近年來土工膜以其比重小、隔水性好、抗開裂能力強、耐腐蝕、使用壽命長等優(yōu)點,在水利、市政、園林等行業(yè)中得到廣泛應用。水利工程中土工膜防滲效果主要取決于材料選擇、膜的焊接和施工過程的控制。經過對近十座水庫庫底防滲施工的現場調研發(fā)現,隨著土工膜材質提高和焊縫焊接工藝的成熟,大面積鋪設土工膜的施工質量已得到保證,而土工膜與已完建筑物、砌石護坡等結合部位的剛性連接成為防滲治理的關鍵和易忽視的薄弱環(huán)節(jié)。如何改進施工工藝,有效防止結合部位滲漏,徹底解決土工膜的剛性連接質量隱患,成為確保土工膜防滲效果的關鍵。
1 工程概況
萊蕪溝里水庫庫底及庫岸主要為奧陶系下統及中統石炭系巖體,地下存在大量充填或半充填形式的溶洞,溶洞和斷層裂隙發(fā)育,地形復雜多變,地下水位深埋庫底80m 以下,是萊蕪地區(qū)較大漏斗區(qū)的一部分,雖經多次治理,庫底滲漏仍很嚴重,水庫一直無法正常蓄水運行。
本期防滲治理總面積89. 5 萬m2 ,防滲治理方案為庫底采用“兩布一膜”防滲,范圍為北區(qū)202. 0m 高程以下部分和南區(qū)庫底,防滲層結構自上而下分別為：厚0. 1m 砂礫料保護層、厚0. 5m 壤土保護層、重200g/ m2土工布、厚0. 5mmPE-HD 膜、重200g/ m2 土工布、庫區(qū)支持層壓實,其中壤土支持層和保護層壓實度不低于0. 92,砂礫料支持層和保護層相對密度不低于0. 65。
溢洪道進口處下挖整平后,采用混凝土鋪蓋進行防滲,混凝土鋪蓋與庫底防滲土工膜連接,庫岸1: 3斜坡用復合土工膜防滲,與庫底兩布一膜連接形成統一防滲體,上覆50cm 壤土和10cm 砂礫料保護層;庫底、庫岸均設排水排氣溝,溝內埋設螺旋鋼絲骨架的透水軟管,沿水庫中軸線設5 道縱向直徑150mm 的透氣軟管;垂直水庫軸線橫向間隔20m 設直徑80mm 的透氣軟管,接頭部位采用四通接頭;并在庫底溶洞集中區(qū)域水平鋪設一層粗砂墊層,形成一個完整的排水排氣網絡。
2 現狀調查與方案選擇
2. 1 現狀調查
考慮溝里水庫庫底喀斯特地質對水庫蓄水產生的影響,為更好地控制土工膜剛性連接施工質量,施工前建設單位組織參建單位對附近城南水庫、城北水庫、雙泉峪水庫進行實地考察,發(fā)現土工膜剛性連接部位滲漏是造成當地水庫防滲治理工程質量隱患的主要因素之一。本工程剛性連接部位主要包含三處,分別為土工膜與溢洪閘前C25 鋼筋混凝土防滲面板豎向連接、土工膜與溢洪閘前原C25 鋼筋混凝土護底水平連接、土工膜與原大壩砌石護坡豎向連接。
2. 2 滲漏原因分析
目前土工膜與周邊結構物連接防滲處理方式大多采用膨脹螺栓和鋼板壓條錨固,連接部位涂刷乳化瀝青黏結,未形成統一的標準和規(guī)范,造成該部位防滲處理差異大、后期效果不理想。經分析產生滲漏的主要原因包括：ⓐ土工膜與結構物之間黏結不密實,存在滲漏縫隙;ⓑ剛性連接部位滲流路徑長度不夠;ⓒ剛性材料與柔性材料變形不一致;ⓓ結合部位不均勻沉降造成土工膜撕裂。
2. 3 方案選擇
