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复合土工膜在平原围封水库全库盘防渗中的应用及施工
李洪林
(中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)
【摘 要】山西省万家寨引黄工程墙框堡水库为一座平原围封水库，全库盘采用复合土工膜进行防渗。本文介绍了该水库的防渗结构型式，并详细介绍复合土工膜防渗结构主要施工工艺和质量检测方法，通过蓄水后的监测成果说明本工程的设计方案、施工工艺可行，对类似工程设计、施工具有重要的借鉴价值。
【关键词】复合土工膜 围封水库 全库盘防渗 应用 施工
1 防渗结构及施工环境简介
万家寨引黄入晋工程位于山西省的西北部，从黄河万家寨水库取水，由总干线、南干线、联接段和北干线四部分组成。墙框堡水库位于北干线末端大同南郊墙框堡村南，为平原围封水库。
水库大坝为碾压均质土坝，坝轴线总长2.8km，坝顶宽6.0m，最大坝高12m。水库总库容218.4万m3，正常蓄水EL1034.87m、死水位EL1028.68m。上游坝坡1:2.5，下采用0.25m厚的现浇混凝土板护坡，下设土工布，土工布下铺设0.35m厚中粗砂垫层，垫层下铺设防渗复合土工膜，并与库底复合土工膜衔接。
水库库底北高南低，坡降约1%。库底复合土工膜防渗结构自下而上为排水盲沟、复合土工膜，南区采用70cm粘土覆盖，北区采用40cm砂砾石+30cm厚碎石保护。
水库进水系统布置在水库大坝东北角，入库设计流量6.0m3/s，主要由进水闸室段、箱涵段、消能段和护坦等组成。出水系统布置在水库东南角，主要由护坦、前池和出水闸室段、坝下廊道等组成。
库底、上游坡面复合土工膜与进水箱涵、消能槽、消力池、前池、出水闸、坝顶防浪墙等周边混凝土结构形成全库盘封闭的防渗系统。其中，防渗复合土工膜材料为FN2/PE-20-400-0.5，计采用《土工合成材料非织造布复合土工膜》（GB/T 17642-2008）标准；反滤土工布材料为PET15-X-300，设计采用《土工合成材料长丝纺粘针刺非织造土工布》(GB/T 17639-2008)标准。
库区设@100×100m间距的齿槽，部分齿槽内设排水盲管。上游坝坡与库区齿槽对应部位设排水、排气盲管，盲管采用300g/m²包裹中粗砂结构。排气盲管通过PVC管引至坝顶防浪墙墙身，库区膜下渗水通过出水系统邻近的坝下排水盲沟排至坝后。
复合土工膜防渗系统施工的重点是基底处理、复合土工膜的铺设和连接、复合土工膜与周边构筑物的锚固、上保护层施工。
墙框堡水库库盘典型防渗结构断面见图1。
图1 墙框堡水库库盘典型防渗结构断面图
墙框堡水库地处内陆深处，属温带季风大陆性气候。干燥多风，十年九旱，尤其春天更为严重。据大同市气象站1971～2000年实测资料统计，多年平均降水量371.4mm，其中76%的降水量集中于6～9月。夏季受西太平洋副热带高压影响，天气干燥炎热，年蒸发量大，多年平均蒸发量2057.4mm（φ20cm蒸发皿）。冬季受蒙古冷高压的控制，气候干燥寒冷，雨雪稀少且多风沙。多年平均气温7℃，年际温差不大，年内温度变化很大。多年平均风速2.9m/s，最大风速可达26.6m/s，风向多为西北风；最大冻土深度186cm。
墙框堡水库工程复合土工膜按库底、上游坝坡分区分块、同步进行施工。
施工利用环库公路、坝顶公路及坝0+100部位预留进库跨坝公路作为施工通道。施工分区、铺设顺序如下：
（1）先铺设坝坡、库底中央区域的复合土工膜，同步完成复合土工膜上部结构；
（2）由南向北铺设库周预留道路部分的复合土工膜，同步完成复合土工膜上部结构。预留通道部分在坝0+100部位施工结束。
