近年來土工膜以其比重小、隔水性好、抗開裂能力強(qiáng)、耐腐蝕、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),在水利、市政、園林等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)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(jīng)過對近十座水庫庫底防滲施工的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),隨著土工膜材質(zhì)提高和焊縫焊接工藝的成熟,大面積鋪設(shè)土工膜的施工質(zhì)量已得到保證,而土工膜與已完建筑物、砌石護(hù)坡等結(jié)合部位的剛性連接成為防滲治理的關(guān)鍵和易忽視的薄弱環(huán)節(jié)。如何改進(jìn)施工工藝,有效防止結(jié)合部位滲漏,徹底解決土工膜的剛性連接質(zhì)量隱患,成為確保土工膜防滲效果的關(guān)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(tǒng)及中統(tǒng)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(fù)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(jīng)多次治理,庫底滲漏仍很嚴(yán)重,水庫一直無法正常蓄水運(yùn)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(jié)構(gòu)自上而下分別為：厚0. 1m 砂礫料保護(hù)層、厚0. 5m 壤土保護(hù)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(shí),其中壤土支持層和保護(hù)層壓實(shí)度不低于0. 92,砂礫料支持層和保護(hù)層相對密度不低于0. 65。
溢洪道進(jìn)口處下挖整平后,采用混凝土鋪蓋進(jìn)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(fù)合土工膜防滲,與庫底兩布一膜連接形成統(tǒng)一防滲體,上覆50cm 壤土和10cm 砂礫料保護(hù)層;庫底、庫岸均設(shè)排水排氣溝,溝內(nèi)埋設(shè)螺旋鋼絲骨架的透水軟管,沿水庫中軸線設(shè)5 道縱向直徑150mm 的透氣軟管;垂直水庫軸線橫向間隔20m 設(shè)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(shè)一層粗砂墊層,形成一個完整的排水排氣網(wǎng)絡(luò)。
2 現(xiàn)狀調(diào)查與方案選擇
2. 1 現(xiàn)狀調(diào)查
考慮溝里水庫庫底喀斯特地質(zhì)對水庫蓄水產(chǎn)生的影響,為更好地控制土工膜剛性連接施工質(zhì)量,施工前建設(shè)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(jìn)行實(shí)地考察,發(fā)現(xiàn)土工膜剛性連接部位滲漏是造成當(dāng)?shù)厮畮旆罎B治理工程質(zhì)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(hù)底水平連接、土工膜與原大壩砌石護(hù)坡豎向連接。
2. 2 滲漏原因分析
目前土工膜與周邊結(jié)構(gòu)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(jié),未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,造成該部位防滲處理差異大、后期效果不理想。經(jīng)分析產(chǎn)生滲漏的主要原因包括：ⓐ土工膜與結(jié)構(gòu)物之間黏結(jié)不密實(shí),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(jié)合部位不均勻沉降造成土工膜撕裂。
2. 3 方案選擇
根據(jù)土工膜與構(gòu)筑物的剛性連接部位的特點(diǎn)和水壓力的作用,土工材料選用密度不低于940g/ cm2 ,滲透系數(shù)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(qiáng)力大于10. 5kN/ m;平面接觸面上增設(shè)凹形槽,預(yù)埋螺栓,預(yù)留變形余量,鋼板錯位緊固,采用專用膠灌縫等,經(jīng)設(shè)計(jì)單位滲透試驗(yàn)驗(yàn)證,改進(jìn)措施后剛性連接部位的抗變形破壞能力增強(qiáng),滲透系數(shù)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(jù)土工膜與剛性連接部位試驗(yàn)確定的工藝,施工單位會同建設(shè)單位、設(shè)計(jì)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(diǎn)及材質(zhì)特性,分別采取相應(yīng)不同的處理措施,確保達(dá)到“零滲透”的目標(biāo)。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(jié)性。通過查找資料,根據(jù)相關(guān)工藝配制專用膠,主要材料為膏子油、滑石粉、石棉絨等,經(jīng)檢驗(yàn)其防水、防滲及黏結(jié)效果優(yōu)于瀝青膠,能滿足施工工藝要求。
專用膠經(jīng)驗(yàn)證具有以下特點(diǎn)：
a. 黏結(jié)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(jié)性：與金屬、混凝土、磚瓦、石、玻璃、油氈、木材等能牢固黏結(jié),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(shè)計(jì)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(shè)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(dá)到了理想的防滲效果,消除了質(zhì)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(xiàn)褶皺,層間產(chǎn)生空隙造成滲漏;對鋼板壓條采取緊密搭接方式進(jìn)行安裝,消除了因擠壓變形產(chǎn)生空隙造成滲漏的現(xiàn)象;同時為避免剛性連接部位地基不均勻沉降導(dǎo)致土工膜撕裂破壞,在土工膜黏接前預(yù)留不小于20cm 長度的變形量。具體施工方法如圖2 所示。
a. 預(yù)留齒槽：在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑前用模板預(yù)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(jié)土工布、土工膜：混凝土結(jié)構(gòu)拆除模板后,對齒槽表面進(jìn)行平整度檢測,檢測合格后在接觸面涂抹專用膠,進(jìn)行土工布、土工膜的黏結(jié),黏結(jié)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(zhì)量,專用膠涂抹時一定要均勻全面,并確保結(jié)合面無硬物、雜質(zhì)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(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)之間的空氣全部排除。
d. 專用膠灌縫：為進(jìn)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(jìn)行灌縫處理。
e. 保護(hù)層回填：連接部位施工完成后進(jìn)行膜上保護(hù)層回填,回填采用50cm 壤土,10cm 卵石,回填時壤土保護(hù)層注意不能含石塊、樹根等尖銳物。保護(hù)層主要起保護(hù)土工膜、防止?jié)B漏的作用;卵石保護(hù)層主要防止水流沖刷。
3. 3 土工膜與溢洪閘前護(hù)底水平連接
