土工膜在美國(guó)寶石湖壩防滲中的應(yīng)用

［美國(guó)］ J.C.施特塞爾 等

南加州愛(ài)迪生電力公司(SCE)擁有和運(yùn)營(yíng)37座平均壩齡為80 a的大壩?；炷?、壩體表面材料老化以及滲漏等問(wèn)題是維持大壩安全運(yùn)行所必須應(yīng)對(duì)的問(wèn)題。SCE已經(jīng)有了一個(gè)針對(duì)病險(xiǎn)壩修復(fù)的綜合方案和計(jì)劃日程表，以保證在進(jìn)入新世紀(jì)以后這些基礎(chǔ)設(shè)施仍能發(fā)揮作用。

方案之一是在SCE所管轄的4座混凝土壩和所有的4座木面壩的上游面鋪設(shè)土工膜防滲面層。2006年，SCE在薩布麗娜湖(Sabrina Lake)壩完成了首個(gè)土工膜防滲面層的鋪設(shè)工作，該壩是位于比肖普溪(Bishop Creek)中叉的一座木面板堆石壩。該防滲面層減少了通過(guò)大壩90%的滲漏量。

2007年夏，寶石湖(Gem Lake)壩成為SCE的第2座裝備土工膜面層的大壩。鋪設(shè)土工膜防滲面層可解決由凍融條件所導(dǎo)致的混凝土惡化以及由此帶來(lái)的滲漏問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)性缺陷與復(fù)雜環(huán)境

SCE所擁有的裝機(jī)13MW的拉什河(Rush Creek)發(fā)電工程位于內(nèi)達(dá)華山脈東側(cè)莫諾(Mono)縣境內(nèi)的拉什河上。該工程包括3座大壩(包括寶石湖大壩)、3座蓄水水庫(kù)以及1座兩臺(tái)機(jī)組的電站。

寶石湖壩是座多拱混凝土壩，庫(kù)容2133萬(wàn)m3。大壩位于安塞爾亞當(dāng)斯(Ansel Adams)荒野保護(hù)區(qū)。該壩是美國(guó)第1批建造的多拱混凝土壩中的其中一座，由16個(gè)完整的拱組成，每個(gè)拱支墩中心之間的跨距為12.2 m。此外，壩體兩端的部分拱與巖石拱座相連。大壩長(zhǎng)度約為210 m，最大拱高為25.6 m。拱頂部厚度為0.31 m，底端厚度為1.21 m，混凝土重力壩段用鋼筋加強(qiáng)到高程2753.4 m。拱的支墩由扶壁支撐，在頂部(壩頂4.6 m處)和底部的厚度分別為0.57 m和1.30 m。寬度分別為1.38 m和3.36 m。在拱的支墩之間設(shè)置了斷面為0.31 m×0.46 m的雙混凝土支撐桿。

大壩是在1915～1916年使用拉什河河床中的骨料和附近的巖石建造的。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)代的施工工藝和混凝土配合比設(shè)計(jì)的緣故，混凝土略顯多孔，這可使水填充結(jié)構(gòu)中的空隙。在冬季，這種孔隙水結(jié)冰，產(chǎn)生膨脹并導(dǎo)致混凝土表面層層剝落。通過(guò)大壩滲透的水導(dǎo)致了水泥與骨料混合材料惡化，因?yàn)槟z結(jié)材料被浸出，留下一窩窩松散骨料。在一些地方，利用鶴嘴鋤就可以將0.31 m或更深的混凝土剝除掉。

1966年，實(shí)施了一項(xiàng)計(jì)劃，即將整個(gè)上游面鋪設(shè)了厚約7.6 cm的用粗鋼絲網(wǎng)加固的噴漿混凝土。在噴漿混凝土上面先涂一層底層，再做兩層聚硫化物涂層加以密封止水。1969年，在上游面設(shè)置了第3層聚硫化物涂層。聚硫化物保護(hù)涂層最初成功地阻止了水的浸入。然而，涂層的長(zhǎng)期性能并沒(méi)有預(yù)想中的那么好，涂層從壩體上剝落，致使噴漿混凝土暴露。

