土工膜在美國寶石湖壩防滲中的應用

［美國］ J.C.施特塞爾 等

南加州愛迪生電力公司(SCE)擁有和運營37座平均壩齡為80 a的大壩。混凝土、壩體表面材料老化以及滲漏等問題是維持大壩安全運行所必須應對的問題。SCE已經有了一個針對病險壩修復的綜合方案和計劃日程表，以保證在進入新世紀以后這些基礎設施仍能發揮作用。

方案之一是在SCE所管轄的4座混凝土壩和所有的4座木面壩的上游面鋪設土工膜防滲面層。2006年，SCE在薩布麗娜湖(Sabrina Lake)壩完成了首個土工膜防滲面層的鋪設工作，該壩是位于比肖普溪(Bishop Creek)中叉的一座木面板堆石壩。該防滲面層減少了通過大壩90%的滲漏量。

2007年夏，寶石湖(Gem Lake)壩成為SCE的第2座裝備土工膜面層的大壩。鋪設土工膜防滲面層可解決由凍融條件所導致的混凝土惡化以及由此帶來的滲漏問題。

1 結構性缺陷與復雜環境

SCE所擁有的裝機13MW的拉什河(Rush Creek)發電工程位于內達華山脈東側莫諾(Mono)縣境內的拉什河上。該工程包括3座大壩(包括寶石湖大壩)、3座蓄水水庫以及1座兩臺機組的電站。

寶石湖壩是座多拱混凝土壩，庫容2133萬m3。大壩位于安塞爾亞當斯(Ansel Adams)荒野保護區。該壩是美國第1批建造的多拱混凝土壩中的其中一座，由16個完整的拱組成，每個拱支墩中心之間的跨距為12.2 m。此外，壩體兩端的部分拱與巖石拱座相連。大壩長度約為210 m，最大拱高為25.6 m。拱頂部厚度為0.31 m，底端厚度為1.21 m，混凝土重力壩段用鋼筋加強到高程2753.4 m。拱的支墩由扶壁支撐，在頂部(壩頂4.6 m處)和底部的厚度分別為0.57 m和1.30 m。寬度分別為1.38 m和3.36 m。在拱的支墩之間設置了斷面為0.31 m×0.46 m的雙混凝土支撐桿。

大壩是在1915～1916年使用拉什河河床中的骨料和附近的巖石建造的。因為那個時代的施工工藝和混凝土配合比設計的緣故，混凝土略顯多孔，這可使水填充結構中的空隙。在冬季，這種孔隙水結冰，產生膨脹并導致混凝土表面層層剝落。通過大壩滲透的水導致了水泥與骨料混合材料惡化，因為膠結材料被浸出，留下一窩窩松散骨料。在一些地方，利用鶴嘴鋤就可以將0.31 m或更深的混凝土剝除掉。

1966年，實施了一項計劃，即將整個上游面鋪設了厚約7.6 cm的用粗鋼絲網加固的噴漿混凝土。在噴漿混凝土上面先涂一層底層，再做兩層聚硫化物涂層加以密封止水。1969年，在上游面設置了第3層聚硫化物涂層。聚硫化物保護涂層最初成功地阻止了水的浸入。然而，涂層的長期性能并沒有預想中的那么好，涂層從壩體上剝落，致使噴漿混凝土暴露。

2006年，SCE進行了一項廣泛的現場調查以量化混凝土變質的程度。一位混凝土專家觀察了混凝土的狀況，獲得了混凝土的芯樣，并對其進行了施密特錘測試。調查認為，數十年不間斷凍融循環致使兩座拱內出現了大量的變質混凝土窩穴。所有試圖修復這些區域的努力都將白費，除非大壩滲流得到有效控制。

2 大壩修復方案

針對寶石湖壩的滲漏情況，SCE確定和研究了3種可供選擇的處理方案。

(1)清除覆蓋在壩面的老化聚硫化物涂層，并以同類材料取代;

(2)在上游面應用另一種噴漿層;

