朱 武

復(fù)合土工膜在高土石壩施工中的應(yīng)用研究

朱 武

（九江市河道湖泊管理局，江西 九江 332000）

以江西省某水電站施工建設(shè)為例，將復(fù)合土工膜應(yīng)用于黏土心墻及上下游圍堰中。在施工前試驗(yàn)測定復(fù)合土工膜相關(guān)力學(xué)性能，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)比確定鋪設(shè)復(fù)合土工膜施工過程中的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于施工過程中質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行把控，加強(qiáng)質(zhì)量檢測，保證復(fù)合土工膜在水利工程中發(fā)揮效用，提升壩體防滲防變形性能。

復(fù)合土工膜；高土石壩；質(zhì)量控制；質(zhì)量檢測

復(fù)合土工膜由于具有防水防滲、抗老化、高穩(wěn)定的化學(xué)性、高彈性、適應(yīng)變形的優(yōu)勢，在水利工程中廣泛應(yīng)用，其主要構(gòu)成是土工織物和土工膜復(fù)合而成的。在水利工程中雖有應(yīng)用先例，但大部分是基于公路建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于應(yīng)用于水利工程中研究尚淺，未充分發(fā)揮其作用。研究復(fù)合土工膜在高土石壩施工中斷應(yīng)用，豐富完善了復(fù)合土工膜的應(yīng)用技術(shù)，為類似施工提供參考。

對(duì)于復(fù)合土工膜的應(yīng)用，國內(nèi)土木工作者也不斷努力研究。程鯤［1］等人為了深入了解復(fù)合土工膜的防滲機(jī)理及防滲效果的探究，應(yīng)用有限元的方法進(jìn)行滲流分析。岑威鈞［2］等人針對(duì)復(fù)合土工膜和防滲墻的受力特性進(jìn)行研究，并進(jìn)行敏感性分析，尋找最佳應(yīng)用的壩型。沈振中［3］等人借助非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流理論與 Galerkin有限元法，，搭構(gòu)三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析復(fù)合土工膜的防滲特性。張光偉［4-5］等人通過室內(nèi)室外的復(fù)合土工膜滲透性試驗(yàn)，探究滲透系數(shù)與滲透壓、滲透壓應(yīng)力路徑的函數(shù)關(guān)系。李波、楊昕光、徐晗［6-8］等人以實(shí)際水利工程進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，探究復(fù)合土工膜的受力性狀，分析其防滲特性機(jī)理。

本文以江西省某水電站施工建設(shè)為例，將復(fù)合土工膜應(yīng)用于黏土心墻及上下游圍堰中。從施工前試驗(yàn)測定復(fù)合土工膜相關(guān)力學(xué)性能到設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)比確定焊接土工膜的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于施工過程中質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行把控，提升施工質(zhì)量，加強(qiáng)質(zhì)量檢測，以期完善復(fù)合土工膜在水利工程領(lǐng)域應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某水電站是江西省贛州市重點(diǎn)水利工程，位于某縣縣城西側(cè)20km處。水電站設(shè)計(jì)庫容量是3億m3，調(diào)節(jié)庫容是2500萬 m3，正常蓄水位是1478m，其裝機(jī)總規(guī)模是100萬 kW，年均發(fā)電量可達(dá)200億kW·h，將為贛州市內(nèi)覆12個(gè)區(qū)縣供電。水電站主要建筑物有：混凝土黏土心墻堆石壩壩、引水發(fā)電建筑物、廠區(qū)建筑物、泄洪洞等。黏土心墻堆石壩最高處為85m，壩頂長度是535m，堰高最大是45m，堰頂長度是 400m，堰頂寬度是12.5m。

本水電站的黏土心墻與上游圍堰擋水面采用復(fù)合土工膜，提升其防滲性能。其具體應(yīng)用位置為：在黏土心墻的復(fù)合土工膜應(yīng)用于心墻底部與墊層料中間，右岸位于樁號(hào)0+500處，左岸位于0+100處，上下游位于黏土心墻底部邊界處，中間層鋪設(shè)到灌漿廊道，總共面積大致5萬m2；上游圍堰復(fù)合土工膜主要位于圍堰擋水面的墊層料和噴射混凝土中間，其面積大約為3萬m2。

2 試驗(yàn)研究

為了能夠在水利施工建設(shè)中更好的應(yīng)用復(fù)合土工膜，對(duì)復(fù)合土工膜的相關(guān)性能通過試驗(yàn)方式進(jìn)行全面掌握。

