土工合成材料的工程應(yīng)用

1、土工合成材料的工程應(yīng)用第一節(jié) 概述 土工合成材料是應(yīng)用于巖土工程的、以合成材料為原材料制成的新型建筑材料，已廣泛應(yīng)用于水利、公路、鐵路、港口、建筑等工程的各個(gè)領(lǐng)域。 目前，國(guó)內(nèi)外通常采用聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚酰胺纖維及聚乙烯醇纖維等原料制造土工合成材料，形成了八大系列產(chǎn)品，如：土工織物、土工膜、土工網(wǎng)、土工格柵、土工席墊、土工格室、土工復(fù)合材料及相關(guān)產(chǎn)品等。其中土工膜是土工合成材料中應(yīng)用最早也是最廣泛的一種系列產(chǎn)品，土工膜為相對(duì)不透水的聚合物薄片，在巖土和土木工程中用于防滲和氣體的輸送；土工復(fù)合材料為用兩種以上土工合成材料經(jīng)人工組合的復(fù)合體，用于排水、截水及加筋等。土工膜最早應(yīng)用可追溯到上世

2、紀(jì)二三十年代，人們?cè)捎镁勐纫蚁㏄VC土工膜作為游泳池的防滲材料；50年代初，美國(guó)墾務(wù)局采用PVC土工膜作防滲襯砌；前蘇聯(lián)以聚乙烯膜進(jìn)行渠道防滲。我國(guó)對(duì)土工膜的研究和應(yīng)用起步雖較晚，但開展很快。60年代中期，塑料薄膜用于渠道防滲，較早的工程有河南人民勝利渠、陜西人民引渭渠、北京東北旺灌區(qū)和山西的幾處灌區(qū)，主要原料是聚氯乙烯，個(gè)別是聚乙烯，以后推廣到水庫(kù)、水閘和蓄水池等工程。70年代中后期利用聚丙烯編織布進(jìn)行防滲護(hù)底處理，19791980年寧夏石嘴山市修建了一座容積為25萬(wàn)m3的蓄水池，采用厚度為0.1mm的聚氯乙烯薄膜防滲。1984年陜西西駱峪水庫(kù)采用三層厚0.06mm的聚乙烯薄膜作防滲。隨著

3、高分子化學(xué)工業(yè)的開展，自20世紀(jì)以來(lái)相繼出現(xiàn)了聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等各種纖維，這些合成材料具有強(qiáng)度高、彈性好、耐磨、耐化學(xué)腐蝕、不會(huì)發(fā)霉、不怕蟲蛀及吸濕性小等特點(diǎn)，用于工程又具有施工簡(jiǎn)便、易保證質(zhì)量、施工進(jìn)度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，故被人們所重視，應(yīng)用也日益廣泛。目前，國(guó)內(nèi)外堤壩滲流控制中所應(yīng)用的土工合成材料，主要是透水的土工織物和相對(duì)不透水的土工薄膜兩大類。本章主要講述土工膜及其應(yīng)用，其他類型的土工合成材料在此不再贅述。 一、土工膜的種類及性能 1土工膜的種類土工膜是一種由高聚合物制成的透水性極小的土工合成材料。根據(jù)原材料不同，可分為聚合物和瀝青兩大類。為滿足不同強(qiáng)度和

4、變形需要，又有不加筋和加筋的區(qū)別。聚合物膜在工廠制造，瀝青膜那么大多在現(xiàn)場(chǎng)制造。國(guó)內(nèi)外制造土工膜的根本材料大致可分為如下幾種： 1熱塑性材料：如聚氯乙烯PVC、耐油聚氯乙烯PVC-OR等； 2結(jié)晶熱塑性材料：如低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE、聚丙烯PP等； 3彈性材料：如二烯一異丁烯橡膠IIR、氯丁橡膠CR、環(huán)氧丙烷橡膠CV等； 4熱塑性彈性材料：如氯化聚乙烯CPE、氯磺聚乙烯CSPE、氯化聚乙烯熔合物CPE-A等； 5瀝青和樹脂：如瀝青、煤焦油瀝青、改性瀝青、環(huán)氧樹脂和丙烯樹脂等。這幾種主要材料的性能如表10-1所示表10-1 幾種土工膜根本材料性能 材料性能氯化聚乙烯CPE高密

5、度聚乙烯HDPE聚氯乙烯PVC氯磺聚乙烯 CSPEHypalon耐油聚氯乙烯PVC-OR力學(xué)特性頂破強(qiáng)度好很好很好好很好撕裂強(qiáng)度好很好很好好很好伸長(zhǎng)率很好很好很好很好很好耐磨性好很好好好-熱力特性低溫柔性好好較差很好較差尺寸穩(wěn)定性好好很好差很好最低現(xiàn)場(chǎng)施工溫度-12-18-1055滲透系數(shù)m/s10-14-710-153.610-1410-14極限鋪設(shè)邊坡1：2垂直1：11：11：1現(xiàn)場(chǎng)拼接溶劑很好好很好很好很好熱力差-差好差粘結(jié)劑好-好好好最低現(xiàn)場(chǎng)粘結(jié)溫度-710-7-75相對(duì)造價(jià)中等高低高中等 制造土工膜時(shí)還需要滲入一定量的添加劑，在不改變材料根本特性的情況下，改善其根本力學(xué)性能、抗環(huán)境影

6、響性能和降低本錢。 瀝青類薄膜常用的添加料主要有填料和纖維，有時(shí)摻入一定的彈性物質(zhì)。填料加細(xì)粒礦粉，常用的有石灰粉、滑石粉、云母、粉煤灰、石墨等。摻量為瀝青與礦粉總重的60%以內(nèi)，一般為30%。添料的作用在于增加膜的勁度，還可降低本錢；纖維一般用石棉或玻璃絲，其作用是增加膜的強(qiáng)度。彈性物質(zhì)常采用再生橡膠等，摻量一般為5%15%，其作用是改善膜的物理性質(zhì)或增強(qiáng)抗裂能力。 聚合物類薄膜的添加料有填料、纖維、改性劑、增塑劑、炭墨、抗氧化劑、穩(wěn)定劑、殺菌劑。填料為上述各種礦粉。常用的纖維有玻璃絲、聚脂或尼龍短纖維等。這兩種摻料的作用與瀝青類相同，其他摻料各有不同的作用。改性劑是在膜的制作過(guò)程中使混合料