2006年，SCE進(jìn)行了一項(xiàng)廣泛的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以量化混凝土變質(zhì)的程度。一位混凝土專家觀察了混凝土的狀況，獲得了混凝土的芯樣，并對(duì)其進(jìn)行了施密特錘測(cè)試。調(diào)查認(rèn)為，數(shù)十年不間斷凍融循環(huán)致使兩座拱內(nèi)出現(xiàn)了大量的變質(zhì)混凝土窩穴。所有試圖修復(fù)這些區(qū)域的努力都將白費(fèi)，除非大壩滲流得到有效控制。

2 大壩修復(fù)方案

針對(duì)寶石湖壩的滲漏情況，SCE確定和研究了3種可供選擇的處理方案。

(1)清除覆蓋在壩面的老化聚硫化物涂層，并以同類材料取代;

(2)在上游面應(yīng)用另一種噴漿層;

(3)在上游面應(yīng)用土工膜防滲面層。

關(guān)于前兩種選擇方案，清理剝落的聚硫化物需要另外想辦法收集和處理產(chǎn)生的碎片。另外，已證明聚硫化物的壽命一般都比較短，約為20 a。SCE曾經(jīng)在1966年應(yīng)用過(guò)一種增強(qiáng)的噴漿層，盡管通過(guò)壩體的滲流量因此約減少了50%以上，但在大約20 a以后，出現(xiàn)很大的裂縫，水進(jìn)入了原來(lái)的混凝土中，凍融循環(huán)又重新開(kāi)始。

土工膜已在世界范圍內(nèi)超過(guò)85座大壩上得到應(yīng)用，鋪設(shè)壩體面積超過(guò)58萬(wàn)m2。

3種選擇方案的初始費(fèi)用相近，但預(yù)計(jì)的每年的折舊費(fèi)有很大差別。另外，與防滲涂層或噴漿層20 a的壽命相比，土工膜墊層壽命較長(zhǎng)，超過(guò)40 a，并且與安裝有關(guān)的環(huán)境問(wèn)題較少。

3 修復(fù)設(shè)計(jì)

大壩位于自然保護(hù)區(qū)，基本的運(yùn)輸工具是2臺(tái)有軌纜車和一條船。而這需要獲得一些機(jī)構(gòu)的許可，包括美國(guó)林務(wù)局(USFS)、美國(guó)魚(yú)類和野生動(dòng)物管理局(FWS)、美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)以及地方水資源局。在這類地區(qū)進(jìn)行施工需要采取最原始的方法，除非在迫不得已的情況下才使用機(jī)械化作業(yè)。SCE指出必須在一個(gè)季節(jié)內(nèi)使用挖掘機(jī)和四輪車完成土工膜防滲面層的鋪設(shè)。若采用排空水庫(kù)的方式進(jìn)行施工，則可能會(huì)使工期延長(zhǎng)到兩個(gè)季節(jié)，其對(duì)保護(hù)區(qū)環(huán)境的影響會(huì)超過(guò)使用機(jī)械設(shè)備。

SCE在2008年與CARPI公司商談了一個(gè)設(shè)計(jì)和建造合同。該合同包括了ACE修復(fù)公司為兩座嚴(yán)重受損的拱進(jìn)行灌漿的條款。在鋪設(shè)土工膜之前，CARPI提供了該系統(tǒng)的細(xì)部設(shè)計(jì)計(jì)劃和說(shuō)明。這包括經(jīng)過(guò)USFS的可建造性審查和來(lái)自 SCE、CARPI、ACE和USFS的代表們的施工前會(huì)議商討，以保證所有的安裝部件都能夠得到妥善地規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

寶石湖土工膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施之所以復(fù)雜是因?yàn)?

