垂直鋪塑技術在水庫大壩防滲加固中的應用

朱芳芳

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 847000)

0 引 言

由于受限于資金、技術等原因，各類型年代較久遠水庫防滲加固工程是目前我國眾多地區面臨的水利治理難題之一，且數目巨大，因此必須探索防滲效果好、成本低、技術門檻較低的加固技術，這就使得垂直塑膜防滲技術應運而生。

1 工程概況

蘇庫恰克水庫位于葉爾羌河西岸中游灌區，系灌注式平原水庫，主要建筑物由主壩、副壩、放水閘、放水渠、庫外渠、排水渠等組成，屬Ⅱ等大(2)型工程。水庫設計總庫容1.6億m3，東西壩長21.4km，最大壩高7.7m。蘇庫恰克水庫于1985年投入使用，平均年調水可達1.3億m3，控制灌溉面積超過7.27萬hm2，產生了極大的經濟效益。在2016年中旬，相關部門監測出蘇庫恰克水庫壩體存在滲漏問題，滲透系數達到3.0×10-3cm/s，需要進行除險加固措施。

2 垂直鋪塑技術設計分析

2.1 塑料薄膜基本參數設計

1)薄膜力學指標設計：

塑料薄膜的隔水性、經濟性、一定程度變形能力均較好，因此是理想的防滲材料。目前水利工程中常用的塑料薄膜為兩種：聚氯乙烯、聚乙烯，其中后者更耐老化，壽命更長，因此本項目設計選用聚乙烯薄膜，主要力學指標見下表1所示[1]。

表1 聚乙烯薄膜力學指標

2)薄膜厚度設計：

在此應用薄膜理論公式來計算其厚度t，具體見(2-1)所示[2]。當應變系數T<5時，說明薄膜厚度太小，可能被撕裂；當T≥5時，說明厚度合適。經計算本項目所用薄膜厚度不得低于0.16mm，因此最終選取0.18mm。

T=0.122·Pt·α·ε-0.5

(1)

式中：T為薄膜應變系數；P為薄膜承受的水壓力，kPa；α為薄膜允許最大拉應力，kg/cm2；ε為正方形孔隙邊長，m。

3)鋪塑位置設計：

防滲體的防滲效果除了和結構、材料等有關外，還和鋪設位置緊密聯系。在此本項目采用試驗法來確定最佳鋪塑位置。

經過實地勘察：蘇庫恰克水庫大壩壩體壩基深度4.0m以下范圍為亞黏土和黏土，滲透系數為2.0×10-7cm/s，可看作是不透水層。鋪塑位置設計為以下兩個方案：①壩腳垂直鋪塑；②壩腳垂直+壩面平鋪，見下圖1[3]。

圖1 壩腳垂直鋪塑(左) 壩腳垂直+壩面平鋪(右)

經過對比：方案①相對于無任何鋪塑處理來說，防滲效果較差，僅能減少滲流量的32%-35%；方案②相對于無任何鋪塑處理來說，防滲效果良好，可減少滲流量的70%以上。因此本項目選擇方案②作為最終鋪塑位置。

2.2 開溝造槽機結構設計分析

垂直鋪塑技術的核心工作就是能否開挖出連續、規則、尺寸合理的溝槽，而開溝造槽機則是專用設備，按照機型不同，一共可分為三大類：往復式、刮板式、旋轉式，這三類開溝造槽機均能滿足黏土、砂礫石地層的開溝造槽工作，但應用最為廣泛的是刮板式，因此本項目選用該形式造槽機，主要結構如下：

2.2.1 破土開溝結構

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刮板式開槽機由鏈架、鏈條、刮刀、輪子、吸砂裝置等組成，具體結構見圖2所示。破土開溝結構包括兩個：一個是利用刮刀將土塊粒刮下并由鏈條帶至地面；另外是利用吸砂裝置將細粒砂土吸出，主要結構設計如下：