7、硬化或軟化；增塑劑用于增加膜的柔性；炭黑增加膜的抗紫外線和臭氧等的老化作用，并在制作過(guò)程中使混合物保持穩(wěn)定；殺菌劑用于防止菌類微生物對(duì)聚合物薄膜的侵蝕。土工膜的類型大體可分為如下幾類： 1現(xiàn)場(chǎng)制成的非加筋土工薄膜 現(xiàn)場(chǎng)非加筋土工薄膜即是在工地防滲面現(xiàn)場(chǎng)土體或混凝土外表噴涂一層熱的或冷的粘性材料，常用材料是瀝青、瀝青和彈性材料混合物及其他聚合物如聚氨基甲酸脂。這種土工薄膜的主要優(yōu)點(diǎn)是不存在拼接的問(wèn)題，價(jià)格低，但厚度較厚，約37.5mm。 2現(xiàn)場(chǎng)制成的加筋土工薄膜 現(xiàn)場(chǎng)加筋土工薄膜是在現(xiàn)場(chǎng)將一層織物先鋪設(shè)在需要施工的防滲面上，然后在織物上噴涂一層熱的或冷的粘性材料，使透水性很低的粘性材料浸漬在織物

8、的表層，以形成整體性的防滲薄膜。所用的粘性材料與上述第一種土工薄膜相同。起加筋作用的織物，早期主要為玻璃纖維布，現(xiàn)大多使用針刺無(wú)紡?fù)凉た椢?。這種土工薄膜的典型厚度為37.5mm。 3工廠預(yù)制非加筋土工薄膜 預(yù)制非加筋土工薄膜使用聚合物、彈性體以及低分子材料通過(guò)滾壓和擠壓工藝制成，是一種沒(méi)有任何織物加筋的均質(zhì)薄膜。其典型厚度為0.254mm擠壓工藝和0.252mm滾壓工藝。 4工廠預(yù)制復(fù)合土工膜 預(yù)制復(fù)合土工膜是將土工織物通過(guò)滾壓或噴涂使外表浸漬或粘合一層聚合物薄膜，應(yīng)用較多的是非織造針刺土工織物，其單位面積質(zhì)量一般為200600g/m2。復(fù)合土工膜在工廠制造時(shí)可以有兩種方法，一是將織物和膜共同

9、壓成；另外根據(jù)工程的質(zhì)量也可在織物上涂抹聚合物以形成二層俗稱一布一膜、三層二布一膜、五層三布二膜的復(fù)合土工膜。 復(fù)合工膜有許多優(yōu)點(diǎn)，以織造型土工織物復(fù)合，可以對(duì)土工膜加筋，保護(hù)膜不受運(yùn)輸或施工期間的外力損壞；以非織造型織物復(fù)合，不僅對(duì)膜提供加筋和保護(hù)，還可起到排水排氣的作用，同時(shí)提高膜面的摩擦系數(shù)，在水利工程和交通隧洞工程中有廣泛的應(yīng)用。 2土工膜的性能 土工膜被廣泛應(yīng)用于水利和巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域。不同的工程對(duì)材料有不同的功能要求，并以此選擇不同類型和不同種類的土工膜。土工膜的一般性能包括物理、力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)和耐久性能等。在工程應(yīng)用中更重視其防水滲透性及透氣性、抗變形的能力及耐久性。大量工程

10、實(shí)踐說(shuō)明，土工膜有很好的不透水性；有很好的彈性和適應(yīng)變形的能力，能承受不同的施工條件和工作應(yīng)力；有良好的耐老化能力，處于水下、土中的土工膜的耐久性尤為突出?？傊梢哉J(rèn)為土工膜具有十分突出的防滲和防水性能。土工膜的特性隨其類別、制作方法、產(chǎn)品類型的不同而變化較大。 1物理性能指標(biāo) = 1 * GB3 單位面積質(zhì)量，系1m2土工膜的質(zhì)量，稱為土工膜的根本質(zhì)量，單位為g/m2。它是土工膜的一個(gè)重要指標(biāo)。土工膜的單價(jià)與單位面積質(zhì)量大致成正比，其力學(xué)強(qiáng)度隨質(zhì)量增大而提高。因此，在選擇產(chǎn)品時(shí)單位面積質(zhì)量是必須考慮的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 = 2 * GB3 厚度，指土工膜在2kPa法向壓力下，其頂面與底面之間

11、的距離，單位為mm。土工膜厚度隨所作用的法向壓力而變，規(guī)定2kPa壓力表示土工膜在自然狀態(tài)無(wú)壓條件下的厚度。 2力學(xué)性能指標(biāo)，針對(duì)土工膜在設(shè)計(jì)和施工中所受荷載性質(zhì)不同，其力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)分為以下幾種：抗拉強(qiáng)度、握持強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、脹破強(qiáng)度、CBR頂破強(qiáng)度、圓球頂破強(qiáng)度、刺破強(qiáng)度等。在前3項(xiàng)強(qiáng)度試驗(yàn)中，試樣均為單向受力，其縱向和橫向強(qiáng)度需分別測(cè)定；而后4項(xiàng)強(qiáng)度的試驗(yàn)都表示土工膜抵抗外部沖擊荷載的能力，其共同特點(diǎn)是試樣均為圓形，用環(huán)形夾具將試樣夾制住，承受軸對(duì)稱荷載，縱橫雙向同時(shí)受力。在上述眾多力學(xué)指標(biāo)中，最根本的是抗拉強(qiáng)度。 = 1 * GB3 抗拉強(qiáng)度和延伸率，為單向拉伸?？v向和橫向抗拉強(qiáng)度表示土

12、工膜在縱向和橫向單位寬度范圍能承受的外部拉力，其對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變?yōu)橥凉つさ难由炻剩冒俜謹(jǐn)?shù)%表示。抗拉強(qiáng)度是力學(xué)性能中的重要指標(biāo)，用于產(chǎn)品質(zhì)量控制。聚合物土工膜拉斷時(shí)的極限延伸率可到達(dá)150%900%。加筋土工膜的最大抗拉強(qiáng)度高達(dá)1030KN/m。 = 2 * GB3 握持強(qiáng)度，是反映土工膜在挾持情況下分散集中荷載的能力，經(jīng)常用作土工膜的質(zhì)量控制。試驗(yàn)時(shí)僅1/3試樣寬度被夾持，進(jìn)行快速拉伸。土工膜對(duì)集中荷載的擴(kuò)散范圍越大，那么握持強(qiáng)度越高，單位為N。 = 3 * GB3 撕裂強(qiáng)度，是土工膜沿某一裂口或切口蔓延過(guò)程中的最大拉力，單位為N。 = 4 * GB3 脹破強(qiáng)度、CBR頂破強(qiáng)度、圓球頂破