（3）最后进行坝0+100部位的坝坡跨坝段复合土工膜及上部结构施工。
复合土工膜施工均安排在白天进行。现场配备移动式汽油发电机提供施工电源，每台发电机均配置一台配电箱，配电箱均设置漏电保护器。
为便于现场施工管理，控制闲杂人员及设备进入复合土工膜施工现场，兼作焊接机、包缝机、充气检测仪等小型工、器具及进场人员换取的鞋、衣服等的临时存放，库区复合土工膜施工区域入口处设值班管理室。
现场复合土工膜仓库采用开敞式，仓库采用枕木垫高，在枕木上平整铺设经过刨光处理的5cm厚木板，木板上再展铺双层塑料布。土工膜入库后，在土工膜上覆盖防雨蓬布，避免光照、雨水、潮气等影响。同时，仓库配备灭火设施，且树立醒目的禁烟、禁火标识，安排专人轮流看护。
3.1排水（气）盲管施工
基槽全部由人工铲挖，开挖土方集中堆放于土工盲沟两侧0.5m以外的区域，再由小型反铲挖机配3～5t轻型汽车将开挖土料运至弃料场。
上游坝坡土工布先在仓库按设计尺寸加工完成后，由3t载重汽车运送至库区坡脚，再由人工抬运至施工区域进行铺设。盲管级配碎石在底部土工布铺设完成人工填筑，填筑完成立即采用土工布覆盖，并对表面土工布接缝进行缝接。土工布采用手提缝纫机双道缝制，缝接宽度为10cm，最小缝针距离织边（材料暴露的边缘）至少25mm，缝制强度不小于土工布断裂强度的60%。缝接线采用尼龙线，缝接须连续进行。
为保证排水盲沟整体连通，在T型接头部位与十字交叉部位土工布底部十字交叉铺设两块土工布，土工布缝接施工完成后将交叉土工布对折搭接缝合。
3.2复合土工膜施工
3.2.1 施工准备
熟悉设计文件及其它相关资料，对施工区域的水文、气象认真调查，编制详细的作业指导书并做好施工前的安全技术交底、施工技术培训工作，让所有操作和检测人员都领会各自领域的施工工艺流程和操作要求、技术标准。
所有施工人员，特别是复合土工膜焊接和质量检测人员，施工前必须进行技术培训和操作考核，考核合格人员持证上岗。
根据水库结构特点，绘制详细的复合土工膜拼幅图和下料图。拼幅图是为了控制现场复合土工膜的拼接尺寸，指导复合土工膜的铺设施工工艺和质量检查验收。下料图是提供给材料生产厂家，要求厂家按照下料图进行生产，确保现场复合土工膜能按拼幅图进行摊铺，且焊缝均设在PE膜连接部位，以保证复合土工膜连接质量。特殊部位或异型结构，采用膜布分离结构，以确保膜与膜直接焊接。
坝坡防滑槽的开挖、坡面清理、库区盲沟施工已完工并且经过监理工程师验收签字，平整碾压工作已完成并符合设计要求，铺设面要求基体平整、基底密 实均匀，不能有凹凸不平、尖锐物，无渗水、淤泥、集水。
清除基面树根、超径棱角块石、钢筋头、铁丝、玻璃屑等有可能损伤PE膜的杂物。
停止复合土工膜铺设安全范围的开挖、混凝土浇筑、排水等交叉作业。
对已碾压完成、经过验收合格的待铺设区域打桩拉线进行封闭围护，设立醒目的警示标志，派专人值班看守，严禁闲杂人员及机械设备通行。
检查复合土工膜铺设面验收文件是否齐全，铺设前的所有工序必须经监理工程师验收合格，未经过监理验收的工作面不得进行土工膜铺设施工。
本工程采用0.5mm厚的聚乙烯（PE）涤纶长丝纺粘针刺非织造布复合土工膜（两布一膜）。施工前，必须确保按进度要求进场充足的材料，且使用前进行以下检测、试验：
①出厂报告检测：凡在工程中用到的土工膜，每一批都应具有制造商提供的出厂检测报告原件，注明面积、生产日期、班次和检验员代号。检验时对外包装进行百分之百检查，若发现外包装完全损坏，则应进行外观质量检测。凡原材料出厂检测报告中所标明的试验结果不符合其规定的技术标准时，做退货处理。
②内在质量检测：土工膜进库后的验收检验取样批量应按连续生产的同一批次、同一牌号、同一配方、同一规格、同一工艺的产品，每次取样由供货方、施工方、项目部质检部门、监理方和业主方共同进行，各方签字认可有效。取样检查报告一式五份，参与取样单位各持一份。