根據土工膜與構筑物的剛性連接部位的特點和水壓力的作用,土工材料選用密度不低于940g/ cm2 ,滲透系數小于10 -13 cm/ s 的PE-HD 膜;長絲針刺土工布密度不低于200g/ m2 ,斷裂強力大于10. 5kN/ m;平面接觸面上增設凹形槽,預埋螺栓,預留變形余量,鋼板錯位緊固,采用專用膠灌縫等,經設計單位滲透試驗驗證,改進措施后剛性連接部位的抗變形破壞能力增強,滲透系數較原來大大降低,土工材料使用壽命延長,防滲效果較好。
3 施工工藝
根據土工膜與剛性連接部位試驗確定的工藝,施工單位會同建設單位、設計單位、監(jiān)理單位,針對本工程土工膜防滲涉及的三處剛性連接部位的特點及材質特性,分別采取相應不同的處理措施,確保達到“零滲透”的目標。具體施工工藝如圖1 所示。
3. 1 配制專用膠
土工膜與剛性部位縫隙常涂刷瀝青專用膠處理,因水壓力和外界溫度等影響,不能保證膠液的密封性和黏結性。通過查找資料,根據相關工藝配制專用膠,主要材料為膏子油、滑石粉、石棉絨等,經檢驗其防水、防滲及黏結效果優(yōu)于瀝青膠,能滿足施工工藝要求。
專用膠經驗證具有以下特點：
a. 黏結牢固且防水防滲,使膜接觸部位安全有效。
b. 柔韌性在-40℃仍不脆、不開裂。
c. 耐熱性：在80℃以下不流淌。
d. 黏結性：與金屬、混凝土、磚瓦、石、玻璃、油氈、木材等能牢固黏結,穩(wěn)定耐久,不剝落,不開裂。
e. 防水性：專用膠不吸水,防水性能良好。
f. 耐堿性：耐堿性不好,遇堿性接觸面會發(fā)硬。
3. 2 土工膜與溢洪閘前C25 鋼筋混凝土防滲面
板豎向連接
原設計中土工膜與溢洪閘前邊墻防滲面板為豎向連接,滲漏隱患較大。為此在連接面增設12cm × 3cm尺寸的齒槽,增加彎曲接觸面,延長滲透路徑,消散降低滲水壓力,從而使土工膜剛性連接達到了理想的防滲效果,消除了質量隱患。施工圖未對鋼板壓條安裝作明確要求,施工前期采用50cm ×10cm ×0. 8cm 尺寸的鋼板壓條,每塊鋼板之間存在5 ~10cm 不等的間距,造成相鄰鋼板壓條緊固后下層橡膠板出現褶皺,層間產生空隙造成滲漏;對鋼板壓條采取緊密搭接方式進行安裝,消除了因擠壓變形產生空隙造成滲漏的現象;同時為避免剛性連接部位地基不均勻沉降導致土工膜撕裂破壞,在土工膜黏接前預留不小于20cm 長度的變形量。具體施工方法如圖2 所示。
a. 預留齒槽：在混凝土結構澆筑前用模板預制出斷面尺寸12cm ×3cm 的齒槽,并每隔20cm 埋置8cm ×15cm 的錨固螺栓。
b. 黏結土工布、土工膜：混凝土結構拆除模板后,對齒槽表面進行平整度檢測,檢測合格后在接觸面涂抹專用膠,進行土工布、土工膜的黏結,黏結順序依次為：接觸面→專用膠→底層土工布→專用膠→土工膜→專用膠→頂層土工布,為保證施工質量,專用膠涂抹時一定要均勻全面,并確保結合面無硬物、雜質等。
c. 鋼板壓條緊固：在安裝鋼板壓條前先安裝12cm×2cm 尺寸的橡膠壓條,安裝鋼板壓條時要求壓條之間應緊密連接;在使用螺母緊固壓板時,在螺柱上涂抹一層專用膠以消除螺母與螺柱之間的空隙;緊固螺母時分兩序進行(即隔一個緊一個,之后再緊中間剩余的螺栓),分序緊固確保鋼板受力的均勻性,使鋼板與混凝土結構之間的空氣全部排除。