(1)大壩交通困難;

(2)大壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜;

(3)因工程處于高海拔地區(qū)，施工時(shí)段較短;

(4)環(huán)境限制。

寶石湖壩獨(dú)特的結(jié)構(gòu)要求創(chuàng)新設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)，以便經(jīng)濟(jì)地通達(dá)大壩的上游面進(jìn)行施工。根據(jù)以往類似的安裝，CARPI的安裝小組借助腳手架進(jìn)入壩體的前側(cè)。對(duì)于寶石湖壩，將腳手架運(yùn)輸?shù)缴缴喜⑦M(jìn)行安裝的費(fèi)用過(guò)高，估計(jì)會(huì)超過(guò)20萬(wàn)美元。實(shí)際上，如果使用腳手架，在一個(gè)季節(jié)內(nèi)完成安裝任務(wù)的主要目標(biāo)就不可能實(shí)現(xiàn)。

2006年，CARPI在德國(guó)的Linach壩上鋪設(shè)了土工膜防滲面層。為了這次鋪設(shè)，CARPI施工人員利用吊平臺(tái)來(lái)接近大壩的上游面。吊平臺(tái)是一個(gè)兩點(diǎn)可調(diào)的懸掛腳手架，利用與平臺(tái)兩端U形夾頭相連的繩索或鋼索懸吊。雖然寶石湖壩仍有小部分區(qū)域需要架設(shè)腳手架，但是通過(guò)吊平臺(tái)可以接觸到90%以上的壩面。使用吊平臺(tái)明顯減少了工程的潛在費(fèi)用。

在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)認(rèn)真的初步設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析得出:典型的拉伸剖面安裝方法在相鄰兩拱交叉的地方并不適用。寶石湖壩的幾何形狀(拱跨度比較短)致使交叉部位有一區(qū)域繃得太緊。CARPI開(kāi)發(fā)了一種新的多層設(shè)計(jì)系統(tǒng)，構(gòu)建了全尺寸樣機(jī)，并建立了每個(gè)安裝階段的文檔。這保證了SCE和加利福尼亞大壩安全局(DSOD)安裝工作的成功完成。

4 土工膜鋪設(shè)

在寶石湖壩上鋪設(shè)土工膜的工作于2007年6月開(kāi)始，并包含了許多施工步驟。CARPI在表面粗糙的地方(約占總面積的3%)按照每平方米2 kg的標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)土工布使之變得平順，因此減少了表面平整費(fèi)用。其次，在整個(gè)表面，CARPI為排水層鋪設(shè)了Tenax Tendrain土工網(wǎng)，用一層薄的土工布包裹住已經(jīng)存在的聚硫化物保護(hù)涂層。然后，CARPI沿著基礎(chǔ)兩跨溢洪道拱的溢流堰頂，兩岸壩肩設(shè)置了淹沒(méi)的(不銹鋼)周邊止水。沿16座非溢洪道拱的壩頂設(shè)置了非淹沒(méi)的(不銹鋼)周邊止水。在其他3個(gè)位置，CARPI設(shè)置了排水片，并在每個(gè)位置處打了一個(gè)鉆孔穿過(guò)壩面，以便使?jié)B漏水通過(guò)壩體排放。在拱的起拱點(diǎn)處垂直地安裝不銹鋼板條，在每跨拱的中央垂直地安裝不銹鋼張型材將土工膜緊貼在大壩面上。

土工復(fù)合材料包括3 mm厚的聚氯乙烯(PVC)土工膜和500 g/m3的土工布，沿水平方向按每次寬度為1.05 m鋪設(shè)于每跨拱的表面。最后，CARPI施工人員鋪設(shè)了3 mm厚的PVC土工膜焊接條帶來(lái)覆蓋不銹鋼的張緊型材。

該防滲系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是使該壩的全部表面防水的PVC土工復(fù)合材料。這種復(fù)合材料包含了在擠壓至非織造土工布過(guò)程中熱耦合產(chǎn)生的土工膜。土工膜復(fù)合材料固定在壩面上垂直設(shè)置的型材上。這種錨固技術(shù)能使土工復(fù)合材料在很大的范圍內(nèi)延伸，從而使這種材料應(yīng)力減到最小。因?yàn)闆](méi)有阻塞排水層的粘結(jié)層，所以這種錨固系統(tǒng)還允許排水層緊貼著壩體表面。這種土工膜防滲面層的錨固技術(shù)有兩大好處:

