新型防渗材料在土石坝工程中的应用

摘要:通过在土石坝工程中不断探索和推广应用新型的防渗材料、 防渗技术、 新的防渗工艺,可以提高工程质量、提高土石坝工程建设管理和施工水平,通过在工程建设过程中应用新型防渗材料效果非常显著,取得了较好的效果。

关键词：土石坝 新型 效果

中图分类号：TU592 文献标识码：A

0前言

在分析我国许许多多的土石坝及水库病险问题时, 遇到的水的渗漏问题最为严重。据 1981 年的统计资料,我国241座大型水库发生的每1000次事故统计中,由于坝体发生渗流破坏而造成的安全事故占总事故数的32%；对2391座水库失事的原因进行分析,由于坝体渗流而产生渗透破坏造成土坝垮塌的占到29%。因此,为确保水库大坝安全, 必须深入研究渗流问题,从而设计有效的能控制渗流的方法是十分必要的。早在1910年, 英国科学家布莱就已经提出了可通过延长渗径长度来达到控制渗流的目的, 1922 年太沙基又提出采用反滤层的方法保护渗流出口,在渗流可能的出口处设置反滤层来控制渗流,采用防渗和导渗相结合的方法, 使防渗理论进一步完善, 随着近年来大量病险水库的除险加固,我国 已在土石坝防渗这一领域积累了比较丰富的经验，发展了一批新的技术，采用了一些新的防渗材料。目前, 伴随着新技术、新工艺、新材料的不断涌现,土石坝防渗技术也在不断地改进, 这些新技术的发展与应用使得土石坝工程能够更好地发挥其防洪与兴利的双重功效,更好地服务于国民经济建设。

1新型防渗技术

1.1混凝土防渗墙防渗技术

混凝土防渗墙是采用在松散透水的地基中或土石坝坝体中采用连续造孔成槽的方式,再用泥浆固壁, 并在泥浆下浇筑混凝土而筑成的地下连续墙,是保证坝基稳定和坝体稳定性的重要工程措施。由于防渗墙具有施工速度快、施工工艺简单、防渗效果好等特点,已成为我国水利水电工程中防渗处理的首选方案。

近年来, 处理病险土石坝的措施中采用混凝土防渗墙是作为最佳手段采用。根据混凝土防渗墙体材料的不同又可分为普通混凝土防渗墙以及塑性混凝土防渗墙, 当防渗墙的弹性模量为2~3 GPa时, 界于塑性和弹性之间时, 故命名为低弹性模量混凝土防渗墙。低弹性模量混凝土防渗墙比一般普通的混凝土防渗墙具有更小的弹性模量,因此不均匀受力及不均匀变形的承受能力更强,使防渗墙体的应力状态得到极大的优化,同时具有较高的抗剪强度和防渗能力,耐久性和抗溶性也更好, 同时又经济实惠, 因为具有较高的应用价值。

1.2土工合成材料防渗技术

按水力特性土工合成材料可分为不透水的土工膜或复合土工膜和透水的土工防渗膜, 前者可以起到代替防渗体的作用, 即有截渗隔水的效果； 透水土工防渗膜则可代替反滤料, 有排水反滤效果。

土工膜是由高分子聚合物或由沥青制作的相对不透水薄膜材料。聚合物薄膜所用的高分子聚合物分为合成橡胶以及塑料两类。合成橡胶薄膜可用尼龙丝布加筋，其抗老化性及其他各种力学性能都比较好，但价格比塑料薄膜昂贵。土石坝工程中主要采用的塑料薄膜主要由聚氯乙稀和聚乙烯制品组成 ，另外 ，还有其他各种复合型高分子聚合物土工膜 ，例如将土工薄膜与土工织物复合成一体，土工织物就能起受力缓冲作用，一定程度弥补土工膜强度较低的影响，又能改善接触面的抗磨性能。土工膜的渗流系数一般都在 1×10-8cm/s以下。

由于土工织物与塑膜复合, 极大提高了抗拉撕裂、 顶破及穿刺的较好的力学性能；使防渗材料趋于各向同性, 因此就能避免在物理条件和外界温度变化时,产生某个方向的过量收缩以及移动；尤其是在粒状材料针片状含量高时,承受均布压力；因此可以避免防渗膜局部应力过于集中；并可极大改善防渗膜与土体界面的摩擦性能，因此铺设复合土工膜后, 可以改善坝体的渗流状态, 提高库的蓄水能力；改善下游坝体长期处于饱和状态的工作条件, 提高下游坝体的稳定性和安全度。土工织物运输量小，重量轻, 铺设方便,粘土防渗和砂砾石料排渗节省成本, 缩短工期,容易确保工程质量。土工合成材料已经在许多中小型水利工程中得到推广应用, 且大有取代传统的粘土心墙、粘土斜墙等防渗措施的趋势。

柴达木盆地格尔木河支流雪水河上的泉水库, 是格尔木河梯级电站开发的重点工程, 主要起调节水源作用, 兼顾防洪功能。该区地处海拔4000 m高寒山区, 处于8度高烈度地震多发地带, 极端最低气温时达零下40 度。温泉水库由大坝、导流放水洞、溢洪道一共三部分组成。大坝总长880m,坝高最高175 m,坝顶宽度8 m, 坝体上游坝坡比1：3, 下游坝坡比1：2.5, 采用土工织物布防渗砂砾石坝。 该工程是迄今世界上海拔最高, 也是中国首次将复合土工膜应用于高寒区、高地震烈度、高海拔的大型水库坝体防渗的工程。