13、強(qiáng)度、刺破強(qiáng)度，這四個(gè)強(qiáng)度都表示土工膜抵抗外部沖擊荷載的能力。其差異是試驗(yàn)時(shí)試樣尺寸、加荷方式不同，脹破強(qiáng)度單位為kPa,其它3項(xiàng)強(qiáng)度單位為N。水力脹破試驗(yàn)是確定土工膜平鋪在孔洞上的抗拉強(qiáng)度，以模擬實(shí)際情況。圓球頂破試驗(yàn)是量測(cè)土工膜的局部頂破強(qiáng)度，是土工膜的根本特性指標(biāo)之一。CBR試驗(yàn)是模擬土工膜鋪設(shè)在軟基和密實(shí)的粗粒料間，土工膜所能承受的應(yīng)力。水力刺破試驗(yàn)是量測(cè)土工膜支承在帶有鋒利棱角的支承物上時(shí)的刺破強(qiáng)度。各試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖10-1所示。圖10-1 頂破類試驗(yàn)示意圖單位：mm(a)脹破試驗(yàn)；(b)CBR頂破試驗(yàn)；(c)圓球頂破試驗(yàn)；(d)刺破試驗(yàn)。 除抗拉強(qiáng)度外，其它各力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)并不直接用

14、于設(shè)計(jì)，它們主要是作為參考指標(biāo)，根據(jù)工程實(shí)際情況，便于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行比擬和選擇。 3水力性能指標(biāo)，主要為滲透系數(shù)或抗?jié)B強(qiáng)度，是土工膜很重要的水力特性指標(biāo)，反映土工膜的抗?jié)B透能力。其滲透系數(shù)或抗?jié)B強(qiáng)度通過(guò)抗?jié)B強(qiáng)度試驗(yàn)確定。 4土工膜與介質(zhì)面相互作用性能指標(biāo)，即土或混凝土面土工膜界面的摩擦系數(shù)，土工膜埋在土中，通過(guò)土土工膜界面摩擦力傳遞土中應(yīng)力，形成連續(xù)穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)；土工膜鋪設(shè)在混凝土或?yàn)r青面板上聯(lián)合防滲，兩種介質(zhì)間通過(guò)膠結(jié)粘合在一起，共同承當(dāng)防滲作用，通過(guò)界面摩擦力抗衡內(nèi)部孔隙水應(yīng)力，防止滑坡形成穩(wěn)定的復(fù)合壩面體。需通過(guò)試驗(yàn)方法確定土工膜與界面間的摩擦系數(shù)。 5土工膜的耐久性指標(biāo)，影響聚合物土工膜耐

15、久性的因素包括：熱、光、氧、臭氧、濕氣、大氣中的二氧化氮和二氧化硫、溶劑、低溫、酶和細(xì)菌、應(yīng)力和應(yīng)變等。土工膜的破壞可能由于：反聚合作用和分子斷裂使聚合物分解，從而使聚合物物理性能衰化和發(fā)生軟化；失去增塑劑和輔助成分，導(dǎo)致聚合物硬化變脆；薄膜遇液體發(fā)生膨脹或溶解而發(fā)生強(qiáng)度的衰減，滲透性增大；接縫不良或拉開。 聚合物土工膜一般不會(huì)因溫度而分解，只有工業(yè)廢水池中襯護(hù)聚合物薄膜會(huì)因氧化溫升而起分解作用。許多聚合物對(duì)紫外線很敏感，會(huì)使聚合物分解加炭黑后可增強(qiáng)抵抗紫外線分解的能力。臭氧破壞不飽和主鏈，當(dāng)聚合物薄膜的拉應(yīng)變達(dá)1525%時(shí)，容易受臭氧作用而開裂。 在長(zhǎng)期應(yīng)力或反復(fù)應(yīng)力作用下，有的聚合物會(huì)因蠕

16、變或疲勞而變薄、破裂。聚合物一般能抵抗生物分解，但增塑劑或其他單體成分會(huì)在濕空氣中產(chǎn)生生物分解，而變軟或發(fā)脆。 交聯(lián)型聚合物有很好的抵抗化學(xué)分解的能力；結(jié)晶型聚合物成分簡(jiǎn)單，含增塑劑和填充料很少，不會(huì)因增塑劑容易喪失而很快老化。PVC是熱塑型的，老化快。丁基橡膠薄膜是由異丁烯和小比例的異戊二烯聚合而成的，它主要具有烷族的性質(zhì)，允許硫化處理，是緊序高分子，具有很好的抗氧化、化學(xué)、紫外線等侵害的性質(zhì)但容易被臭氧破壞。 土工膜耐久性指標(biāo)主要有耐磨、抗紫外線、抗生物、抗大氣環(huán)境等多種指標(biāo)，但大多沒(méi)有可遵循的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程，一般根據(jù)工程實(shí)際情況，按工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取。當(dāng)土工膜鋪設(shè)于渠道邊坡和渠底時(shí)，上面應(yīng)覆蓋土

17、厚2530cm，當(dāng)土工膜鋪設(shè)于混凝土或?yàn)r青混凝土面板上時(shí)，上面應(yīng)設(shè)置1020cm厚的防護(hù)層。 二、土工膜在水利防滲工程中的應(yīng)用 土工薄膜是由高分子聚合物制成的透水性甚小的材料，滲透系數(shù)一般為10-1110-12cm/s，這樣低的透水性是一種頗為理想的防滲材料。其在水利防滲工程中可應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： 1堤壩的防滲斜墻或垂直防滲心墻。 2透水地基上堤壩的水平防滲鋪蓋和垂直防滲墻。 3混凝土壩、圬工壩及碾壓混凝土壩的防滲體。 4渠道的襯砌防滲。 5涵閘水平鋪蓋防滲。 6隧道和堤壩內(nèi)埋管的防滲。 7施工圍堰的防滲。圖10-2是一些常見(jiàn)的防滲結(jié)構(gòu)示意圖。圖10-2 土工膜防滲形式土工膜作為一種良好的防

