基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗系统

基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗系统

刘凤强

中国水利水电第九工程局有限公司

摘要：本论文研究了基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗系统。通过案例分析，验证了该防渗系统的有效性和实用性。对已经实施的基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗工程进行了评估。结果表明，该防渗系统具有良好的防渗效果和工程实用性，可以有效地应用于大坝的防渗工程中。综上所述，基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗系统具有广泛的应用前景，可以为大坝的防渗工程提供可靠的技术支持和保障。未来的研究可以进一步探讨该防渗系统的优化设计和施工技术，以提高其可靠性和持续性。

关键词：PVC土工膜、心墙加护、大坝防渗

1.引言

随着我国经济和社会的快速发展，水利工程建设日益增加，而大坝作为水利工程中重要的水利设施之一，其安全性和防渗性能显得尤为重要。大坝渗漏问题对工程的安全稳定和周边生态环境都有着重要的影响。因此，在大坝设计和施工中，如何防止渗漏成为了一个重要的问题。

近年来，PVC土工膜和心墙加护技术作为一种新型的防渗措施，被广泛应用于大坝防渗领域[1]。PVC土工膜具有较好的防渗性能、耐化学腐蚀性能和抗老化性能，且加工工艺简便，能够适应多种复杂的施工环境。心墙加护能够提高大坝的稳定性和防渗性能，具有施工方便、使用寿命长等优点[2]。因此，将PVC土工膜和心墙加护技术相结合，应用于大坝防渗中，可以提高大坝的防渗性能和稳定性，保障大坝的安全运行。

2. 大坝防渗系统的概述

2.1大坝的作用和种类

大坝作为一种人工建造的水利工程设施，主要作用有调节水流、防洪排涝、发电供水和生态保护等，同时，大坝也可以用于水运、旅游观光、水利景观建设等。根据不同的建造目的和建造材料，大坝可以分为以下几种类型：

（1）混凝土重力坝：主要由混凝土建造而成，以其自身重量来抵抗水压力和地震力。该类型大坝建造工期长、造价高，但具有结构稳定性和耐久性好的优点，通常用于大型水电站。

（2）土石坝：由土石材料堆积而成，具有施工方便、造价低廉的特点，但缺乏结构稳定性，仅适用于中小型水电站。

（3）混凝土双曲拱坝：主要由混凝土建造而成，以双曲线的形状来承受水压力和地震力。该类型大坝具有结构稳定性好、水利效果佳的特点，但建造难度较大。

（4）重力式土坝：是在土石坝的基础上改进而成，其上部由混凝土覆盖，下部为土石材料，以重力作用来抵抗水压力和地震力。该类型大坝建造工期较短、造价较低，但缺乏结构稳定性。

（5）大坝分层加固：将多种建造材料分层加固，以提高大坝的结构稳定性和防渗性能。该类型大坝可以根据不同的地质和水文条件，选择不同的加固材料，使大坝达到最优防渗效果。

