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复合土工膜在岩溶漏斗水库防渗工程中的应用

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  摘要:本文以彭水县茨竹湾水库工程为研究对象,该工程位于西南地区碳酸盐岩出露地区。水库常年无法正常蓄水,分别以刚性、柔性、刚柔结合三个角度进行渗漏治理研究,希望对类似工程具有参考意义。
  关键词:岩溶漏斗;水库防渗;壳体结构;复合型土工膜;柔性封堵
  中图分类号: TV44                                文献标识码:  A                      DOI编号: 10.14025/j.cnki.jlny.2019.06.026
  我国是世界上岩溶(喀斯特)分布面积最大的国家,其地形特殊性致使库底渗漏问题、库周渗漏问题和泄洪问题突出。重庆市彭水县茨竹湾工程是一座坐落在岩溶(喀斯特)地貌上的水库,以灌溉、综合利用为主要功能。茨竹湾水库为天然岩溶洼地,通过堵塞洼地中心的岩溶漏斗形成,水库大致呈长方形,长150~180m,宽55~90m,四周为高30~50m的陡坡。据水文观测,水库在地表降雨后迅速蓄水,雨后2~3天成干库,库盆曾多次发生大规模管道性渗漏,因此,对茨竹湾水库库底及周边防渗处理是非常必要的。
  1 三种封堵方案比选
  1.1 刚性封堵结构
  在初设变更送审阶段设计方案为壳体方案。该方案在高程1395.05~1396.02m设置C30W8钢筋砼壳体封基。整个壳体结构长轴长度为133m,短轴长度为67.6m。在短轴断面上壳体为圆弧拱,中心拱顶最高高程为1419.50m,中心拱厚4m,向两边渐变,两拱端厚5.27~7.91m。在长轴断面上壳体为圆弧拱,中心拱顶最高高程为1419.50m,中心拱厚4m,向两边渐变,两拱端厚9.16m。壳体两端锚入完整基岩,预计方案的总投资为3878万元。
  1.2 刚-柔结合封堵结构
  使用薄层沥青+混凝土防渗效果好,对地基承载力要求较高且适应能力较差,对温度的控制贯穿整个施工过程,沥青混凝土拌和、施工碾压复杂,必须在旱地施工,本工程为岩溶漏斗结构,防渗层处于漏斗下方,高程较低,受库周渗水及洪水影响,无法保证在旱地施工,且沥青混凝土造价较高,初估库底防渗造价约3262元/m2。
  1.3 柔性封堵结构
  复合土工膜防渗自身变形模量较大,适应地基变形能力较好,对基础要求较低,施工工艺较简单,防渗性能可靠,投资最小。
  对比分析发现,壳体方案投资高且基础要求高,壳体盖板封盖(刚性封堵)下部空间形成较大的悬空区域,施工过程易引发地质事故,还需对基础进行加固处理,使成本进一步增加,壳体方案不具备可比性。比较符合土工膜防渗方案和沥青混凝土防渗方案,沥青墙造价高,对地质条件要求高,且无法保证在库底旱地施工,采用碾压粘土层+复合土工膜进行封基防渗的柔性防渗方案。
  2 土工膜设计
  2.1 土工膜施工控制
  根据现场勘探可知,茨竹湾水库库盆深度较大,已被粉土、淤泥质土及块碎石等全部充填,岩溶漏斗溶洞主要分布于茨竹湾水库库底。在高程1397.50m~1405.0m设置碾压粘土层+土工膜进行封基。整个封堵范围长边为130m,短边为66m,面积8340m2。封堵结构为(从下至上):碾压灰岩块石换填(厚1m)+碾压灰岩石渣料(厚2m)+碾压粘土层(厚5m)+HDPE土工膜(2层)+粘土层护面(厚0.5m)+灰岩碎石料(厚20cm)+干砌块石(厚20cm)。由于库底粘土承载能力非常差,因此先铺设一层灰岩块石料(厚1m)供施工车辆通行,再从下至上依次铺设2m厚碾压灰岩石渣料层、3m厚碾压粘土层、规格为“200g/2mm/200g”HDPE土工膜防渗层、膜上覆盖厚50cm粘土保护层、灰岩碎石料(厚20cm)+干砌块石(厚20cm)防冲刷层。
  2.2 渗流计算
  采用水力计算手册中“堰闸地基的渗流计算”所述:水工建筑物的地基和土坝、水井等渗流的水力参数的计算都是以达西定律为基础,渗流流量Q的表达式为:
  按最不利情况计算,认为即使土工膜发生破坏,库底防渗土料渗流坡降不大于0.8,本次计算取允许坡降J=0.8。
  计算可得Q=0.45L/s,在最不利情况下,平均年渗流总量为0.143万m3,只占水库总库容的0.2%,且粘土填筑料下部的原状土层隔水效果均较好,实际渗流量较计算得出总量小许多,实际渗流量可忽略不计。
  3 结论
  通过比选茨竹湾岩溶水库封堵的三种方案,可得出以下结论:
  一是在柔性封堵中,土工膜防渗成本低,土料就地取材,工程区的粉质黏土具有低孔隙比,中等压缩性,微透水性等特点,在翻晒碾压后是土工膜铺盖土料非常优秀的填充材料。经过渗流及稳定计算后满足最不利情况。这对水利工程中的复合型土工膜的使用有借鉴作用。
  二是对于刚性封堵而言,岩溶漏斗壳型结构作为一种新型的防渗结构,在创新美观、耐久性,充分利用岩溶地区负地形上有其固有的优势,但并没有在实践工程中采用。
  三是使用薄层沥青+混凝土的刚—柔结合封堵防渗效果好,造价及对地基承载力要求高,且沥青混凝土拌和、施工碾压复杂,必须在旱地施工,对处于岩溶地区漏斗下方,容易受库周渗水的结构不适用。
  参考文献
  [1]陈云,胡志刚,吴正萍.复合土工膜在高土石坝中的应用及施工质量控制[J].长江科学院院报,2017,34(02):115-119.
  [2]梁伦法,李华艳,石含鑫.复合土工膜应用于堆渣坝防渗设计[J].岩土工程学报,2016,38(03):38-41.
  作者简介:熊珊锋,在读研究生,研究方向:水工结构。
  网络出版时间:2019/3/14  13:39:12
  網络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/22.1186.S.20190314.1338.001.html
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