土工织物在白莲河电站中的应用

摘要: 设计工程师和环保部门日益喜欢更多地用土工织物粘土垫层来代替密实的粘土层。由于它们的低导水率和廉价的成本常常用在铺盖或废物池的底部，以阻止废物的扩散。如今，土工织物在现代水利工程中也得到了广泛的运用。白莲河抽水蓄能电站，①、②号副坝分别位于主坝左岸和左岸分水岭的鞍部，为塑性混凝土防渗心墙土石坝，混凝土防渗心墙厚0.4m。在坝体土方削坡成型后，进行土工布反滤层施工。

关 键 词: 土工织物;粘土;垫层;副坝;白莲河电站

中图分类号: TU49 文献标识码: A

1 简介

近年来，新型土工合成材料土工布在水利、水工建筑等建筑工程中已经被广泛应用。由于土工织物的低导水率和廉价的成本常常用在铺盖或废物池的底部，以阻止废物的扩散。除了在环保方面用做废渣地的垫层外，土工合成物还用作运输设施（公路和铁路）和岩土工程的环保隔离带，诸如:用做防护层来最大限度地减少在公路交通事故中由于化学物品的溢出和渗流所造成的地表下污染。

2 土工合成粘土垫层

土工合成粘土垫层（以下简称GCLs）是一薄层钠质或钙质膨润土与一层或多层土工合成物构成的。土工合成物为土工织物或土工膜。基本的GCLs通过胶、针刺或编织方法同两面都有土工织物包裹的膨润土结合而成。针刺过程可以使上层的土工织物纤维穿过膨润土和下层土工织物连成一个整体。穿透底层土工织物的纤维靠自身纠缠和摩擦或通过加热的方法使它们同底部土工织物层结合在一起。可能在两层织物和膨润土间产生更强的结合力（用这种方法做的GCLs可叫做热锁合GCLs″）;同样可以用平行的几行纱线把全部的土工合成织物—膨润土、合成物缝合在一起。

对于以土工膜为骨架的GCLs，用无污染的胶将膨润土同土工膜粘在一起，并用敞口的螺旋纺织的土工织层粘在膨润土外，以便在安装时起到保护作用。由于产品的适应性和迅速的革新，不同类型的GCLs的特性可能各不相同，GCLs间最重要的区别是用在GCLs中膨润土的形式和矿物成分的差异。例如:粉末状和颗粒状;钠质或钙质等等方面的区别，土工织物类型（例:编织与不编织）或附加土工膜及结合方法。 GCLs最重要的优点是其有限的厚度，适应土层或废渣层下的不均均沉降，易安装和低造价。另外还具有以下特性:①对机械性意外事件所表现出的弱点;②有限的吸附量;③如果GCLs铺在不能提供冲淡的矿物或分层之下，矿物会严重流失。甚者，GCLs与其它浸析液水合（而不与纯水），膨润土将表现较小膨胀并降低阻水效果。GCLs的优点与缺点归纳如表1。

GCLs广泛应用的同时，也正在被深入研究，尤其是对于它们的水力性质和扩散性、化学兼容性、机械表现性、耐久性和透气性等方面的研究。

3 导水率、化学共存性和扩散

GCLs的水力学特性在很大程度上取决于膨润土的导水率。不同类型土工织物—GCLs的导水系数大约在2×10-12 ～2×10-10 m/s间变动，取决于采用的界限压力。GCLs导水系数的降低是由在较高压力下形成的较低空隙率而产生的。常常用来阻隔除水之外的各种液体，在此情况下用化学溶解性评价GCLs的导水系数是十分重要的。用其它液体做为渗透液，影响GCLs渗透性的因素为:总厚度、蒙脱石含量、吸着层厚度，以及水合和矿物部分的孔隙率。

4 穿孔、膨润土层变薄、内部腐蚀离子交换

GCLs在搬运或安装过程中很容易遭受意外损伤穿孔，在这种情况下，它的抗水性会因其遭受损坏而不同程度地丧失。同时显示出，小的穿孔和损伤可由其中的钠质膨润土有效修复，与完好试样相比，发现其导水系数增加很少。此外，直径大到30mm的穿孔愈合时间仅需很短的时间（一般15d）便可完全恢复。更重要的是发现修复区域的稳定性取决于水头的高低。据观察发现水头71m（在10kPa压力范围内）时，自行修复的区域会失效。以土工织物做的GCLs的水力学特性也取决于膨润土在原料中的单位面积质量的大小。一旦水化，膨润土剪切强度就很低，在这种情况下，应力集中和长期结构负荷可能造成膨润土后期的挤压并导致局部厚度的减少和在这些位置液体渗流量的增加。为避免局部膨润土的移动和随之而产生的对GCLs水力特性的影响，应在遭受表层荷载和GCLs水化之前，在其上覆盖适当厚度和适当粒径的土层，粗粒覆盖的GCLs表面（如砂砾），也会导致GCLs应力集中，这是引起膨润土移动的另外一个原因。然而，据发现即使在很高的界限压力下，水力传导率的影响也是无关紧要的。另一潜在的应力集中是上覆土工膜产生皱缩现象，这可能为下伏GCLs潜入减少应力作用空间，下伏地层的选择是在GCsL安装时考虑的另一重要内容，水力梯度的存在可以导致内部腐料物质夹带矿物颗粒的移动:在一水库防渗GCLs中发现异常的渗漏，开挖坑道发现多处质地不均匀的膨润土，通过未编织的土工织物进入下伏粗骨料层中，深达15～20m。