2.2大坝防渗系统的分类和结构

大坝防渗系统是指用来防止水渗漏和渗透的一系列设施和措施，通常由以下几个部分组成：

（1）表层防渗系统：位于大坝表层，由土工膜、防渗材料、排水系统等组成。主要作用是防止水渗透到大坝内部。

（2）基础防渗系统：位于大坝基础部分，由防渗层、抗渗帷幕、防渗墙等组成。主要作用是防止地下水渗透到大坝内部。

（3）降渗系统：包括引水排渗、泄水排渗、过流排渗等措施，主要作用是降低大坝内部的水压。

（4）加强施工监管和质量检验，及时发现和解决质量问题。

大坝防渗系统根据材料和结构的不同，可以分为以下几类：

（1）水泥浆墙防渗系统：主要由钻孔机和水泥浆注入设备组成，通过将水泥浆注入到土层中形成防渗层，适用于土质较好、地下水位较浅的地区。

（2）土工膜防渗系统：将土工膜铺设在大坝表层，具有防渗效果好、施工简便等优点。适用于土层较薄、地下水位较深的地区。

（3）岩层加固防渗系统：通过注浆、钻孔、爆破等方式，将岩石加固形成防渗墙，适用于岩性地质条件的大坝。

（4）心墙加固防渗系统：将心墙加固，防止水渗漏到大坝内部。心墙加固可以采用混凝土、钢筋混凝土等材料，适用于大坝较高、水压较大的情况。

（5）钢板桩加固防渗系统：将钢板桩固定在土层中形成防渗层，适用于土层较软、地下水位较深的地区。

总的来说，大坝防渗系统应根据不同的地质条件、水文条件和工程要求，选择适当的防渗方案和措施，以确保大坝的安全和稳定。

2.3PVC土工膜和心墙加护在大坝防渗中的应用

PVC土工膜是一种新型的防渗材料，具有防水性能好、耐老化、施工方便等优点，已经广泛应用于大坝防渗中。在大坝防渗系统中，PVC土工膜主要用于大坝表层防渗系统的构建。PVC土工膜防渗系统主要由PVC土工膜、防渗材料和排水系统等组成。PVC土工膜铺设在大坝表层，起到隔离水和土的作用，防止水渗漏到大坝内部。防渗材料用于填充PVC土工膜与大坝表层之间的空隙，提高防渗效果。排水系统用于将渗透进来的水排出去，以减少大坝内部的水压[3]。

心墙是大坝中的一种结构，位于大坝中心，用于分隔大坝的左右两侧。在大坝防渗中，心墙加护是一种有效的防渗措施。心墙加护可以采用混凝土、钢筋混凝土等材料进行加固，防止水渗漏到大坝内部。心墙加护可以有效地降低大坝内部的水压，减少水渗漏的风险。同时，心墙加护还可以提高大坝的稳定性和承载能力。在心墙加护的施工过程中，应根据大坝的实际情况和要求，采用合适的加固材料和施工工艺，以确保加固效果

[4]。

综上所述，PVC土工膜和心墙加护都是大坝防渗系统中的重要组成部分。它们的应用可以有效地降低大坝内部的水压，防止水渗漏到大坝内部，提高大坝的稳定性和承载能力，保障大坝的安全。

3. 基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗系统的应用实例

3.1工程概况

3.1.1工作描述

在大坝加高部分安装PVC土工膜，使之与心墙、帷幕灌浆连接作为加高段的防渗系统。

3.1.2预计工程量

（1）安装PVC土工膜2300㎡；（2）安装土工膜防护土工布4600㎡；（3）浇筑心墙可变形材料250m³；

3.2施工布置及准备

3.2.1施工道路布置

施工期间以大坝下游已填筑面作为施工道路，土工膜和土工布铺设期间使用人工和装载机搬运摊铺。

3.2.2施工风、水、电布置

（1）施工用水，使用洒水车进行补给；(2)施工用风，在大坝下游完成面布置一台3m³/min的空压机供风；(3)施工用电，采用柴油发电机，按需要放置。

3.2.3施工材料

（1）PVC土工膜为意大利Mapei公司供应的MapePlan UG 30土工膜，供应尺寸为每卷15m长，宽度为2.1m；（2）防刺穿土工布为南非Fibertex公司供应的F-550M SA土工布，每卷长度50m，宽度为5.2m；（3）土工膜系统与混凝土结构的锚固采用50mm x 50mm x 4mm不锈钢角钢（型号SUS316,技术参数随函附件提交），以及φ12mm螺杆与对应螺帽（型号A4-80.技术参数随函附件提交)等进行锚固；（4）螺栓植筋材料为Sika Dur 31，密封材料为Sika Dur 30，角钢底部垫块材料采用同等材料的PVC膜。

3.3施工方案

3.3.1准备工作

（1）材料提议与批准；（2）施工方案与图纸提交和批准；（3）材料采购与进场：防刺穿土工布已于2019年7月10日采购到场；PVC土工膜已于2019年9月到场；施工辅材已采购进场。