2.1 復(fù)合土工膜的性能

復(fù)合土工膜具有很好的彈性、較好的變形能力，這種性能可以有效應(yīng)對(duì)膨脹、收縮等現(xiàn)象，彌補(bǔ)基面的不均衡沉降。本水電站壩體采用二布一膜形式的復(fù)合土工膜，通過試驗(yàn)測得其力學(xué)性能概況見表1。

表1 復(fù)合土工膜的力學(xué)性能概況

通過表1中檢測數(shù)據(jù)，與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，該工程應(yīng)用的復(fù)合土工膜的力學(xué)性能均復(fù)合設(shè)計(jì)要求。

2.2 復(fù)合土工膜焊接試驗(yàn)及相關(guān)參數(shù)標(biāo)定

為了提升復(fù)合土工膜的防滲功能，首先要通過復(fù)合土工膜的焊接試驗(yàn)后，才能在水利工程中進(jìn)行鋪設(shè)。本水電站應(yīng)用雙峰熱合焊接方式來實(shí)現(xiàn)土工膜的連接。選取一塊平整且足夠大的場地進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并將所需要的復(fù)合土工膜進(jìn)行剪裁，其試件的規(guī)格為：長2m，寬1m的矩形。試件橫向搭接，其搭接寬度是15cm，復(fù)合土工膜的焊接溫度是500℃。依次改變焊接機(jī)的走行速度，形成3種焊接方案，各方案的走行速度依次是1.2m/min、1.6m/min、2.4m/min。按照3種方案，焊接3個(gè)試件，首先對(duì)3個(gè)焊接好的試件實(shí)進(jìn)行檢測，包括撕扯、充氣、目測等，對(duì)焊接好的試件通過相同的拉伸試驗(yàn)測定其力學(xué)性能，具體情況見表2。

表2 復(fù)合土工膜焊接檢測試驗(yàn)結(jié)果

通過表2中的數(shù)據(jù)，不難看出方案1、2復(fù)合土工膜焊接質(zhì)量良好，滿足工程質(zhì)量要求及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此該工程復(fù)合土工膜焊接溫度是500，焊接機(jī)移動(dòng)速度是1.2～1.6m/min，其搭接寬度是15cm。

2.3 復(fù)合土工膜與土體摩擦性能試驗(yàn)

為全面掌握復(fù)合土工膜與心墻、砂礫石料的摩擦性能，分別對(duì)復(fù)合土工膜和心墻、砂礫石料兩者間進(jìn)行界面摩擦直剪試驗(yàn)。制作試驗(yàn)樣件，其規(guī)格是底面邊長300mm的正方形，高度是150mm。人為給定界面摩擦直剪試驗(yàn)的界面應(yīng)力發(fā)生改變，其值 依 次 為 100kPa、 200kPa、 300kPa、 400kPa、500kPa，其控制方式選用應(yīng)變控制方式，水平位移速度保持在1mm/min。為提升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，避免因復(fù)合土工膜與下盒之間的打滑干擾試驗(yàn)結(jié)果，待復(fù)合土工膜和下盒粘結(jié)為一體后再進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 土工膜和心墻黏土、砂礫料直剪摩擦試驗(yàn)結(jié)果

通過表3中的數(shù)據(jù)，不難看出，墊層砂礫石料與復(fù)合土工膜的界面摩擦強(qiáng)度達(dá)到19.6kPa，其摩擦性能良好，很難產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，復(fù)合土工膜與其接觸料可以相互協(xié)調(diào)，提升其抗變形能力。

3 施工工藝及質(zhì)量把控

3.1 土工膜鋪設(shè)施工

復(fù)合土工膜鋪設(shè)施工大致分為以下5個(gè)階段：施工前期準(zhǔn)備、場地清掃、水壩墊層施工、鋪設(shè)復(fù)合土工膜、覆蓋層施工。其具體工藝流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合土工鋪設(shè)施工流程

3.1.1 施工前期準(zhǔn)備

施工前期準(zhǔn)備，主要是指材料及設(shè)備的準(zhǔn)備。其復(fù)合土工膜及基底清理、鋪設(shè)等相關(guān)設(shè)備的選購必須結(jié)合施工現(xiàn)場條件及施工成本綜合考慮后決定，并且在購買后必須進(jìn)行檢測或者試驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)合格后方能使用。