5 在白莲河抽水蓄能电站工程中的运用

5.1 工程概况

白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市罗田县白莲河乡境内，白莲河水库右坝头上游侧。本工程为Ⅰ等大（Ⅰ）型工程，枢纽工程永久性主要建筑物包括上库主坝、①、②、③号副坝、输水系统和地下厂房系统等建筑物。白莲河抽水蓄能电站装有4台单机容量为300MW的可逆式水力发电机组，电站总装机1200MW。上库挡水建筑物由1座主坝、3座副坝组成;主坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程312.5m，趾板底部高程250.00m，最大坝高59.7m，坝顶长300.18m，宽6.0m。

①、②号副坝分别位于主坝左岸和左岸分水岭的鞍部，为塑性混凝土防渗心墙土石坝，混凝土防渗心墙厚0.4m。坝顶高程312.5m，宽6.0m，最大坝高4.0，上游坝坡1∶2，下游坝坡1∶1.75，其中上游坝坡设宽2.0m马道，以下坡比1∶3.5;坝基地表坡积层厚度1～3m，而全风化层较厚，为6.0～15.0m不等。主要工程量详见表2。

5.2 施工工序

施工准备→坝基土方开挖→基础面验收→坝料开采、运输→摊铺碾压→取样检测→转序→测量放样。

5.2.1 施工准备

（1）土工布质量检测。进场的土工布必须有厂家提供的合格证书，性能及特性指标和使用说明书。进场后，随机抽取送检测单位进行复测。

（2）土工布具有一定的抗顶破、抗刺破能力。水库在防渗施工中，开挖清除原坝表层干砌石及砾石垫层至粘土层，并按设计尺寸削坡挖平和欠坡回填夯实，找平并洒水夯实，使夯填土干容重不小于1.65t/m3 。人工开挖防滑槽，剔除其表面的石子、树根等坚硬尖状物，并喷洒除草剂等药水，整理后的坡面应平整、密实、光滑，以防复合土工膜被刺破。

5.2.2 施工操作过程控制

土工织物铺设前编好施工组织设计，说明铺设方法和技术措施，经监理批准后方使用，施工人员均应穿平底布鞋或软胶底鞋进行铺设，严禁穿钉鞋以防踩坏土工膜，做到随铺随压，复合土工膜铺设要与保护层铺设相协调。拼接中复合土工膜焊缝质量是拼接关键，施工中尤其要加强接缝检测，观察有无漏接，接缝是否烫损，有无褶皱，是否拼接均匀等，至验收合格后，才可以进行下道工序。

5.2.3 土工布的铺设

在坝体填筑施工中，随坝体每填高2～3m，由液压反铲挖掘机对坝体上、下游边沿土体进行削坡整平，其中上游坡比1∶2.0，下游坡比1∶1.75。在坝体土方削坡成型后，进行土工布反滤层施工。土工布反滤层，铺筑前，应事先作接头工艺试验，在工艺方法确定后，由人工对其进行铺筑。铺筑过程中，要求土工布按“之”字形铺设，并与支持层平贴紧密、松紧有度;粘接时粘结面应干净，不得有油污、灰尘，并保证其表面干燥，涂胶时，要求胶液均匀涂抹，不得过厚、漏涂;对在粘结中出现脱空、收缩起皱及扭曲鼓包等现象，应将其剔除后重新进行粘结。

铺设应在干燥暖和天气进行，为了便于拼接，防止应力集中，复合土工膜铺设采用波浪形松驰方式，富余度约为1.5%，摊开后及时拉平、拉开，要求复合土工膜与坡面吻合平整，无突起褶皱，施工人员应穿平底布鞋或软胶鞋，严禁穿钉鞋，以免踩坏土工膜，施工时如发现土工膜损坏，应及时修补。土工布拼接质量的好坏是土工织物防渗性能成败的关键，所以务必做好土工布的拼接，确保拼接质量，采用手提式封包机缝接。

第1幅土工布铺好后，将需拼接的边翻叠（约60cm宽），第2幅反向铺在第1幅膜上，调整两幅膜拼接边缘走向，使之搭接10cm。拼接缝应透明、平整、顺直、连续。

6 结语

毫无疑问，土工织物粘土垫层已获得了广泛的应用，作为压缩粘土垫层的替代品，或说是起到了填埋底部垫层的加强作用，但是也不应把它看作是解决所有问题的万全之策。对于土工织物粘土垫层的特殊用途做出充分的估价是非常重要的。

作者简介: 王 萌，男，武警水电三峡工程指挥部，助理工程师。