土工膜與溢洪閘前防滲護(hù)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(shè)置在原護(hù)底邊緣的地面上,并在護(hù)底邊緣位置切割出斷面尺寸20cm × 10cm 的凹槽作為土工膜與護(hù)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(hù)底高程,從而達(dá)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(chǎn)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(hù)坡連接時在距壩腳2m 處進(jìn)行深埋處理。根據(jù)現(xiàn)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(yù)埋螺栓,涂刷專用膠進(jìn)行土工膜黏結(jié),壓鋼板后再回填50cm 壤土保護(hù)層,并在其上游鋪蓋部位設(shè)置一
道齒槽,埋下折曲的土工膜,預(yù)留20cm 變形伸縮量,防止結(jié)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(yàn)
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(yàn)鋪膜質(zhì)量,采用水下檢測船和GPS 對蓄水區(qū)域進(jìn)行檢測,汛期內(nèi)共蓄水13 天,在蓄水期間未發(fā)現(xiàn)冒泡、漩渦等現(xiàn)象,經(jīng)測算庫區(qū)滲漏量符合設(shè)計(jì)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(xiàn)塌坑、裂縫、變形等質(zhì)量缺陷。
通過2017 年汛期蓄水驗(yàn)證,施工單位將該施工工藝運(yùn)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(jù)現(xiàn)場情況及結(jié)構(gòu)特性又對施工工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,最終達(dá)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(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損壞,對橋梁的安全運(yùn)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(jīng)研究決定采用C25 鋼筋混凝土對同跨橋墩進(jìn)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(yù)留凹槽。通過增加包固增強(qiáng)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(shí)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(nèi)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(jīng)巡視、檢查,未發(fā)現(xiàn)冒泡、漩渦等滲漏現(xiàn)象,庫區(qū)滲漏量值滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。
4 效益分析與評價
4. 1 社會效益
通過改進(jìn)土工膜剛性連接施工工藝,有效解決了結(jié)合部位土工膜防滲施工中易滲漏的質(zhì)量隱患問題,確保了庫區(qū)防滲治理的效果,得到當(dāng)?shù)厮鞴懿块T、業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理等單位的一致認(rèn)可,為土工膜在不同環(huán)境中推廣應(yīng)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(yùn)行解決了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活缺水的問題,促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展;當(dāng)?shù)卣哟鬁侠锼畮熘苓吷鷳B(tài)治理,興建水利風(fēng)景區(qū),帶動了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。
4. 2 技術(shù)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(shè)凹形齒槽,延長了滲流路徑;根據(jù)工程特點(diǎn)配制了專用膠,分層涂刷,增大了結(jié)合面各層間的黏結(jié)力和密封性;螺栓外表面刷膠及混凝土密封等,增加了結(jié)合部位的整體性,延長了使用壽命;增設(shè)土工膜預(yù)沉量,防止結(jié)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(dāng)?shù)厮袠I(yè)推廣,為類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn);施工可操直徑10. 8m。豎井內(nèi)設(shè)置內(nèi)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(zhì)條件極其復(fù)雜。
本工法于2013 年9 月在1 號豎井工程得到應(yīng)用驗(yàn)證,效果良好,順利完成了高程74. 5 ~62. 5m 塌方段開挖支護(hù)施工。經(jīng)監(jiān)測,目前1 號引水豎井工程運(yùn)行
正常。
11. 2 應(yīng)用實(shí)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(shè)計(jì)開挖直徑10. 8m。豎井內(nèi)設(shè)置內(nèi)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(zhì)條件極其復(fù)雜。
施工中,在半徑5. 6m 已滑塌豎井內(nèi)采用正井法開挖施工,井壁無法自穩(wěn),采用豎向超前小導(dǎo)管灌漿與滑塌體水泥灌漿固結(jié)相結(jié)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(jié)構(gòu),保證滑塌體不隨開挖出現(xiàn)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(hù)人員安裝鋼筋網(wǎng)、鋼拱架,施工下循環(huán)超前小導(dǎo)管及系統(tǒng)錨桿,進(jìn)行混凝土噴護(hù)。如開挖過程中井壁巖塊出現(xiàn)大范圍松散情況,在本循環(huán)噴錨完成后,立即利用預(yù)埋的注漿管進(jìn)行水泥灌漿。每進(jìn)尺15m,進(jìn)行一次鋼筋混凝土圈梁澆筑,等強(qiáng)后,吊運(yùn)CM351 履帶潛孔鉆入井,通過預(yù)留的管孔施工錨筋樁。通過混凝土圈梁、錨筋樁并結(jié)合原有的支護(hù)體系,共同加強(qiáng)豎井支護(hù)體的穩(wěn)定性。
應(yīng)用本工法,順利完成了2 號引水豎井開挖支護(hù)施工,較計(jì)劃工期提前3 天,效益顯著。經(jīng)檢測,目前2號引水豎井工程運(yùn)行正常。
參考文獻(xiàn)
[1] DL/ T 5099—2011 水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國電力出版社,2011.
[2] DL/ T 5407—2009 水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2009.
[3] SL 714—2015 水利水電工程施工安全防護(hù)設(shè)施技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社,2015.
[4] SL 398—2007 水利水電工程施工通用安全技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社,
山東水利建設(shè)集團(tuán)有限公司, 山東濟(jì)寧孟凡軍 賀 喜 孫 亮