③外观质量检测：对所有土工膜摊铺后进行100%的外观质量检测。
④现场检测：土工膜在现场焊接前对其外观质量进行检查，检查膜面有无熔点、漏点，留边是否平整无褶皱等，发现质量问题经处理合格后才准予使用。
(5)人员及器具的准备
复合土工膜施工人员必须经过培训或技术交底后才允许上岗，焊接及质检人员必须持证上岗。现场所有施工人员必须定员、定岗，正确佩带岗位证上岗。严格执行现场考勤制度、进出场登记制度、现场交接班制度。
现场施工人员必须穿软底、平底鞋，施工人员除必须的工器具外其他一切无关物品不得带入施工现场。
现场所有人员严禁吸烟。现场所有施工器具不得带尖锐棱角，不得刺伤、烫伤、烧伤或划伤土工膜，专用工具如焊机、焊枪、剪刀、钳及检试验工具等采用专用工具箱存放。
3.2.2测量定位
复合土工膜摊铺之前对准备摊铺的区域进行测量放样，放样出摊铺的两侧边线，在边线上采用拉线的方式进行定位，控制摊铺边线和计算复合土工膜摊铺面积。
3.2.3 搬运
复合土工膜一般幅长50m、幅宽6m，现场采取自制台车运输，装卸台车采用人工抬运。人工抬运时，在卷芯内穿钢管，并在钢管两出露端系绳套。复合土工膜搬运过程中不得撕裂外包装，避免PE膜受损。复合土工膜抬至作业面即抽出钢管、拆除绳套，避免划伤PE膜。
3.2.3 摊铺
(1)摊铺方法
上游坡面复合土工膜摊铺分两步：第一步，与防浪墙墙基锚固部位的坡顶摊铺2m并外露预留搭接边；第二步，待防浪墙墙基部分浇筑完成，将待铺复合土工膜置于防浪墙墙基部位，上端与墙基部位预埋复合土工膜搭接、对正，将上端采用砂袋压重固定，然后向下滚铺。滚铺时，用绳套缓缓下放，禁止直接滚下。
库底水平摊铺时，先将一端同相邻块对接，砂袋压重固定，然后人工推动滚铺。
无论是坡面还是水平摊铺，铺设过程中边铺边调整，保证铺设方向及搭接宽度、预留松弛余量。复合土工膜随铺随压，铺设完成再人工调整相邻搭接宽度以满足设计要求。
(2)摊铺技术要求
①对每块膜、每条焊缝、每个缺陷点均进行编号，并标记在分区分块图上；
②复合土工膜每日铺设量不应大于当天所能焊接的数量（除有适当的保护措施外）；
③铺设应在干燥暖和天气进行。为了便于拼接，防止应力集中和人为损伤，复合土工膜铺设采用波浪形松驰方式，富余度约为1.5%；
④膜与膜之间、膜与基面之间压平、贴紧，不能有夹砂、夹水、夹尘现象；
⑤接缝处的PE膜下的土工织物必须压茬平整、无折皱，以确保热楔焊机运行正常；
⑥复合土工膜铺设后，应尽量减少在膜上行走、搬运工具等。凡能对PE膜造成危害的物件均不应留在膜上或携带在膜上行走，以免对膜造成意外损伤；
⑦复合土工膜校正，确保拼接合理，并用土工砂袋临时压边，防止风吹以影响土工膜的焊接质量；
⑧复合土工膜的剪裁在摊铺之后，根据该区域的大小进行实地尺寸的剪裁。
⑨复合土工膜摊铺完成，应全面进行外观检查，观察有无针眼、裂口、孔洞、起皱等缺陷，如有发现应立即采用各类彩色笔进行标记，并详细记录。
3.2.4 焊接
(1)试焊
复合土工膜热合焊接前，为了调整焊机参数满足当日的焊接要求，每日、每单元、每种施工环境下必须进行试焊。试焊样品长度至少1m，试焊要满足当日的环境温度和铺设要求。通过试焊，以调整好所有焊接施工的工作状态，确定焊接温度、速度、压力。
试焊完成，在满足当日气温条件下检测样品质量合格后，方能进行大面积的焊接施工。若检测结果达不到设计要求，重新试焊，直到检测结果满足要求。满足要求的试样焊接参数作为正式焊接的主要依据。
土工膜挤压熔焊接前也须试焊，试样规格300×600mm，试焊参数根据经验选取。
(2)焊接前的准备工作