18、滲材料，目前在土石壩中，特別是堤防防滲工程中已被廣泛地采用，在混凝土壩或碾壓式混凝土壩的修補(bǔ)中，作為防滲護(hù)面也逐漸增多，其使用量約為土工織物使用量的11%左右。在我國(guó)的土壩建設(shè)和堤防加固中，作為垂直防滲墻的墻體材料等，被廣泛地使用。為了說(shuō)明土工膜在堤防防滲中的應(yīng)用，表7-2列出了國(guó)內(nèi)局部壩工中采用土工膜防滲的工程實(shí)例。表10-2 我國(guó)局部使用土工膜防滲的工程實(shí)例序號(hào)工程名稱地點(diǎn)使用時(shí)間最大擋水水頭(m)土工膜使用部位使用情況土工膜類型1石砭峪陜西200081斜墻加固復(fù)合土工膜2塘房廟云南199752斜墻新建復(fù)合土工膜3鐘 呂江西199851斜墻新建復(fù)合土工膜4溫泉堡河北199346.3碾壓混凝

19、土壩外表新建復(fù)合土工膜5田 村廣西199041.9心墻新建復(fù)合土工膜6小嶺頭浙江199136斜墻新建復(fù)合土工膜7先 鋒四川198733斜墻修復(fù)三層0.12單膜8甲日普西藏199231.4心墻新建復(fù)合土工膜9西北峪陜西197831庫(kù)區(qū)修復(fù)30.06單膜10李家箐云南198830.6斜墻新建復(fù)合土工膜11紅 衛(wèi)廣西199930.2斜墻修復(fù)復(fù)合土工膜12田 頭福建199230斜墻修復(fù)單膜13貢拜爾溝新疆199928鋪蓋修復(fù)復(fù)合土工膜14松子坑壩群廣東199428斜墻和心墻新建復(fù)合土工膜15水口圍堰福建199026.5心墻新建復(fù)合土工膜16白河301吉林198921.5心墻新建3層0.4單膜17切 吉

20、青海199220斜墻加固單膜118毛兒沖湖北199320斜墻修復(fù)單膜0.3219小青溝2號(hào)遼寧199520斜墻新建復(fù)合土工膜20軍 山江西198819.6斜墻修復(fù)復(fù)合土工膜21灣 子云南199518庫(kù)區(qū)修補(bǔ)復(fù)合土工膜22溫 泉青海199917.5斜墻新建復(fù)合土工膜23六 甲福建199115.5斜墻修復(fù)單膜24三官塘福建199115.5斜墻修復(fù)單膜25黃尖山江西198814.6斜墻加固單膜0.1、0.0726羅 坑江西198614.2斜墻修復(fù)單膜0.16、0.18、0.2227黑 河遼寧198913.9心墻新建復(fù)合土工膜28大 寧北京198513.5斜墻新建復(fù)合土工膜29土 坎四川199913.

21、3斜墻新建膜+織物0.2530三峽二期圍堰湖北199913.2斜墻 心墻新建復(fù)合土工膜31伍 溝四川199910.5斜墻加固復(fù)合土工膜32放馬峪北京198410斜墻修復(fù)30.1單膜33王甫洲湖北199910斜墻 鋪蓋新建復(fù)合土工膜34亂 木河北198910斜墻加固單膜0.835麥 坑江西19879.75斜墻修復(fù)單膜0.3236新 立廣東19908鋪蓋修復(fù)單膜續(xù)表10-2 我國(guó)局部使用土工膜防滲的工程實(shí)例37滑 子北京19848斜墻和庫(kù)區(qū)修復(fù)復(fù)合土工膜38閩 江福建19877.8鋪蓋修復(fù)單膜0.2439梨壁橋福建19887.5斜墻修復(fù)復(fù)合土工膜40萬(wàn)家寨圍堰山西內(nèi)蒙古19955.5心墻新建復(fù)合土

22、工膜41四 扣山東19925斜墻新建復(fù)合土工膜1.土工膜的防滲結(jié)構(gòu)土工膜的厚度很薄，容易遭破壞，為了有效保護(hù)和提高其在坡面上的穩(wěn)定性，在土工膜與堤身或堤基接觸處應(yīng)加一定厚度的墊層過(guò)渡層或反濾層，尤其對(duì)于膜與粗粒料直接接觸的情況。假設(shè)防滲膜選用復(fù)合土工膜材料，那么反濾層可以簡(jiǎn)化。對(duì)于已有的堤防加固情況，由于鋪反濾層較困難，可以直接選用復(fù)有較厚的非織造土工織物的復(fù)合土工膜作為反濾層，以便于施工。但應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，不管什么情況下，反濾層是必不可少的。土工膜防滲結(jié)構(gòu)原那么上應(yīng)包括5層，如圖10-3所示。圖10-3 土工膜防滲結(jié)構(gòu)1-防護(hù)層；2-上墊層；3-土工膜；4-下墊層；5-支持層 1防護(hù)層，是與外界

23、接觸的最外層，是為了防御外界水流或波浪沖擊、風(fēng)化侵蝕、冰凍破壞和遮蔽日光紫外線而設(shè)置。該層由堆石、砌石或混凝土板構(gòu)成，厚度一般1525cm。 2上墊層，是防護(hù)層和土工膜之間的過(guò)渡層，由于防護(hù)層多是大塊粗糙材料且易移動(dòng)，如果直接置于土工膜上，很容易破壞土工膜，因此上墊層必須做好。上墊層一般采用透水性良好的砂礫料，厚度應(yīng)不小于15cm；如果防滲材料采用的是復(fù)合土工膜，可不必另設(shè)墊層。 3土工膜，是防滲主體，除要求有可靠的防滲性外，還應(yīng)該能承受一定的施工應(yīng)力和使用期間結(jié)構(gòu)物沉降等引起的應(yīng)力，故也有強(qiáng)度要求，土工膜的強(qiáng)度與其厚度直接有關(guān)，可通過(guò)理論計(jì)算或工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。 單一土工膜外表光滑，摩擦系數(shù)小