(3)在上游面應用土工膜防滲面層。

關于前兩種選擇方案，清理剝落的聚硫化物需要另外想辦法收集和處理產生的碎片。另外，已證明聚硫化物的壽命一般都比較短，約為20 a。SCE曾經在1966年應用過一種增強的噴漿層，盡管通過壩體的滲流量因此約減少了50%以上，但在大約20 a以后，出現很大的裂縫，水進入了原來的混凝土中，凍融循環又重新開始。

土工膜已在世界范圍內超過85座大壩上得到應用，鋪設壩體面積超過58萬m2。

3種選擇方案的初始費用相近，但預計的每年的折舊費有很大差別。另外，與防滲涂層或噴漿層20 a的壽命相比，土工膜墊層壽命較長，超過40 a，并且與安裝有關的環境問題較少。

3 修復設計

大壩位于自然保護區，基本的運輸工具是2臺有軌纜車和一條船。而這需要獲得一些機構的許可，包括美國林務局(USFS)、美國魚類和野生動物管理局(FWS)、美國陸軍工程師兵團以及地方水資源局。在這類地區進行施工需要采取最原始的方法，除非在迫不得已的情況下才使用機械化作業。SCE指出必須在一個季節內使用挖掘機和四輪車完成土工膜防滲面層的鋪設。若采用排空水庫的方式進行施工，則可能會使工期延長到兩個季節，其對保護區環境的影響會超過使用機械設備。

SCE在2008年與CARPI公司商談了一個設計和建造合同。該合同包括了ACE修復公司為兩座嚴重受損的拱進行灌漿的條款。在鋪設土工膜之前，CARPI提供了該系統的細部設計計劃和說明。這包括經過USFS的可建造性審查和來自 SCE、CARPI、ACE和USFS的代表們的施工前會議商討，以保證所有的安裝部件都能夠得到妥善地規劃和設計。

寶石湖土工膜系統的設計和實施之所以復雜是因為:

(1)大壩交通困難;

(2)大壩結構復雜;

(3)因工程處于高海拔地區，施工時段較短;

(4)環境限制。

寶石湖壩獨特的結構要求創新設計和安裝技術，以便經濟地通達大壩的上游面進行施工。根據以往類似的安裝，CARPI的安裝小組借助腳手架進入壩體的前側。對于寶石湖壩，將腳手架運輸到山上并進行安裝的費用過高，估計會超過20萬美元。實際上，如果使用腳手架，在一個季節內完成安裝任務的主要目標就不可能實現。

2006年，CARPI在德國的Linach壩上鋪設了土工膜防滲面層。為了這次鋪設，CARPI施工人員利用吊平臺來接近大壩的上游面。吊平臺是一個兩點可調的懸掛腳手架，利用與平臺兩端U形夾頭相連的繩索或鋼索懸吊。雖然寶石湖壩仍有小部分區域需要架設腳手架，但是通過吊平臺可以接觸到90%以上的壩面。使用吊平臺明顯減少了工程的潛在費用。

在設計階段，通過認真的初步設計和結構分析得出:典型的拉伸剖面安裝方法在相鄰兩拱交叉的地方并不適用。寶石湖壩的幾何形狀(拱跨度比較短)致使交叉部位有一區域繃得太緊。CARPI開發了一種新的多層設計系統，構建了全尺寸樣機，并建立了每個安裝階段的文檔。這保證了SCE和加利福尼亞大壩安全局(DSOD)安裝工作的成功完成。

4 土工膜鋪設

在寶石湖壩上鋪設土工膜的工作于2007年6月開始，并包含了許多施工步驟。CARPI在表面粗糙的地方(約占總面積的3%)按照每平方米2 kg的標準鋪設土工布使之變得平順，因此減少了表面平整費用。其次，在整個表面，CARPI為排水層鋪設了Tenax Tendrain土工網，用一層薄的土工布包裹住已經存在的聚硫化物保護涂層。然后，CARPI沿著基礎兩跨溢洪道拱的溢流堰頂，兩岸壩肩設置了淹沒的(不銹鋼)周邊止水。沿16座非溢洪道拱的壩頂設置了非淹沒的(不銹鋼)周邊止水。在其他3個位置，CARPI設置了排水片，并在每個位置處打了一個鉆孔穿過壩面，以便使滲漏水通過壩體排放。在拱的起拱點處垂直地安裝不銹鋼板條，在每跨拱的中央垂直地安裝不銹鋼張型材將土工膜緊貼在大壩面上。