d. 專用膠灌縫：為進一步消除土工膜剛性連接部位滲水隱患,在鋼板壓條緊固完成后,采用專用膠對鋼板與齒槽間的縫隙進行灌縫處理。
e. 保護層回填：連接部位施工完成后進行膜上保護層回填,回填采用50cm 壤土,10cm 卵石,回填時壤土保護層注意不能含石塊、樹根等尖銳物。保護層主要起保護土工膜、防止?jié)B漏的作用;卵石保護層主要防止水流沖刷。
3. 3 土工膜與溢洪閘前護底水平連接
土工膜與溢洪閘前防滲護底連接部位為水平連接,綜合考慮施工時間、人力投入、施工難度,最終將齒槽設置在原護底邊緣的地面上,并在護底邊緣位置切割出斷面尺寸20cm × 10cm 的凹槽作為土工膜與護底連接的平臺,見圖3。在土工膜黏接緊固后采用C25混凝土澆筑至原護底高程,從而達到對接縫處的二次封堵,既避免了接縫處直接受水壓力的影響,又消除了鋼板壓片直接與水接觸而產生銹蝕破壞的隱患。
3. 4 土工膜與原壩體砌石豎向連接
土工膜與壩體砌石護坡連接時在距壩腳2m 處進行深埋處理。根據現場情況,壩腳干砌石首先用M10砂漿灌縫抹面處理,再用C25 混凝土做25cm 寬連接平臺并預埋螺栓,涂刷專用膠進行土工膜黏結,壓鋼板后再回填50cm 壤土保護層,并在其上游鋪蓋部位設置一
道齒槽,埋下折曲的土工膜,預留20cm 變形伸縮量,防止結合部位不均勻沉降變形破壞。具體如圖4 所示。
3. 5 效果檢驗
2017 年7 月末汛期水庫開始蓄水,庫區(qū)二壩下游共完成約28 萬m2 庫底防滲施工,最大蓄水量約218. 6萬m3 ,最大蓄水深度6. 46m。期間為檢驗鋪膜質量,采用水下檢測船和GPS 對蓄水區(qū)域進行檢測,汛期內共蓄水13 天,在蓄水期間未發(fā)現冒泡、漩渦等現象,經測算庫區(qū)滲漏量符合設計和規(guī)范要求。隨后將庫區(qū)蓄水全部放空,檢查已完成的土工膜剛性連接的部位,未發(fā)現塌坑、裂縫、變形等質量缺陷。
通過2017 年汛期蓄水驗證,施工單位將該施工工藝運用于后續(xù)施工的多處剛性連接部位,分別為土工膜與溢流堰連接、土工膜與高壓線塔基座連接、土工膜與圓柱形橋墩連接。在土工膜與圓柱形橋墩連接時,根據現場情況及結構特性又對施工工藝進行適當調整,最終達到防滲效果,具體措施如下：
由于該橋墩為圓柱形,直接在墩切割凹槽易對橋墩內部結構造成損壞,對橋梁的安全運行造成影響。由于接觸面為曲面,增加了施工難度,不能有效地保證連接部位的密封性。經研究決定采用C25 鋼筋混凝土對同跨橋墩進行包固,包固長度和寬度分別為19. 4m和2. 6m,高度為0. 65m。土工膜與包固混凝土連接,包固混凝土澆筑時在土工膜剛性連接部位預留凹槽。通過增加包固增強了橋墩的穩(wěn)定性能,并且有效杜絕
了土工膜剛性連接部位的滲漏隱患;澆筑前需對地基做夯實處理,確保地基的穩(wěn)定性。
2018 年8 月初完工后的水庫因汛期降雨庫區(qū)內開始大面積蓄水,最大蓄水量約560 萬m3 ,最大蓄水深度9. 02m,截至2018 年8 月24 日,經巡視、檢查,未發(fā)現冒泡、漩渦等滲漏現象,庫區(qū)滲漏量值滿足設計和規(guī)范要求。