24、，易產(chǎn)生滑動(dòng)，不宜鋪設(shè)在坡面上，在此情況下，一般多采用復(fù)合土工膜，其外表的非織造土工織物與土的摩擦系數(shù)要比單膜的大得多，另外，有時(shí)也可將單膜加上紋路以增加糙度。 4下墊層，鋪在土工膜的下面，有雙重功能：一是排除膜下的積水、積氣，確保土工膜的穩(wěn)定；二是保護(hù)土工膜，使其不受支持層的破壞。 對(duì)于粗粒的堆石壩，下墊層也可起堆石與土工膜之間過(guò)渡層的作用，這時(shí)的下墊層由細(xì)礫和砂構(gòu)成，三者之間的粒徑應(yīng)符合一定的層間關(guān)系。對(duì)于面板堆石壩的防滲加固工程，多采用復(fù)合土工膜，可用瀝青直接粘結(jié)在防滲面板上。對(duì)于碾壓式土壩，一般采用復(fù)合土工膜，下墊層一般可以省去，因?yàn)榉强椩焱凉た椢锟梢云鸬奖Ｗo(hù)和排水作用，而且增加膜與壩

25、體間的摩擦力。 下墊層對(duì)土工膜起支持層的重要作用。如果土工膜直接放在粗粒料上，在水壓作用下，它會(huì)被壓進(jìn)粗粒的大孔隙中，而被拉破。相反，如果膜下為平整硬層或細(xì)粒土料，那么情況就會(huì)不同。試驗(yàn)研究證明，0.25mm厚的聚乙烯土工膜鋪在級(jí)配良好的砂卵石層上，作用水頭到達(dá)200m，土工膜也沒(méi)有破壞，這說(shuō)明膜下墊層的狀態(tài)對(duì)膜的平安至關(guān)重要。 5支持層，土工膜是柔性材料，必須鋪設(shè)在可靠的支持層上，它可以讓土工膜受力均勻。對(duì)于堤壩，支持層可采用級(jí)配良好的壓實(shí)土層，粒徑應(yīng)根據(jù)膜厚來(lái)選擇，對(duì)于0.2mm厚的土工膜，支持層的最大粒徑應(yīng)不大于6mm，不均勻系數(shù)應(yīng)不小于20。對(duì)于堆石壩，支持層可采用混凝土或?yàn)r青混凝土面

26、板斜墻。如果是碾壓式土石壩，由于其壩面平整，又有較大密實(shí)度，可不設(shè)支持層。 2.土工膜的防滲形式 1堤壩地基垂直防滲墻 對(duì)于已建堤壩的防滲加固工程，一般采用垂直鋪塑技術(shù)建造垂直防滲墻。垂直防滲墻是在堤壩地基內(nèi)造孔或開槽，填入透水性極低的材料形成的連續(xù)墻。我國(guó)現(xiàn)在用鋪塑技術(shù)已完成多處垂直防滲墻工程。 修建防滲墻的土工合成材料多采用土工膜、復(fù)合土工膜。采用插入土工膜，那么膜厚度應(yīng)不小于0.5mm。在目前技術(shù)條件下，插入深度可以到達(dá)約15m，要求地基土中大于5cm的粗顆粒不多于10%，最大顆粒粒徑不大于15cm，否那么將超出開槽寬度。 對(duì)于新建堤壩，采用中央復(fù)合土工膜作垂直防滲墻時(shí)，其要求與土工膜斜

27、墻防滲相同。但墊層和過(guò)渡層在填筑壓實(shí)時(shí)，應(yīng)注意不使土工膜損傷。施工時(shí)要求堤壩填筑與土工膜心墻同時(shí)上升，而且土工膜應(yīng)做鋸齒形鋪設(shè)，以適應(yīng)堤身的沉陷。 2水平防滲鋪蓋 堤壩建在透水地基上，當(dāng)?shù)鼗穸冗^(guò)大，采用其他防滲形式不經(jīng)濟(jì)或不可能時(shí)，可采用鋪蓋防滲。它是將透水性小的材料水平鋪設(shè)在堤壩上游的一段長(zhǎng)度內(nèi)，并與堤身或壩身的防滲體系相連接，以增加滲徑，減少滲透坡降，防止地基滲透變形并減少滲流量。一般用于鋪蓋材料的滲透系數(shù)至少應(yīng)比地基的透水性小100倍，故以往常用粘性土。土工膜比粘土的透水性還要小，具有極大的柔性，能和地面密切貼合，而且施工相當(dāng)方便，防滲效果良好。 土工膜用于堤防的防滲加固，其心墻式或斜

28、墻式等形式的選用與堤基地層結(jié)構(gòu)及其滲透性有關(guān)。堤基的地層結(jié)構(gòu)，一般可分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)三種。單層結(jié)構(gòu)是指從地表往下至基巖根本上是同一類土，粘性土的單層結(jié)構(gòu)均質(zhì)地層不會(huì)發(fā)生滲透變形，而均質(zhì)的砂性土單層結(jié)構(gòu)在靠近背水坡的地面易發(fā)生滲透變形，遠(yuǎn)離堤段的地方那么是平安的，這種地層在大江大河上比擬少見(jiàn)。雙層結(jié)構(gòu)二元結(jié)構(gòu)是指地層大致由兩種土層組成，上層透水性較弱，其下為較厚的透水性較強(qiáng)的土層，當(dāng)?shù)貙邮荛_挖造成與江水連通或上覆層較薄時(shí)，往往是最容易發(fā)生滲透破壞。這種“二元結(jié)構(gòu)在大江大河上比擬常見(jiàn)，在我國(guó)是一種頗具代表性的堤基地層結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)往往是弱、較強(qiáng)、弱、較強(qiáng)、強(qiáng)透水層結(jié)構(gòu)的組合，即在深

29、度上是弱透水層與透水地層互層，而深層那么往往是砂卵石等強(qiáng)透水層，這種地層也比擬常見(jiàn)。對(duì)于不同的地層形式，在堤防防滲措施上有明顯的不同特點(diǎn)。 1對(duì)于堤基透水性土層厚度不大10m左右的情況，采用垂直鋪塑技術(shù)建造防滲心墻是有效和可靠的，因?yàn)橥凉つば膲梢詮牡躺泶┻^(guò)透水地層直接與不透水土層相連，形成封閉式的防滲結(jié)構(gòu)，保證背水坡不發(fā)生滲透破壞。 2對(duì)于透水性土層比擬深厚的地基，心墻達(dá)不到不透水土層，故只能形成“懸掛式的防滲結(jié)構(gòu)。然而研究和經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，這種“懸掛式防滲體系的防滲效果不佳，應(yīng)采用復(fù)合土工膜斜墻加鋪蓋或其他防滲結(jié)構(gòu)。 3近年，在防滲建設(shè)中還遇到防滲性各異的另一種多層地基結(jié)構(gòu)的情況，其特點(diǎn)是在深厚