复合土工膜主要利用热合焊机焊接。焊接前，先将第一幅复合土工膜铺好，将需焊接的边翻叠（约60cm宽），第二幅铺在第一幅膜上，调整两幅膜焊接边缘走向，使之搭接10cm。焊接前用洁净的干毛巾擦除膜面上的砂子、泥土等脏物，保证膜面干净。
对于T型接头、缺陷修补等，可以采用热熔焊机进行辅助作业。
(3)双缝热合焊机焊接
双缝热合焊接方法如下：
①对铺膜后的搭接宽度的检查，复合土工膜焊接接缝搭接宽度为100mm。
②焊接前，对搭接的200mm左右范围内的膜面进行清理，用干抹布擦掉灰尘、污物、水分等，使该部分保持清洁、干燥。
③焊接程序见图2。
图2 双缝热合焊机焊接程序图
(4)挤压熔焊机焊接
对于复合土工膜长直焊缝，主要是使用双缝热合焊机进行焊接。对于非长直焊缝以及局部修补、加强处理等部位，采取热熔挤压焊接。施工方法如下：
①铺膜前，检查接缝处基层是否平整、坚实，如有异物应事先处理妥善。
②检查焊缝处的搭接宽度是否合适（≥60mm），接缝处的膜面应平整，松紧适中，不致形成“鱼咀”。
③定位粘接：用热风枪将两幅膜的搭接部位粘接。粘接点的间距不宜大于60～80mm。施工中控制热风的温度，不可烫坏土工膜，且不得轻易撕开。
④打毛：用打毛机将焊缝处30～40㎜宽度范围内的膜面打毛，达到彻底清洁，形成糙面，以增加其接触面积。糙面深度不可超过膜厚的10%，打毛时要谨慎操作尽量少损伤膜面。
⑤焊接：焊接时将机头对正接缝，不得焊偏，不能允许滑焊、跳焊。焊缝中心的厚度为垫衬厚度的2.5倍，且不低于3mm。一条接缝不能连续焊完时，接茬部分已焊焊缝至少打毛50mm，然后进行搭焊。挤压焊接使用的焊条入机前必须保持清洁、干燥，不得用有油污、赃物的手套、脏布、棉纱等擦拭焊条。根据气温情况，对焊缝即时进行冷却处理。挤压熔焊作业因故中断时，必须慢慢减少焊条挤出量，不可突然中断焊接。重新施工时从中断处进行打毛后再焊接。
挤压熔焊接的操作程序见图3。
图3 挤压熔焊机焊接程序图
(5)T字接头处理
PE膜之间连接不允许出现“十”接头，多幅PE膜之间采用“T”字型接头。施工时，相邻膜之间的纵向缝采用热楔式焊机焊接，外贴PE膜采用半自动热合熔焊机、挤压焊机将上下两层HDPE膜热熔粘结。其施工要点如下：
①外贴PE膜与下部PE膜环行接触部位保持洁净、干燥。
②外贴PE膜必须覆盖相邻三条纵横向直焊缝预留部位，其尺寸还须小于检测真空罩直径。
③与T型接头相邻部位三个气道须热风枪进行封闭。
④T型接头施工完成须采用真空负压法检测其渗透性。
3.3库区覆盖层施工
复合土工膜上覆砂石料、碎石及粘土施工前，均进行现场试验，通过生产试验确定施工方案。
3.3.1砂砾石、碎石覆盖层填筑
(1)先摊铺120cm厚砂砾石作为车辆运输道路，同时采用推土机进占法摊铺40cm，采用轻型碾静碾碾压密实，最后将道路部分砂砾石摊铺到设计的40cm厚，并用轻型碾静碾碾压密实。
(2)砂砾石上的30cm碎石保护层，采用总重40t以下的自卸汽车直接运输到工作面，采用进占法卸料，推土机摊铺平整。
3.3.2粘土填筑
先在铺设完成的复合土工膜上摊铺120cm厚土方作为车辆运输道路，同时在道路两侧采用推土机进占法摊铺粘土70cm，采用轻型碾静碾压实。覆土完成，采用推土机将120cm厚道路表层50cm土分散摊铺，并用轻型碾静碾碾压密实。
3.4坡面中粗砂及土工布、现浇面板施工
中粗砂垫层采用5t自卸汽车运输到坝顶，然后人工铁锹铲运入仓。为保证中粗砂填筑密实、表面平整，在填筑过程中适当洒水，表面采用平板木耙整平。同时，禁止施工工器具直接与下层复合土工膜进行接触，避免损伤已经完成的复合土工膜防渗层。
坡面土工布在相应部位中粗砂铺设完成立即摊铺，采用滚铺法施工。施工时，先将土工布运输到相应仓面坝顶，人工自上而下滚铺，相邻两块土工布对正平搭，并采用缝包机按双线缝接。