由两种或两种以上土工合成材料复合而成的土工复合材料 ，包括复合土工织物、复合土工膜、复合防排水材料（排水带、排水管）等 ，可用于防渗、反滤、加筋、排水及防护等方面。土工特种材料为根据特殊需要加工而成的制品 ，包括土工格栅、土工格室、土工带、土工网、土工网垫、土工模袋、土工织物膨润土垫（GCL）、聚苯乙烯（EPS）等 ，主要用于防护、加筋等多方面。土工合成材料是一种很有发展前景的新型坝工材料 ，随着其产品品种的不断增加 ，具有隔离、防渗、过滤、排水、防护等多种作用 ，越来越在水利工程中广泛的采用 ，值得其在土石坝工程中大面积推广。

1.3刚柔性相结合的防渗技术

刚柔性相结合的防渗技术, 就是采用单管高压旋喷(或射水法)使防渗墙和铺土工膜相结合的一种新型防渗技术,与传统的防渗措施相比具有以下技术优势：

( 1) 适用于多种类型的土石坝。

采用刚性和柔性相结合的新型防渗技术,施工时不用放空水库, 受坝体材料和坝基地质情况因素影响较小,因此 适用于不同类型的碾压土石坝。通常情况下, 采用柔性防渗即铺土工膜防渗在水库蓄水位以上, 采用刚性防渗在蓄水位以下,单管高压旋喷防渗墙防渗, 不用放空水库即可施工,可适合不同功能的水库,如竹坝水库大坝施工时还能保证同安城区的供水需要。

( 2) 适应土石坝沉陷变形的特点。

从国内已鉴定的土石坝看,土石坝坝体沉陷都较大, 一般沉陷量为坝高的1%~ 2%,个别大坝> 2%。采用新型防渗技术柔性材料施工的同时时,即铺土工膜时, 都预留一定的可控形变量, 能适应土石坝坝体沉陷变形量较大的特点；具有刚性防渗的防渗膜多数使用在坝基, 一般不受变形的影响。

( 3) 防渗效果好。

新型防渗技术应用新材料、新工艺、新技术、防渗效果好。例如新安水库大坝刚性防渗体, 经基桩钻芯取样,砂质层抗渗系数

( 4) 造价低。

采用刚性和柔性材料相结合的新型防渗技术,集刚性和柔性优点于一身, 因此造价成本较低, 例如新安水库大坝采用新型防渗技术加固处理与常规灌浆方法相比, 大概节约成本38%, 且工效高,防渗效果好。

( 4)工艺可靠,施工速度快。

新型防渗技术的刚性材料施工, 由于采用、新设备、 施工造孔时比较稳定, 喷射的混凝土防渗墙质量也都满足要求。近几年已经积累了较多经验, 施工工艺比较成熟, 施工时可根据大坝的特点分区分块施工,施工方便迅速。

2工程应用

2.1工程概况

某土石坝为扩大黏土心墙砂壳坝。坝顶高程37．6m．，最大坝高26．6 m，坝顶宽度10 m．坝底最大宽度119.29m，坝体填土为含砾黏士和砂砾料。坝基从上到下依次为砂壤土层、砂砾石层、砂质黏土层、凝灰质粉砂岩。大坝现已建40多年,有不少安全隐患，坝体填筑的施工质量较差。坝基渗透变形和大坝下游面抗滑稳定不符合要求等。故采用了低弹性模量混凝土防渗墙对该土石坝进行了除险加同处理。防渗墙厚80 cm．布置在坝轴线上游3.55 m处．底部深入弱风化层即凝灰质粉砂岩层0．5 m．弹性模量为2 100 MPa。大坝加固后的断面见图。

图1大坝加固后的断面图

2.2墙体材料物理力学指标的选择

众所周知，防渗墙体的弹性模量与其承受的应力和应变存在对应关系，弹性模量越小，周围土体与防渗墙的变形协调越好，墙体承受的被动土压力也就越小，弹性模量越大，被动土压力越大。因此，需要采取措施提高混凝土防渗墙的安全性，一种方法是尽量使混凝土的弹性模量(或变形模量)更小，另一种方法是使混凝土的强度尽可能大，即降低弹性模量与混凝土抗压强度的比值(模强比)。因此在确定混凝土墙体材料时应使其模强比小于计算值。考虑抗压强度的安全系数K=3.5后，其模强比计算容许值见表1。

表1凝土防渗墙计算模强比容许值表

混凝土的模强比与水泥用量有直接的关系，当水泥用量减少时，混凝土的模强比变小，对墙体受力有利。但随着水泥用量的减少，其渗透系数变大、渗透比降变小，从而影响了防渗墙的抗溶蚀性和耐久性，因此防渗墙的模强比也不是越小越好。近年来，人们对混凝土耐久性问题越来越重视，在该工程混凝土防渗墙设计中，要求在满足混凝土模强比的前提下，尽量提高混凝土的强度。

该工程混凝土防渗墙的计算结果表明，当混凝土墙体弹性模量大于5000 MPa时，防渗墙体将出现拉应力破坏。由于低弹性模量混凝土抗拉强度很低，也不宜配钢筋，因此要求混凝土防渗墙的弹模须小于5000MPa。

3结语

（1）土石坝工程中不断探索和推广应用新型的防渗材料、防渗技术、新的防渗工艺,可以提高工程质量、提高土石坝工程建设管理和施工水平,通过在工程建设过程中应型材料效果非常显著,取得了较好的效果。

（2）通过对低弹性模量混凝土防渗墙的工程应用实例，取得良好效果，对防渗材料的参数选取积累了一定的经验。

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