30、的透水層中存在一層透水性較弱的土層，埋深也不大，可以作為防滲的相對(duì)不透水層，這時(shí)仍可以用心墻的形式，使其到達(dá)相對(duì)不透水層，以形成“半封閉的防滲結(jié)構(gòu)。3.土工膜鋪設(shè)的范圍和部位 土工膜在堤壩中鋪設(shè)的范圍可從堤基開始，直到堤頂。堤壩臨水面假設(shè)設(shè)置鋪蓋，那么鋪蓋長(zhǎng)度應(yīng)按滲流計(jì)算確定，大于或等于5倍水頭。土工膜材料目前的擋水水頭已達(dá)3040m，因此完全可以滿足一般江河堤防的要求。 土工膜的鋪設(shè)部位，對(duì)新建的堤壩，可以鋪設(shè)在堤壩的中間即心墻或臨水面即斜墻，兩種形式各有特點(diǎn)。心墻布置方式比擬省料，但施工時(shí)要求堤壩填筑與土工膜心墻同時(shí)上升，而且土工膜應(yīng)做成鋸齒形鋪設(shè)，以適應(yīng)堤壩的沉陷，因此施工比擬復(fù)雜。斜墻

31、式布置的優(yōu)點(diǎn)是堤壩填筑完成后才鋪膜，施工干擾小，鋪膜質(zhì)量較易保證。因此國(guó)內(nèi)外新建的堤壩工程大多采用斜墻形式的結(jié)構(gòu)。但對(duì)于已建堤壩的防滲加固工程，由于臨水面有水，為防止水下施工，故采用堤內(nèi)開槽鋪膜方法施工，筑成心墻。假設(shè)臨水面無(wú)水，那么用斜墻形式更為方便。 4.土工膜的選擇 土工膜的選擇涉及兩個(gè)問(wèn)題，一是選擇何種原材料的土工膜，二是選用何種形式的土工膜單膜或復(fù)合土工膜。 1國(guó)內(nèi)外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯PE和聚氯乙烯PVC兩種。工程選料時(shí)，主要根據(jù)以下幾個(gè)方面來(lái)選定適宜的土工膜： = 1 * GB3 力學(xué)特性，上述兩種材料制成的土工膜的拉伸強(qiáng)度相差不大。由于土工膜只用于防滲而不作為加筋材料

32、使用，故其拉伸強(qiáng)度不是選材的重要指標(biāo)。但從另一方面來(lái)說(shuō)，PVC膜因添加有塑化劑，使得其拉伸率比PE膜的大一些，柔性較好，與砂粒接觸時(shí)可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，從而增加二者之間的摩擦系數(shù)。因此，PVC膜與砂之間的摩擦系數(shù)明顯大于PE膜與砂之間的摩擦系數(shù)，摩擦角平均至少大56。這是一個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)，會(huì)影響到膜與土體接觸面以及膜與其上保護(hù)層之間的抗滑穩(wěn)定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三種：一是采用復(fù)合土工膜，因復(fù)合土工膜外層的土工織物與土料的摩擦系數(shù)較大，接近于PVC膜與土料的摩擦系數(shù)。二是對(duì)PE膜采用加糙措施，例如在土工膜的光滑外表上壓紋或噴涂加糙材料。三是改變水工建筑物的結(jié)構(gòu)，如調(diào)整壩坡，

33、加防滑槽或防滑檻等。另外，當(dāng)PE膜的厚度從0.12mm增加到0.24mm時(shí)，其與粗砂的摩擦系數(shù)可以增加30%。 = 2 * GB3 可連接性。土工膜無(wú)論出廠時(shí)幅有多寬，在實(shí)際使用時(shí)仍需將其幅與幅之間連接起來(lái)，以成為一個(gè)整體的防滲膜體。一般PE膜只能用加熱熔合的方式連接，而PVC膜除此之外，還可以采用特殊的粘合劑進(jìn)行粘接。薄型土工膜由于不能用熱焊方法連接而必須用粘接法連接，因此只能選用PVC膜。 = 3 * GB3 經(jīng)濟(jì)性。目前兩種材料的價(jià)格大體相當(dāng)，一般均在1萬(wàn)元/T左右，而PE膜的比重小于PVC膜的比重，所以同樣厚度的情況下每單位面積的價(jià)格PE膜要少一些。另外PVC膜出廠時(shí)的幅寬一般為1.5

34、2.0m，PE膜幅寬可達(dá)44.5m，相應(yīng)地PE膜的接縫數(shù)量就比PVC膜的要少，因而搭接的用量就少一些，現(xiàn)場(chǎng)接縫的工作量也少一些。綜合這三個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合工程實(shí)際情況，可以對(duì)膜材作出合理的選擇。 2選用單膜還是復(fù)合土工膜主要是從復(fù)合土工膜的作用和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面綜合考慮來(lái)選定。復(fù)合土工膜的一個(gè)作用是可以增加與土料之間的摩擦系數(shù)，第二個(gè)作用是保護(hù)土工膜不受運(yùn)輸和施工過(guò)程中外力的損害。復(fù)合土工膜的力學(xué)性能比單一膜有很大提高，其破壞應(yīng)變雖不如單膜大，但仍遠(yuǎn)大于土體的破壞應(yīng)變，因而有較強(qiáng)的適應(yīng)各種情況的能力。復(fù)合土工膜的強(qiáng)度和防滲性能要優(yōu)于單一膜和土工織物兩者疊加的性能，其優(yōu)良的程度與膜和織物之間復(fù)