土工復合材料包括3 mm厚的聚氯乙烯(PVC)土工膜和500 g/m3的土工布，沿水平方向按每次寬度為1.05 m鋪設于每跨拱的表面。最后，CARPI施工人員鋪設了3 mm厚的PVC土工膜焊接條帶來覆蓋不銹鋼的張緊型材。

該防滲系統的關鍵因素是使該壩的全部表面防水的PVC土工復合材料。這種復合材料包含了在擠壓至非織造土工布過程中熱耦合產生的土工膜。土工膜復合材料固定在壩面上垂直設置的型材上。這種錨固技術能使土工復合材料在很大的范圍內延伸，從而使這種材料應力減到最小。因為沒有阻塞排水層的粘結層，所以這種錨固系統還允許排水層緊貼著壩體表面。這種土工膜防滲面層的錨固技術有兩大好處:

(1)為排水以及借助透過防水層或壩體的滲漏水的重力作用隨后排放提供可能性。滲水由安裝在壩體內的排水管收集并排放到下游。

(2)允許將土工膜張緊以防止形成褶皺和下垂，這樣可延長其使用壽命。

5 大壩修復所帶來的效益

通過在寶石湖壩鋪設CARPI土工膜系統帶來了以下效益:

(1)滲流控制。2007年9月，土工膜安裝完成以后所觀測的滲流量減少了50% ～90%，拱上部10.5 m的區段沒有明顯的滲流發生。

(2)消除了凍融破壞。阻止了通過壩體漏水造成的下游壩面變干，消除了凍融循環的成因。

(3)延長壽命。對CARPI系統，有超過85座壩的成功跟蹤記錄。大壩修復設施已經運行了30 a以上。根據對6座現有壩的土工膜抽樣研究記錄，預計這些防滲設施的使用壽命將超過50 a。

(4)成本效益。土工膜系統和其他的選擇方案相比，其建造費用實際上是同等的。

然而，由于土工膜系統使用壽命已得到證實，壽命周期成本分析顯示，CARPI土工膜是最具成本效益的。土工膜系統對環境的影響最小，而噴漿和聚硫化物涂層則明顯需要采取更多的環保措施，最后，因為纜車運輸費用增加以及大量使用可能造成的維修問題，噴射混凝土方案所需要的材料體積和重量都很大使得該方案沒有吸引力。聚硫化物和土工膜防滲系統的運輸費用大致相同，但是，土工膜系統明顯地較為安全。幾乎所有的土工材料都是固態的，所以即使在運輸過程中發生丟失的話，也沒有大的危害。聚硫化物包含液體和膏狀物，一旦發生事故，意味著要進行大量的清理工作。

(5)環境影響很小。與其他選擇方案相比，土工膜防滲系統所造成的工程環境影響較小。在土工網排水層上的土工織物能夠自動截獲已有的聚硫化物涂層而無需進行清除。不管是選擇噴漿還是聚硫化物方案都需要將現有涂層清除，這項工作很困難而且費用昂貴。在寶石湖壩進行土工膜鋪設無需修建場地或改建場地。因為水庫岸線距離大壩上游面超過30 m，所以不產生泥沙。在整個鋪設過程中均保持了最低的在槽泄流量。

(6)美觀。寶石湖壩土工膜的鋪設90%的時間都在水下完成，大壩的外觀基本不受影響。枯水年時或水庫排空時，土工膜暴露，它是一種非彩色的灰色，與周圍地面協調。

(7)維修工作量最小。CARPI土工膜防滲系統是一種被動的系統，不需要進行維修。

6 未來的打算

SCE正在調查研究在其他幾座大壩鋪設類似的土工膜會帶來的效益，包括在阿格紐湖(Agnew Lake)壩(多拱混凝土壩)，希爾賽德(Hillside)壩和塞勒巴(Saddlebag)壩(木面板堆石壩)，杉楃湖(Shaver Lake)壩(混凝土重力壩)，以及泰奧加湖(Tioga Lake)壩(主壩為木面板堆石壩，副壩為混凝土拱壩)。