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土工膜防渗库盘单向排水排气泄压阀性能

平原水库作为关键的水利设施,在供水、灌溉、航运和发电等多个领域中扮演着重要角色。对于采用全库盘土工膜防渗技术的平原水库,在蓄水初期,由于土工膜下非饱和土层中的孔隙气体易聚集以及地下水位上升等现象,可能会导致局部或大面积的土工膜浮起甚至破裂,从而引发一系列工程安全问题。经过对相关专利、资料的研究及现场调查发现,具备单向排水功能的单向阀能够有效减轻水库外侧的扬压力。

在总结前人研究成果的基础上,本研究设计出了一种新型的排水排气泄压单向阀,并对其排水止水性能、耐久性以及防淤积性能进行了全面测试。同时,以平阴县东三里水库为例,深入探讨了该单向阀对土工膜位移以及对库外侧孔隙水压力的影响,所得成果可为今后类似库盘土工膜防渗体的设计提供参考依据。主要研究结果与结论梳理如下:

  1. 研发了一款新型库盘排水排气泄压单向阀。该阀体主要由上半球、下半球及橡胶阀舌三部分构成;上下半球通过螺栓连接固定,下半球布设有均匀的排水排气孔,并在其外部包裹一层土工布,内部填充复合土工布起到反滤作用,防止单向阀堵塞淤积;上半球顶部配置保护盖,橡胶阀舌从上半球顶端开口处伸出。此单向阀安装于水库库底盲沟交汇处,与土工膜紧密连接,形成完整的防渗体系,能有效服务于水库库底防渗需求。
  2. 通过模型试验,针对A(小开孔)、B(大开孔)两种型式的新型单向阀,在不同阀舌开孔率(50%、30%、5%)条件下,对其排水止水性能、耐久性和防淤积性能进行了详尽测试。实验结果显示:在排水止水测试环节,两种型号的单向阀均表现出色,未出现闭合滞后或闭合后漏水的问题;而在耐久性和防淤积性能测试中,由于B型单向阀增大了有效过水面积,整体性能明显优于A型,更适合在库底环境中使用。这些测试结果为未来单向阀的大规模生产和推广应用提供了有价值的参考依据。
  3. 通过对平阴县东三里水库的实际应用情况进行数值模拟,深入探究了单向阀在实际库底运行时对土工膜位移及库外侧孔隙水压力的影响。研究表明:单向阀的排水泄压效果显著,对保护库盘土工膜防渗结构发挥了积极作用。随着内外侧水头差的增加,安装有单向阀的库底土工膜位移相较于未安装的情况有更明显的减小;同时,相比无单向阀的情况,安装单向阀后的库底孔隙水压力分别降低了85.4%、29.1%、58.1%和66.1%。

    水乃生命之源、生态基础和生产活动的核心要素,人类依赖水资源而生活、繁衍与进步。我国将水资源视为至关重要的战略性基础资源之一,它对人民日常生活、社会和谐稳定及国家经济快速发展起着不可或缺的支撑作用。尽管我国拥有丰富的水资源总量,但人均水资源占有量仅为全球平均水平的四分之一左右,约为2240立方米。同时,我国水资源在地理空间和季节时间上分布不均衡,呈现东部和南部相对充沛、西部和北部相对匮乏的特点,以及春夏秋季丰沛而冬春季节短缺的季节性特征。为此,为了确保民众生活的安定和社会经济的平稳运行,我国采取了一系列水利工程措施以调蓄水源、防洪减灾,旨在实现人与水环境的和谐共生。水利工程不仅是一项关乎国家安全的重大工程,更是关乎民生福祉和发展大局的战略工程,其价值在于保障人民的生命财产安全,推动经济发展,改善人居环境和生态环境,具有多重效益。
    平原水库是通过填筑围坝方式,在平原地带如天然湖泊、河流低洼区域等地形上建造的水库类型,以其结构简单、运营维护便捷等优点,成为了我国西北干旱及半干旱地区调配水资源、解决地区性水资源供需矛盾的关键途径。自上世纪50年代以来,我国大规模地开展了农田水利建设,在全国各地建立了众多平原水库,其中尤以黄淮海流域、沿海地区及内陆河平原地带最为集中。据统计,仅山东省已建成超过800座平原水库。这些水库在投入运营后,有效地解决了当地地下水过度开采等问题,提高了水资源利用效率,有力促进了经济发展,并带来了显著的社会效益。然而,这类水库多采用库区内开挖土料填充围坝的方式建设,且往往位于冲积平原或山前洪积区,地表通常覆盖薄层致密粘土,下部则为厚度较大且渗透性强的粉土或粉砂层,加之库区面积广阔、坝轴线长,易出现渗漏问题。水库渗漏不仅可能造成围坝塌陷、水资源持续流失,对水库的安全运行构成严重威胁,还可能引起库区周边地下水位上升、土壤盐碱化等一系列环境问题。
    当前,复合土工膜铺设是解决平原水库及城市景观水体渗漏的有效方法之一。土工膜材料技术于上世纪70年代初引入国内并迅速发展至90年代以后,在水库、渠道、城市水体等各种涉水工程中作为防渗材料广泛应用。但在采用全库盘铺设土工膜的平原水库中,随着地下水位升高,膜下气压和孔隙水压力也会相应增大。当水库周边地下水位上涨时,土工膜下非饱和土层的孔隙水压力增加,孔隙气体易于聚集,导致土工膜局部甚至大面积浮起,甚至可能发生气爆现象,进而破坏土工膜防渗体系,引发一系列安全隐患。例如,山东省淄博市新城水库因土工膜受气胀破坏导致严重渗漏;济南市玉清湖水库也因坝前一定范围内土工膜发生气胀破损加剧了库水渗漏,进而引发了周边农田被淹等严重问题。为防止此类工程事故的发生,通常会在库底设置单向排水阀。目前广泛使用的平盖式排水阀存在易堵塞、排气效果差、寿命短等缺点。因此,采取有效的土工膜膜下排水排气措施对于保护土工膜、减少库水渗漏至关重要。
    本研究在广泛查阅文献资料和深入工程现场调研的基础上,借鉴国内外学者的研究成果,成功研发了一种新型适用于库盘土工膜防渗的单向排水排气阀,并通过试验对其性能进行了全面测试。结合实际工程项目验证,该新型单向阀的排水排气泄压效果明显,具有广阔的应用前景,对今后的库底排水设计、施工、运行管理具有重要的指导意义。


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