护面混凝土面板采用简易滑模进行施工，分块、跳仓浇筑。混凝土采用斜溜槽入仓、插入式振捣器振捣，并人工二次压面压实、抹光。混凝土脱模后立即覆盖一布一膜的复合土工膜保湿、保温养护。
4 质量检测与缺陷修补
4.1 焊缝质量检测
复合土工膜焊缝主要按以下几种方法进行检测：
(1) 目测
主要通过肉眼观察焊缝是否清晰、连续，有无滑焊、跳走、气泡、漏点、熔点等现象。对检测出的质量缺陷或有怀疑的部位均采用彩色笔进行标记，并进行登记。质量缺陷与怀疑点采用不同色彩的记号笔进行标记，并立即采用相应的工艺进行修补。
(2) 手工剥离
随机选取焊接部位，用手钳PE膜焊缝两侧呈180°张拉，检测焊缝处是否会剥落。检测时，焊缝部位温度必须降至常温，且手钳同PE膜接触部位外缠胶布防护避免损坏PE膜。
(3) 室内试验
室内采用拉力计进行张拉试验，检测焊缝抗拉强度是否大于设计要求的母材强度。
(4) 充气检测
充气检测时将要检验的整段焊缝两端暂时密封，插入特制的空心针头，连通空气压缩机。启动空压机或其他加压装置，在0.1MPa压力下保持1min，压力表的数值不明显下降为合格。
(5) 真空检测
T型接头、缺陷修补、充气检测针孔封堵等部位采用真空检测。检测时，先在真空罩密封圈、与膜（或焊缝）接触部位及焊缝上涂刷肥皂液，然后将真空罩覆盖在需要检测的焊缝上，采用真空泵抽取真空罩内空气，其真空表的负压值不大于0.005 MPa，仔细观察30s。若焊缝上无肥皂泡产生即为合格，否则进行补焊。
真空检测，肥皂液的涂刷宽度应超出半球真空罩的范围，肥皂液应具有一定的浓度，应涂刷均匀，不得有漏刷现象，并不得以洗衣粉代替肥皂液。
(6) 电火花检测
利用复合土工膜为电的绝缘体的特点，当仪器扫描到有孔洞或有孔隙和地面连通的部位时，即产生明亮的电火花。
焊接前在焊缝中置入导线。用电火花仪对焊缝进行扫描，有空隙或薄弱的焊缝处将出现明亮火花，火花束集中进入，以此判定不严密部位。
4.2 膜上覆盖质量检测
膜上覆盖质量检测内容，主要通过对特殊部位的覆盖层进行剥离，目测复合土工膜受损情况。
4.3 缺陷修补
(1)对焊接检验切除样件部位、铺焊后发现的材料破损与缺陷、焊接缺陷以及检验时发现的不合格部位等用记号笔进行标注并进行详细的编号，并应进行修补。
(2)补修方法
点焊：对材料上小于5㎜的孔洞及局部焊缝的修补完善，可用挤压熔焊机进行点焊。
补焊：对不够厚度或不够严密的挤出焊缝，可用挤压熔焊机补焊一层。
补丁：对大的孔洞、刺破处、膜面严重损伤处等无法实施点焊和补焊的部位进行补丁修补。补丁材料必须使用母材，补丁边距缺陷处不小于80mm。
5 结论
墙框堡水库工程库区共铺设复合土工膜52.57万m²，库底焊缝65528.3m、坝坡焊缝12698.3m，T字型接头2307个。库底施工缺陷263处、平均0.40个缺陷/100m；坝坡施工缺陷66处、平均0.52个缺陷/100m；母材缺陷库底286个、坝坡35个。所有缺陷均进行修复，复检质量全部合格。
复合土工膜PE膜焊缝现场取样19组进行抗拉强度检测，断裂最大拉力11～16N，且均不在焊缝处断裂。
施工期间，对复合土工膜的关键接缝部位（如T字型接头、跨沟槽、盲沟十字交叉部位）覆盖层进行了剥离抽检。结果发现：检测部位的复合土工膜均呈松弛状态而无绷紧， “T”字接口、焊缝及上下两层布均完整无损坏。
水库于2011年8月17日开始蓄水，目前已按设计水位蓄水近3年。通过对蓄水后水库所埋测压管、渗压计、量水堰等监测及成果数据分析，未发现水库渗漏，这说明复合土工膜防渗结构设计合理、施工工艺可靠、质量保证，墙框堡水库工程全库盘防渗对类似工程设计、施工具有重要的借鉴价值。