3.1.2 場地清掃

在水壩墊層施工前，必須對(duì)墊層基底進(jìn)行清掃，其主要是清除場地雜物、浮土、積水、碾壓平整場地，保證場地平整、干凈、壓實(shí)度復(fù)合施工要求。在場地清掃完畢后，待相關(guān)單位檢驗(yàn)合格后方能進(jìn)行下一個(gè)施工工序。

3.1.3 水壩墊層施工

水壩墊層施工，主要是在水壩地基層鋪筑規(guī)定的石料，并進(jìn)行碾壓，達(dá)到設(shè)計(jì)的平整度、壓實(shí)度、顆粒級(jí)配等相關(guān)參數(shù)要求，待相關(guān)單位檢驗(yàn)合格后方能進(jìn)行下一個(gè)施工工序。

3.1.4 鋪設(shè)復(fù)合土工膜

復(fù)合土工膜鋪設(shè)主要包括3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：鋪設(shè)、膜與膜連接、膜與心墻連接。分別就這3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述。

（1）復(fù)合土工膜鋪設(shè)

復(fù)合土工膜鋪設(shè)對(duì)天氣要求較高，避免在雨雪天、高溫、低溫條件下施工，應(yīng)選擇天氣晴好，無風(fēng)條件下進(jìn)行。復(fù)合土工膜鋪設(shè)選用波浪形松弛方式，其富余度2%左右，攤開后應(yīng)保證其平整無褶皺為準(zhǔn)，且復(fù)合土工膜與墊層面密貼。在鋪設(shè)過程中，鋪設(shè)人員應(yīng)避免對(duì)復(fù)合土工膜造成損壞，盡量穿平底布鞋為宜，同時(shí)避免車輛駛過，發(fā)現(xiàn)復(fù)合土工膜有破損，及時(shí)補(bǔ)修。

（2）復(fù)合土工膜連接

復(fù)合土工膜連接，主要是指土工布縫合與土工膜焊接。復(fù)合土工膜與水流方向垂直，且為了提升防滲功能，上游土工膜應(yīng)壓住下游土工膜。土工布縫合時(shí)應(yīng)考慮到后期土工膜焊接工序，其搭接寬度應(yīng)略大于焊接搭接寬度，本工程取18cm?？p合針距不宜過大，應(yīng)控制在5mm左右。為了保證縫合質(zhì)量，其縫合順序是下層土工布縫好后，焊接土工膜，再縫合上層土工布。土工布縫合與土工膜焊接相互協(xié)調(diào)。土工布縫合要均勻，保證縫合好后受力均勻。土工膜焊接前，對(duì)土工膜進(jìn)行清理，保證膜面整潔。根據(jù)實(shí)際情況選用合適的焊接機(jī)的走行速度、焊接溫度，并隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證焊接質(zhì)量。復(fù)合土工膜搭接寬度15cm，保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，盡量提高焊接效率。

（3）復(fù)合土工膜與心墻連接

復(fù)合土工膜與心墻連接主要借助膨脹螺栓、扁鋼實(shí)現(xiàn)。廊道墻體表面處理平整，按照設(shè)計(jì)在墻體表面鉆孔及埋設(shè)膨脹螺栓，并按設(shè)計(jì)要求在廊道墻體和復(fù)合土工膜間安裝橡膠墊層。扁鋼同樣根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)進(jìn)行鉆孔。土工膜與橡膠墊層密貼后裝扁鋼，擰緊螺絲，實(shí)現(xiàn)連接。

復(fù)合土工膜鋪設(shè)完成后，相關(guān)單位檢測合格后方可進(jìn)入下一個(gè)施工工序。

3.1.5 覆蓋層施工

復(fù)合土工膜鋪設(shè)完成后，及時(shí)進(jìn)行鋪蓋層施工，保證復(fù)合土工膜的防滲抗變形功能。覆蓋層的填筑材料選用高塑性黏土。此工藝分為兩個(gè)施工工序，依次是第一層黏土填筑、第二層黏土填筑。第一層黏土料，借助進(jìn)占法，人工平料為主，裝載機(jī)作為輔助工具，當(dāng)?shù)谝粚愉佒穸葹?.3m時(shí)，利用自行式平碾靜碾方式進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，待檢測合格后方可進(jìn)行第二層鋪筑。第二層鋪筑高度達(dá)到1m后，利用振動(dòng)凸碾進(jìn)行壓實(shí)，其壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后采用正常碾壓方式進(jìn)行碾壓。