1)鏈架優化設計：

刮板式開槽機鏈架+鏈條自重較大，而且鏈條搖晃、抖動比較嚴重，導致輸砂效率較低。本項目設計將鏈架靠近工作面一側做成魚腹形狀，可適應鏈條自然垂度，這一小小改進使鏈條受力更加均勻，輸砂效率提高[5]。

2)刮刀設計：

刮刀作用包括破土和運土，其中坡破土刮刀長度比運土刮刀長3cm左右，直立于刀板之上，其間距根據開槽卵礫石粒徑、含量確定，在一定程度下間距越小，破土能力越強；運土刮刀一半高度設計直立于刮板，另一半存在一定曲率，更適合固定砂土，運土刮刀并不是間距越小越好，經測定本項目最適合間距為0.5m。

2.2.2 吸砂裝置結構優化設計

為了提高開溝效率，本項目設計在鏈架空腔位置多安裝了幾個喇叭形吸口，利用射流泵將小粒徑砂石加工呈糊狀并吸出，效果良好。本項目所用刮板式開溝機其最大開溝深度可達12m，開溝速度3-5m/h，開溝寬度15-30cm[6]。

圖2 刮板式開溝造槽機結構示意圖

3 垂直鋪塑技術應用施工分析

3.1 開溝造槽施工分析

1)場地及機械準備：

由于開槽機整體結構為剛性，因此若受力不均容易造成臂桿彎曲、塌槽等問題，所以對施工場地的平整度、堅實度要求較高。本項目要求開槽機2m范圍內均通過人工整平壓實，必要地段鋪設一層鐵板。此外，要求開工前檢查開槽機各部件(尤其是本項目設計添加部件)是否焊接牢固，環向焊縫貼焊加強板。

2)槽壁穩定措施：

塌槽是最常見的施工問題，為了保證槽壁穩定，常用方法是采用較多的泥漿護壁，即在開槽時，向槽內灌注一定比重泥漿，起到支撐作用。泥漿比重目前沒有明確的計算公式，且根據溝槽深度不同，泥漿比重也需要實時調整。本項目采用(3-1)經驗公式并結合現場試驗確定，具體得到的數據見下表2所示[7]。

(2)

式中：F為安全系數，取值2；r為砂土容重，g/cm3；r1為泥漿比重，g/cm3；φ為砂土內摩擦角，°。

表2 不同深度溝槽泥漿比重適合值

3.2 塑膜鋪設施工分析

1)塑膜鋪設裝置位于開槽機后部，當開槽深度到達設計值后便開始鋪膜施工。本項目鋪膜方式為垂直鋪膜，要求兩幅膜之間搭接寬度≥1.5m，上部預留寬度≥0.5m。塑膜深度控制要求達標，每隔50m寬度探測1次。

2)一捆塑膜鋪設完畢后，與下一捆塑膜采用雙線縫合形式連接，要求重疊寬度≥20cm，縫線連續、均勻。

3)回填溝槽時要求使用粉質土，不得含有雜質、土塊等，并且要求粉質土自然落槽，不得進行人工振搗，經過7d后再進行補填。

3.3 垂直鋪塑防滲效果檢測分析

為了檢測鋪塑防滲效果，在滲漏點較嚴重斷面設置了測壓管，根據測壓管水位變化可間接測出防滲效果，具體對比如表3所示。根據檢測結果可知：鋪膜后測壓管水位普遍降低1.2m以上，有效減小了水頭，而且滲漏量降低至1.6×10-5cm/s，滿足規范要求。

表3 鋪膜前后測壓管水位變化 m

4 結 語

垂直鋪塑防滲技術相對于傳統防滲墻結構，其成本僅為后者的1/5左右，經濟效益顯著，而且施工簡單，特別適合一些高度低、規模小、平原型等中小型水庫壩體、河堤、垃圾填埋場的防滲加固工程。蘇庫恰克水庫大壩經過本次防滲加固后，滲漏量顯著降低，且隨著填土充分吸收水分后，必然還會進一步增加結構體防滲性，因此該技術具有良好的應用前景。