35、合的緊密程度密切相關(guān)，因此復(fù)合土工膜的設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單地參照膜和織物個(gè)別的性能指標(biāo)直接套用。第三個(gè)作用是復(fù)合土工膜具有反濾排水功能。由于土工膜不可防止地總會(huì)有一些缺陷發(fā)生滲水，此時(shí)膜一側(cè)的土工織物能夠起到反濾排水作用，從而維護(hù)了保護(hù)層的穩(wěn)定。如復(fù)合土工膜是鋪設(shè)在透水性弱的堤壩臨水面，那么膜下的土工織物可以迅速消除庫(kù)水位驟降時(shí)在膜后形成的孔隙水應(yīng)力，防止土工膜被水應(yīng)力頂起的危險(xiǎn)。 我國(guó)的堤壩建設(shè)心墻式垂直防滲大多采用單膜或多層單膜，斜墻式臨水面鋪設(shè)的土工膜大多采用復(fù)合土工膜。從已采用單膜的堤壩防滲效果以及SL/T225-98標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)土工膜類型的規(guī)定看，單膜對(duì)低水頭的小型水庫(kù)防滲效果良好，仍然是一種具

36、有競(jìng)爭(zhēng)力的膜材。但在經(jīng)濟(jì)允許的條件下，復(fù)合土工膜有著更為優(yōu)越的工程特性。 三、土工膜在水利防滲工程中應(yīng)用情況及優(yōu)缺點(diǎn)土工膜在壩工中的應(yīng)用，從地域上看已很廣泛，國(guó)內(nèi)已經(jīng)普遍接受了這種新型的防滲材料和技術(shù)。許多工程實(shí)錄都說(shuō)明它的防滲效果良好、經(jīng)濟(jì)、施工方便，有推廣使用價(jià)值。國(guó)內(nèi)在壩工中使用土工膜防滲雖然較晚，但從土工膜承受20m以上水頭的實(shí)例所占的百分?jǐn)?shù)來(lái)看，接近了國(guó)外的水平，且國(guó)內(nèi)也有土工膜承受超過(guò)50m水頭的實(shí)例。這些都說(shuō)明國(guó)內(nèi)在壩工使用土工膜的技術(shù)水平已逐漸接近國(guó)際先進(jìn)水平。關(guān)于土工膜的厚度目前有兩種觀點(diǎn)：一種是主張用厚膜膜厚1.0mm，以歐洲國(guó)家為多；另一種觀點(diǎn)是使用薄膜膜厚1.0mm，以

37、美洲國(guó)家和我國(guó)的實(shí)例較多，這些壩的使用情況至今仍然很好，因而值得很好地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)上述情況以及目前SL/T225-98?水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?和GB50290-98?土工合成材料應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?中所列入的土工膜在堤壩中的防滲使用規(guī)定，都說(shuō)明土工膜防滲技術(shù)在我國(guó)堤壩中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟。這將為這項(xiàng)新技術(shù)和新材料在堤壩中的推廣應(yīng)用提供良好的范例。 土工膜與混凝土、粘土、鋼板襯砌等幾種防水材料相比，有以下幾個(gè)弱點(diǎn)： 1容易破裂，土工膜是一種高分子化合物的柔性材料，強(qiáng)度低，厚度也比擬薄，因此容易破裂。造成破裂的原因有： = 1 * GB3 在施工過(guò)程中受損破裂； = 2 * GB3

38、 被土石料中的石塊等尖硬物刺破或頂破； = 3 * GB3 由于設(shè)計(jì)選擇不當(dāng)或沒(méi)有局部約束被過(guò)大的水壓力擊穿； = 4 * GB3 鋪設(shè)在支承土與混凝土面板之間的土工薄膜由于溫度脹縮、重力、土體位移、浪擊和水位變化的因素，可能引起界面滑動(dòng)，土工薄膜將承受過(guò)度伸長(zhǎng)、撕裂或擦傷； = 5 * GB3 斜面上用土和混凝土板保護(hù)土工薄膜的情況，當(dāng)水位驟降，土中孔隙水應(yīng)力與庫(kù)水位失去平衡，土體失穩(wěn)而滑動(dòng)。 = 6 * GB3 建筑物過(guò)大的變形或不均勻沉降而導(dǎo)致破裂； = 7 * GB3 由于保護(hù)層薄或埋深淺，特別是用于渠道防滲時(shí)，被人畜或植物根系弄破。這些問(wèn)題很容易發(fā)生，但又是可以防止的。 2容易脆裂，

39、土工膜在低溫環(huán)境下，性能惡化，容易脆裂。這方面可通過(guò)選擇耐低溫的品種或增加保護(hù)層厚度解決，一般也不成問(wèn)題。 3老化問(wèn)題，土工膜在接觸陽(yáng)光、冷熱氣候、臭氧的條件下，將較快老化而失去性能。不過(guò)埋在水中或處于水下，不接觸這些因素，其老化還是相當(dāng)慢的。目前對(duì)土工膜的使用壽命，還沒(méi)有一個(gè)確切的規(guī)定，試驗(yàn)研究和實(shí)測(cè)資料都說(shuō)明，在正常的保護(hù)條件下，其壽命可達(dá)50100年。 4化學(xué)腐蝕，土工膜遇上某些化學(xué)物質(zhì)，如酸性、堿性液體，或礦物油，可能會(huì)被腐蝕破壞。不過(guò)在一般的工程應(yīng)用中，不接觸這些物質(zhì)因而不必?fù)?dān)憂。但在用于封閉廢棄的固體或液體時(shí)，那么應(yīng)考慮這方面的問(wèn)題。 由于土工薄膜在工程中可能遇到以上幾個(gè)問(wèn)題，因此

40、，要正確設(shè)計(jì)，精心施工，保證土工膜良好地工作。同時(shí)也可根據(jù)不同情況在土工薄膜上面或下面，或者上、下兩面加以保護(hù)，將土工薄膜與針刺土工織物通過(guò)擠壓、滾壓或噴涂等工藝制成整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合土工薄膜，其土工織物能起到排水排氣以及緩沖受力的作用，并能彌補(bǔ)薄膜自身強(qiáng)度之缺乏，又能改善接觸界面的摩擦特性。它與單一土工薄膜相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： = 1 * GB3 提高了土工薄膜的抗拉、抗撕裂、抗頂破及抗穿刺等力學(xué)強(qiáng)度； = 2 * GB3 在相同應(yīng)力作用下，伸長(zhǎng)率有所減小，模量增大； = 3 * GB3 趨于各向同性，能防止在物理?xiàng)l件和溫度變化時(shí)所產(chǎn)生某個(gè)方向上的過(guò)量收縮和移動(dòng)； = 4 * GB3 易于防止下層