3.2 施工質(zhì)量控制與檢測

3.2.1 施工質(zhì)量控制

工程質(zhì)量的保證主要靠施工期間質(zhì)量控制來實(shí)現(xiàn)。施工質(zhì)量控制主要包括施工前期準(zhǔn)備與施工過程中的控制。

（1）施工前期準(zhǔn)備

施工前期準(zhǔn)備主要是指施工材料及施工設(shè)備的采購，對(duì)于采購的施工材料及設(shè)備必須進(jìn)行檢測試驗(yàn)，其各技術(shù)指標(biāo)合格后方可投入使用，對(duì)于不符合規(guī)定的拒絕使用。

（2）施工過程中

施工過程中，復(fù)合土工膜鋪設(shè)質(zhì)量直接影響著這個(gè)工程質(zhì)量，重點(diǎn)把控施工過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，其重要內(nèi)容如下。

基底清掃必須認(rèn)真，墊層碾壓密實(shí)平整。復(fù)合土工膜在鋪設(shè)前認(rèn)真檢查，是否有破損，如有破損及時(shí)修補(bǔ)；鋪設(shè)復(fù)合土工膜必須保證無褶皺，松緊合適，避免架空凸起現(xiàn)象；土工膜焊接前必須進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)焊接過程中可能發(fā)生的情況做到預(yù)判，焊接參數(shù)了解；焊接人員必須經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)合格后才能進(jìn)行焊接工作；對(duì)于復(fù)合土工膜焊接的搭接寬度，必須有專人進(jìn)行檢測，保證搭接寬度在15cm以上；土工膜焊接必須嚴(yán)格按照焊接順序進(jìn)行，并且派專人對(duì)焊接前的土工膜表面進(jìn)行清理，保證其整潔；焊接過程中時(shí)刻關(guān)注天氣變化，考慮外界環(huán)境變化對(duì)焊接溫度、焊接速度的影響，及時(shí)調(diào)整。

3.2.2 施工質(zhì)量檢測

施工質(zhì)量檢測，主要包括以下4個(gè)方面。

（1）焊縫現(xiàn)場外觀質(zhì)量檢測

對(duì)于焊接好的復(fù)合土工膜焊縫進(jìn)行目測，焊縫痕跡均勻整齊，且無虛焊、燙損等現(xiàn)象才屬于合格，任何一項(xiàng)不是上述現(xiàn)象均為不合格焊接。

（2）焊縫撕拉檢測

復(fù)合土工膜焊接完一面時(shí)，應(yīng)派專人進(jìn)行撕拉檢測，其用力應(yīng)保證均勻適度，若出現(xiàn)漏焊、虛焊，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)修。

（3）焊縫充氣檢測

焊縫充氣檢測需要將檢測段兩端進(jìn)行融合封閉，檢測段隨機(jī)選取。選用專用氣壓式檢測儀，其針頭平行插入焊縫空腔一端，避免損傷其他部位，針孔處用快干膠水封堵。把檢測儀壓力升至0.5MPa后進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)5min，再次查看壓力值，壓力值低于0.45mpa為不合格。

（4）焊縫拉伸檢測

復(fù)合土工膜焊縫隨機(jī)取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，截取長度為1.2m，寬度0.4m的焊縫進(jìn)行裁剪，制作成8個(gè)試驗(yàn)樣本，樣本大小為20cm的正方形。對(duì)8個(gè)試驗(yàn)樣本進(jìn)拉伸試驗(yàn)，斷裂點(diǎn)大于6個(gè)及以上在母材上時(shí)，說明焊縫合格，否則不合格。

4 結(jié)語

該水利工程自2015年8月份建成后，經(jīng)過專家評(píng)審，工程質(zhì)量完全達(dá)標(biāo)，并于10月份投入使用。至今已平穩(wěn)運(yùn)行16個(gè)月，大壩未出現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象，后期跟蹤監(jiān)測，一切運(yùn)行正常。在本次施工中采用復(fù)合土工膜技術(shù)，節(jié)約了施工成本，保證了工程質(zhì)量，為類似水利工程建設(shè)提供時(shí)間性經(jīng)驗(yàn)。

［1］程鯤，王黨在.復(fù)合土工膜土石壩滲流分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2005（01）：41-44.

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TV441

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1008-1305（2017）05-0129-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.040

2017-03-22

朱 武（1971年—），男，工程師。