3.3.2施工顺序

（1）左坝肩灌浆帷幕连接至现有心墙；（2）右岸齿槽开挖、连接3号块土工膜安装、齿槽混凝土浇筑和灌浆；（3）大坝上游面RL144.5m至151m高程土料填筑，坡面修整；（4）检查和验收下游侧安装土工膜的坡面；（5)按照坡面尺寸裁剪土工布和土工膜卷材；（6）开挖心墙齿槽，深度为 2m，宽0.75m；（7）转运土工布和土工膜至RL151m处平台，从右到左按照覆盖宽度分布堆放，用土工布临时覆盖土工膜，防止太阳爆嗮；（8）从坝顶摊铺第一层防护土工布；（9）右岸土工膜安装，灌浆齿槽与土工膜锚固连接；（1）从右岸灌浆齿槽向左岸依次安装土工膜，焊接土工布接缝；（11）左岸灌浆平台与土工膜锚固连接；（12）浇筑齿槽可变形混凝土；（13）可变形混凝土浇筑完成7天后，按照工程师指示的厚度，移除齿槽变形混凝土顶部部分；（14)从坝顶摊铺第二层防护土工布；

(15)可变形混凝土浇筑完成7天后，测试变形材料抗压强度，在工程师进行计算并提供碾压参数后，进行下游面RL144.5m至151m高程土料填筑；(16)进行上游侧防浪墙和下游混凝土墙施工;(17)防浪墙完成后，将土工布和土工膜铺设至上游防浪墙平台上。

3.4主要施工方法

3.4.1土工膜系统安装

(1)土工布长度按照土工膜设计长度裁剪，然后重折叠成卷，便于安装；

(2)第一层防护土工布安装

从溢洪道3号块边墙开始，按照4.9m的间距，在上游填筑面顶部和底部，打上标记，用于土工布的分块安装。

大坝左右侧灌浆平台部位坡脚进行人工处理，移除40cm宽的三角形坡脚。

土工布从右岸向左岸，按照标记的位置依次安装，每一片土工布从坝顶沿坡面向下铺设，右侧齿槽和左侧灌浆平台处，土工布安装至混凝土面，并预留50cm，保护锚固在混凝土面上的土工膜。右侧齿槽和左侧灌浆平台之间，安装至心墙底部142m高程。两片土工布的纵向搭接宽度最小为30cm。

溢洪道3号块边墙混凝土处，将土工布卷起50cm贴到3号块边墙，用于保护锚固在混凝土边墙上的土工膜。

预留在坝顶RL151m平台上的土工布，使用砂袋压住，防止下滑。

(3)土工膜安装:

在完成第一层防护土工布的区域，同步验收后，进行土工膜的摊铺，土工膜在坝顶预留长度与第一层土工布一致。在灌浆平台上，土工膜沿坡面摊铺后，在混凝土面上预留至少35cm，用于后期锚固；

心墙齿槽部分，土工膜自然垂直下落至齿槽142m高程，贴到第一层土工布；

土工膜摊铺时，按照每一片有效覆盖宽度，在搭接的底层土工膜上用记号笔标记出搭接宽度线，确保土工膜焊接宽度满足要求，根据工程要求13.7.5（3），土工膜的搭接宽度不小于8cm，操作中保证搭接宽度8-10cm。两片土工膜的搭接，使用热风枪或热熔焊机进行焊接；

从大坝右侧依次向大坝左侧完成土工膜的安装。

(4)第二层防护土工布安装

完成土工膜安装的区域及时同步进行验收，并摊铺第二层土工布，第二层土工布摊铺方法与第一层类似；

在右岸和左岸灌浆平台上，第二层土工布在混凝土面上的长度覆盖土工膜，并超出土工膜至少边缘50cm。

齿槽中第二层土工布底部与土工膜高程平齐。

3.4.2土工膜系统边界锚固

(1)可变形混凝土中的锚固

为了防止浇筑期间土工膜系统被混凝土拉扯移动，完成土工膜系统施工后，在齿槽中紧贴上游侧壁，两块土工搭接处和土工布中间，采用直径至少20mm的钢筋进行竖向内撑，使土工膜和土工布，紧贴沟槽壁。

变形混凝土浇筑时，混凝土泵管尽量靠近齿槽下游面，防止入仓流动的混凝土的直接冲击到土工布。

(2)溢洪道3号块边墙土工膜的锚固

根据设计土工膜安装线位置划线，按照25cm间距，使用电钻钻孔，钻杆直径16mm，孔深200mm，钻孔完成后用水清理孔内杂物，将孔内水吹干后，注入Sikadur 31（Sika dur 31按照材料技术要求预先混合），将直径12mm，长250mm的螺杆插入孔内200mm，调整孔位与墙面垂直，等待24小时，使之螺栓锚固；靠近角钢边缘的位置，根据工程师指示对螺栓间距进行调整，保证紧固效果；

