0.8 m,高1.20 m,两边坡为1:0.15。导渗沟按不同粒径的滤料严格分层填筑，分别为中细砂、碎石和片石组成。导流沟出口与堆石棱体相接处，铺一层300g/m2的土工布，起导滤作用。

四 方案选择

方案Ⅰ工程直接费63.38万元，处理全面、工艺简单、适应变形能力强、防渗效果好。当时梨庄水库水位恰好在死水位以下，该方案土工复合膜铺设采用从底到坝顶施工顺序不影响水库供水和灌溉，同时对施工机械的要求不高。

方案Ⅱ工程直接费48.01万元,工程造价低于方案Ⅰ,但从省水利水电科学研究所提供的《土工试验成果总表》中可知筑坝材料为高液限粉质土，采用充填式粘土灌浆效果不理想。其次梨庄水库大坝附近没有灌浆需要的红粘土，要到离大坝以外3公里处取土，而且路况差，土区还应和当地村民（属南岭镇管辖）协商购买，如果考虑土料购买和土料运费，费用要增加约7万元。这样方案Ⅱ直接费为55万元左右。同时从梨庄水库大坝历年灌浆效果来看，每次灌浆后，在短期内效果还可以，但必须2～3年再复灌。

针对本工程坝体渗漏范围大，实际坝体浸润线逸出点高。同时梨庄水库下游涉及灌溉农田、居民区以及洪宽工业村等情况，综合考虑水库运行管理、经济条件、施工条件和防渗效果等方面，梨庄水库大坝防渗加固采用方案Ⅰ，即复合土工膜防渗。

五 复合土工膜施工方法简介

在大坝迎水坡23.00高程以下采用充填式防渗灌浆，灌浆孔选用双排孔，按梅花型布置，孔距2.5m,排距1.2m。其次在23.00米高程以上对原干砌块石护坡进行拆除，清除大坝坡面石块等尖突物，塌陷处用粘土回填，对不平整的坝坡进行整修，用边坡夯对坝坡夯实，使之达到原坡比。然后全坝段先铺5cm厚的砂垫层，再在其上铺设一布一膜，土石坝护坡为干砌块石，因块石重量大且棱角尖锐，不宜与土工膜直接接触。在复合土工膜的土工织物上可铺设粒径小于4cm碎石垫层，厚度为15cm左右，再在其上砌30cm厚的块石护坡，作为复合土工膜的保护层。由于坝端存在绕坝渗漏，土工膜应向两侧各延伸20m。土工膜周边应设置结合槽，结合槽为梯形断面，断面顶宽0.6m，底宽0.3m，边坡1:0.3深0.5.m，采用粘土回填形式。为防止铺设的复合土工膜沿坝坡面下滑，在坡面高程28.00m处设置一道防滑槽，防滑槽采用三角断面形式，深0.3m，底宽0.5m，铺设后回填沙且夯实平整。土工膜的施工主要控制铺设、焊接和质量三个环节。

1.土工膜铺设

根据施工条件，考虑复合土工膜铺设好后应及时覆盖,以免阳光照射而老化,同时考虑水库蓄水等因素,采取顺坝线的横向铺设方式。土工膜铺设时复合土工膜膜面朝下，布面朝上，应保持一定松弛度，以适应坡面可能的不平整变形；铺设的土工膜一般要随即覆盖，以免应力集中和人为造成土工膜的损伤。

2.土工膜焊接

土工膜的连接采用膜焊布缝的方式。 PE膜采用双汉ZPR―210型自动爬行热焊机。焊接前必须清除膜面的脏物保证膜面清洁，膜与膜接合平整后方可施焊。在爬行焊接过程中，操作人员要仔细观察焊接缝质量，随时根据环境温度的变化调整焊接温度及行走速度。一般温度控制在250℃～300℃，行走速度一般1～2米每分钟。可先在试样上试焊，定出合理的工艺参数再正式焊接。正式焊接时，对焊缝要仔细检查，主要看焊缝是否清晰、透明，有无气泡、漏焊、熔点或焊缝跑边等。不合格的要进行补焊。焊接后即用砂加压,焊接面在两小时内不能受拉。布与布缝合方式为肘接。缝合针距以6毫米为宜。缝线采用断裂强度为印牛的三股双丝涤纶绞线。

3.质量控制

复合土工膜铺设必须制定技术要求，由熟练施工人员操作，同时固定土工膜焊接人员；施工人员均应穿平底布鞋或软胶底鞋进行铺设，严禁穿钉鞋以防踩坏土工膜，做到随铺随压，复合土工膜铺设要与保护层铺设相协调。拼接中复合土工膜焊缝质量是拼接关键，施工中尤其要加强接缝检测，检测方法采用目测法，即复合土工膜焊接好后，观察有无漏接，接缝是否烫损，有无褶皱，是否拼接均匀等。如果发现质量问题，应立即返工。

六 结语

梨庄水库大坝采用复合土工膜进行防渗加固方案，该方案具有施工简单、处理全面、效果明显和寿命周期长、投资费用少等优点。同时还对迎水坡干砌块石护坡进行翻砌、整平。采用复合土工膜对土坝防渗加固，从施工过程和加固后运行情况来看，复合土工膜在施工过程必须注意的问题：

1.在铺设复合土工膜之前，应检查复合土工膜型号是否满足设计要求，土工膜有否发现在运输和施工过程中人为因素造成破损，以免影响防渗效果；

2.在防渗体周边应设置结合槽，并按设计要求进行施工；

3.对于大坝坡面较长，应设置防滑槽，防止复合土工膜沿坡面下滑，影响大坝防渗效果；

4.复合土工膜搭接，必须采用焊接机械进行焊接，同时保证膜与膜相接，布与布相接，从而保证防渗效果．

5.复合土工膜在铺设时，应保证一定松弛度，以适应坡面可能的不平整而变形，造成复合土工膜被刺破，影响防渗效果。

梨庄水库通过复合土工膜对大坝渗漏进行防渗加固，解决了大坝的渗漏稳定，变形稳定，提高了水库的防灾抗灾能力和工程效益。通过土工复合材料在梨庄水库大坝防汛加固中的应用，从运行的效果来看达到了预期的设计要求。