(1)為排水以及借助透過(guò)防水層或壩體的滲漏水的重力作用隨后排放提供可能性。滲水由安裝在壩體內(nèi)的排水管收集并排放到下游。

(2)允許將土工膜張緊以防止形成褶皺和下垂，這樣可延長(zhǎng)其使用壽命。

5 大壩修復(fù)所帶來(lái)的效益

通過(guò)在寶石湖壩鋪設(shè)CARPI土工膜系統(tǒng)帶來(lái)了以下效益:

(1)滲流控制。2007年9月，土工膜安裝完成以后所觀測(cè)的滲流量減少了50% ～90%，拱上部10.5 m的區(qū)段沒(méi)有明顯的滲流發(fā)生。

(2)消除了凍融破壞。阻止了通過(guò)壩體漏水造成的下游壩面變干，消除了凍融循環(huán)的成因。

(3)延長(zhǎng)壽命。對(duì)CARPI系統(tǒng)，有超過(guò)85座壩的成功跟蹤記錄。大壩修復(fù)設(shè)施已經(jīng)運(yùn)行了30 a以上。根據(jù)對(duì)6座現(xiàn)有壩的土工膜抽樣研究記錄，預(yù)計(jì)這些防滲設(shè)施的使用壽命將超過(guò)50 a。

(4)成本效益。土工膜系統(tǒng)和其他的選擇方案相比，其建造費(fèi)用實(shí)際上是同等的。

然而，由于土工膜系統(tǒng)使用壽命已得到證實(shí)，壽命周期成本分析顯示，CARPI土工膜是最具成本效益的。土工膜系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響最小，而噴漿和聚硫化物涂層則明顯需要采取更多的環(huán)保措施，最后，因?yàn)槔|車運(yùn)輸費(fèi)用增加以及大量使用可能造成的維修問(wèn)題，噴射混凝土方案所需要的材料體積和重量都很大使得該方案沒(méi)有吸引力。聚硫化物和土工膜防滲系統(tǒng)的運(yùn)輸費(fèi)用大致相同，但是，土工膜系統(tǒng)明顯地較為安全。幾乎所有的土工材料都是固態(tài)的，所以即使在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生丟失的話，也沒(méi)有大的危害。聚硫化物包含液體和膏狀物，一旦發(fā)生事故，意味著要進(jìn)行大量的清理工作。

(5)環(huán)境影響很小。與其他選擇方案相比，土工膜防滲系統(tǒng)所造成的工程環(huán)境影響較小。在土工網(wǎng)排水層上的土工織物能夠自動(dòng)截獲已有的聚硫化物涂層而無(wú)需進(jìn)行清除。不管是選擇噴漿還是聚硫化物方案都需要將現(xiàn)有涂層清除，這項(xiàng)工作很困難而且費(fèi)用昂貴。在寶石湖壩進(jìn)行土工膜鋪設(shè)無(wú)需修建場(chǎng)地或改建場(chǎng)地。因?yàn)樗畮?kù)岸線距離大壩上游面超過(guò)30 m，所以不產(chǎn)生泥沙。在整個(gè)鋪設(shè)過(guò)程中均保持了最低的在槽泄流量。

(6)美觀。寶石湖壩土工膜的鋪設(shè)90%的時(shí)間都在水下完成，大壩的外觀基本不受影響?？菟陼r(shí)或水庫(kù)排空時(shí)，土工膜暴露，它是一種非彩色的灰色，與周圍地面協(xié)調(diào)。

(7)維修工作量最小。CARPI土工膜防滲系統(tǒng)是一種被動(dòng)的系統(tǒng)，不需要進(jìn)行維修。

6 未來(lái)的打算

SCE正在調(diào)查研究在其他幾座大壩鋪設(shè)類似的土工膜會(huì)帶來(lái)的效益，包括在阿格紐湖(Agnew Lake)壩(多拱混凝土壩)，希爾賽德(Hillside)壩和塞勒巴(Saddlebag)壩(木面板堆石壩)，杉楃湖(Shaver Lake)壩(混凝土重力壩)，以及泰奧加湖(Tioga Lake)壩(主壩為木面板堆石壩，副壩為混凝土拱壩)。