按照设计图纸孔距，在土工膜和橡胶垫块上预先钻孔，直径13mm。按照墙上对应的孔位，将土工膜和橡胶垫片穿入螺杆，套上角钢和螺母。然后在混凝土面上，沿土工膜安装轴线70mm-80mm的范围内涂上Sika dur 30（按照技术参数要求预先混合），将土工膜向角钢侧靠近，压紧土工膜和角钢，使土工膜和混凝土面精密结合，套上螺母和垫片，采用扭力扳手紧固螺母，扭力达到25Nm时紧固完毕；

右岸灌浆心墙中，根据最新的设计，锚固1.8m宽的土工膜在灌浆心墙内，采用φ20mm的钢筋两侧加固土工膜，避免浇筑齿槽混凝土时，土工膜变形移动。

(3)右岸和左岸灌浆混凝土平台的土工膜锚固

在灌浆平台上，根据土工膜安装位置划线，按照25cm间距，使用电钻钻孔，钻杆直径12mm，孔深200mm；靠近角钢边缘的位置，根据工程师指示对螺栓间距进行调整，保证紧固效果；

土工膜安装与溢洪道边墙上的安装方式相同，始终在SikaDur 30涂到混凝土表面后再进行土工膜和其他辅助材料的安装，确保安装效果；

土工膜锚固安装完成后，将第一层土工布坝顶面上向下卷，坡脚安装设计图纸覆盖锚钉的土工膜和角钢，然后用土料分三层回填预先开挖的400mm高的坡脚，采用1吨的手护压路机碾压密实，回填完成后，修整坡面至设计坡度，依次将第一层土工布恢复至坡顶面，将土工膜拉至坡顶，铺第二层土工布保护土工膜。

(4)土工膜在坝顶齿槽变形材料与两侧混凝土结构之间的锚固

在左侧灌浆平台与坝顶心墙齿槽变形材料交界处，土工膜要锚固在灌浆平台的上表面和与齿槽相邻的垂直侧面，同时平行于坝轴线竖向锚固在可变形材料中；

由于折叠的土工膜有两个面，而锚固的面有三个，因此需要增加一块单独切割的土工膜焊接到水平和垂直的两个面的边缘，并将这一块补上去的土工膜锚固在灌浆平台临近齿槽的垂直侧面上；

其余的安装方法与上面描述的步骤类似，右岸灌浆齿槽C15混凝土与可变形材料交界处的土工膜锚固，与左岸方法类似，位移的区别是竖向的锚固深度为2m，即在C15混凝土齿槽侧面锚固到心墙变形材料底部高程；

附件图纸210EMBD016C至018C图示了裁剪的形状和尺寸。

3.4.3心墙变形混凝土施工

完成土工膜系统的铺设后，按照设计的配合比，拌合变形混凝土，浇筑心墙齿槽可变形混凝土，采用泵车入仓，振捣密实；变形混凝土浇筑从右岸混凝土齿槽处向左岸方向浇筑；可变形混凝土设计深度2m，由于材料特性，根据已经完成的设计配合比试验，需要额外浇筑一定厚度，并在混凝土浇筑3天后移除顶部开裂部分，具体尺寸和设计需要工程师指示；浇筑完成后由工程师进行调查评估，并指示具体操作。

4. 结论

在本研究中，我们设计了一个基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗系统，并通过实验和案例分析对其进行了验证。根据实验和案例分析的结果，我们得出以下结论：

首先，PVC土工膜具有良好的防渗性能和耐化学腐蚀性能，可有效地防止大坝渗漏。

其次，心墙加护是一种有效的大坝防渗技术，能够增加大坝的稳定性和抗渗性能。

最后，基于PVC土工膜和心墙加护的大坝防渗系统具有良好的防渗效果和工程实用性，可以有效地应用于大坝的防渗工程中。

未来的研究可以进一步探讨PVC土工膜和心墙加护的优化设计和施工技术，以及大坝防渗系统的维护和管理策略，以提高大坝防渗系统的可靠性和持续性。

参考文献

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