4 效益分析與評價
4. 1 社會效益
通過改進土工膜剛性連接施工工藝,有效解決了結合部位土工膜防滲施工中易滲漏的質量隱患問題,確保了庫區(qū)防滲治理的效果,得到當地水利主管部門、業(yè)主、設計、監(jiān)理等單位的一致認可,為土工膜在不同環(huán)境中推廣應用提供了條件;同時徹底消除了庫底滲水對附近南冶煤礦造成的安全隱患;水庫正常蓄水運行解決了當地生產、生活缺水的問題,促進了當地經濟的發(fā)展;當地政府加大溝里水庫周邊生態(tài)治理,興建水利風景區(qū),帶動了當地旅游業(yè)的發(fā)展。
4. 2 技術效益
該工藝規(guī)范了土工膜剛性連接部位施工,首次提出在土工膜剛性連接部位增設凹形齒槽,延長了滲流路徑;根據工程特點配制了專用膠,分層涂刷,增大了結合面各層間的黏結力和密封性;螺栓外表面刷膠及混凝土密封等,增加了結合部位的整體性,延長了使用壽命;增設土工膜預沉量,防止結合部位不均勻沉降破壞。
整理編制了土工膜剛性連接施工工藝,繪制了土工膜剛性連接施工工藝流程圖,在當地水利行業(yè)推廣,為類似工程提供借鑒經驗;施工可操直徑10. 8m。豎井內設置內徑9. 2m 的引水壓力鋼管,鋼管與巖壁之間采用C20 混凝土回填。受F54 斷層及影響帶、節(jié)理裂隙發(fā)育的泥化夾層、45 號安山斑巖巖脈影響,引水豎井工程地質條件極其復雜。
本工法于2013 年9 月在1 號豎井工程得到應用驗證,效果良好,順利完成了高程74. 5 ~62. 5m 塌方段開挖支護施工。經監(jiān)測,目前1 號引水豎井工程運行
正常。
11. 2 應用實例2
江蘇溧陽抽水蓄能電站2 號引水豎井深172m,豎井頂部高程127m,底部高程- 45m,設計開挖直徑10. 8m。豎井內設置內徑9. 2m 的引水壓力鋼管,鋼管與巖壁之間采用C20 混凝土回填。受F54 斷層及影響帶、節(jié)理裂隙發(fā)育的泥化夾層、45 號安山斑巖巖脈影響,2 號引水豎井工程地質條件極其復雜。
施工中,在半徑5. 6m 已滑塌豎井內采用正井法開挖施工,井壁無法自穩(wěn),采用豎向超前小導管灌漿與滑塌體水泥灌漿固結相結合的加固方式,與井壁松散巖塊在開挖邊線外形成薄壁殼體結構,保證滑塌體不隨開挖出現二次滑塌。在開挖出渣完成后,測量人員入井檢查,在對欠挖部位處理完成后,支護人員安裝鋼筋網、鋼拱架,施工下循環(huán)超前小導管及系統錨桿,進行混凝土噴護。如開挖過程中井壁巖塊出現大范圍松散情況,在本循環(huán)噴錨完成后,立即利用預埋的注漿管進行水泥灌漿。每進尺15m,進行一次鋼筋混凝土圈梁澆筑,等強后,吊運CM351 履帶潛孔鉆入井,通過預留的管孔施工錨筋樁。通過混凝土圈梁、錨筋樁并結合原有的支護體系,共同加強豎井支護體的穩(wěn)定性。
應用本工法,順利完成了2 號引水豎井開挖支護施工,較計劃工期提前3 天,效益顯著。經檢測,目前2號引水豎井工程運行正常。
參考文獻
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