41、土體凍融時(shí)土工薄膜的損壞； = 5 * GB3 易于壓力均布，防止應(yīng)力局部集中； = 6 * GB3 易于消散土工薄膜與土體接觸面上的孔隙水應(yīng)力及浮托力； = 7 * GB3 改善土工薄膜的摩擦性能，增加其穩(wěn)定性。因此，復(fù)合土工膜改善了薄膜的工程性能，簡(jiǎn)化施工程序，保證施工質(zhì)量。目前工程中大多采用復(fù)合土工膜作防滲材料。 土工膜在水利防滲工程中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn) 土工膜是一種柔性防滲材料，具有可靠的防滲功能。防滲是土工合成材料應(yīng)用最早的，也是目前最為廣泛的功能之一。土工膜可用于水庫(kù)庫(kù)盤防滲、土石壩的直立防滲墻或傾斜防滲層、閘壩的上游防滲鋪蓋、混凝土壩的擋水面防滲層、瀝青混凝土面板或混凝土面板堆石壩的防滲

42、層、尾礦壩的初期壩防滲層、渠道防滲、污水防滲和危險(xiǎn)性廢物堆場(chǎng)的封閉等等。 土工膜用于水利防滲工程，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，防滲效果好，節(jié)省工程造價(jià)，加快工期等顯著優(yōu)點(diǎn)。只要正確設(shè)計(jì)，精心施工，就可保證平安可靠地運(yùn)行，宜于在我國(guó)大力推廣。 土工膜或復(fù)合土工膜用于堤壩防滲工程，除上述一般優(yōu)點(diǎn)外，在力學(xué)上它還能夠改善堤壩本身的結(jié)構(gòu)性能。 1復(fù)合土工膜對(duì)堤壩應(yīng)力的影響。在土體壓縮變形時(shí)，復(fù)合土工膜由于是柔性材料蜷曲在堤壩內(nèi)，當(dāng)壩體承受拉應(yīng)力時(shí)，由于它有較高的抗拉強(qiáng)度，故可承當(dāng)土體的局部拉應(yīng)力，從而抑制土體的應(yīng)變。 2復(fù)合土工膜對(duì)堤壩豎向沉降的影響。當(dāng)考慮復(fù)合土工膜與心墻間相對(duì)滑移時(shí)，壩體豎向沉降類同于

43、未鋪設(shè)復(fù)合土工膜的沉降等值線分布，其最大沉降量略小些，在復(fù)合土工膜處的等值線不連續(xù)。 3復(fù)合土工膜對(duì)堤壩水平位移的影響。復(fù)合土工膜采用接觸單元模式，由于考慮相對(duì)滑移那么上游壩殼向上游位移，比不設(shè)復(fù)合土工膜時(shí)位移要大。當(dāng)復(fù)合土工膜采用線單元模式時(shí)，其上游壩殼的位移明顯減小，增加了復(fù)合土工膜處的水平位移量，說(shuō)明復(fù)合土工膜抗拉強(qiáng)度起著一定的抑制作用。 4滲流場(chǎng)的改變對(duì)應(yīng)力的影響。對(duì)于具有滲流條件的堤壩，存在著體積滲透力，鋪設(shè)復(fù)合土工膜后堤壩內(nèi)滲流場(chǎng)發(fā)生了變化，壩體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變隨之發(fā)生變化，引起應(yīng)力的重新調(diào)整，使小主應(yīng)力有較大改變，而大主應(yīng)力變化較小。 總之，復(fù)合土工膜是一種柔性防滲材料，它與礫質(zhì)粘土心

44、墻做組合防滲體時(shí)，由于其具有較高的抗拉強(qiáng)度，抑制了土體的應(yīng)變，從而使土體各部位的應(yīng)力有所調(diào)整。另一方面，復(fù)合土工膜的滲透系數(shù)相當(dāng)小，可消剎作用水頭，使壩體內(nèi)的自由水面降低甚多，滲流量減小，有利于下游壩坡的穩(wěn)定。第二節(jié) 堆石壩的復(fù)合土工膜防滲工程 目前堆石壩工程主要有混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土面板堆石壩、混凝土心墻堆石壩和瀝青混凝土心墻堆石壩等。不管是新建的還是已運(yùn)行多年的堆石壩體，由于兩種材料的壓縮性差異大，兩種材料壓縮厚度不一樣，以及應(yīng)力不均等原因，壩體容易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致斜墻或面板發(fā)生裂縫、壩體沉陷塌坑，發(fā)生滲漏破壞，危及水庫(kù)壩體的平安，這種現(xiàn)象在工程中經(jīng)常見(jiàn)到。這種不均勻沉降在不同

45、的部位發(fā)生的破壞機(jī)理是不盡相同的。下面就不同的滲漏部位，對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行初步分析。 1岸邊裂縫。當(dāng)在基巖內(nèi)或在防滲墻與根底接觸處發(fā)生的裂縫滲漏破壞，一般不是由于不均勻沉降造成，而是庫(kù)水位壓力沿著基巖裂縫面或防滲墻結(jié)構(gòu)薄弱面劈入，將裂面擴(kuò)展，產(chǎn)生滲流通道。 2岸坡裂縫。由于與基巖接觸的岸坡堆積有雜填土，發(fā)生大的變形，產(chǎn)生不均勻沉降，將混凝土面板或?yàn)r青混凝土斜墻拉開庫(kù)水注入，產(chǎn)生滲流通道。同時(shí)在繞滲水流作用下，將細(xì)顆粒帶走，加劇滲透破壞，以致形成塌坑。 3伸縮縫裂縫。堆石體發(fā)生沉降變形，或壩面分布有較厚的雜填土，雜填土變形大，沿著伸縮縫處的結(jié)構(gòu)薄弱面發(fā)生拉張變形。斜墻或面板沿著伸縮縫產(chǎn)生裂縫，庫(kù)水

46、沿裂縫劈入，根底發(fā)生滲透破壞，細(xì)顆粒被帶走，形成空洞。 4戧臺(tái)裂縫。由于堆石壩壩坡一般較陡，上部邊坡水平推力較高，水平位移較大，產(chǎn)生拉伸變形，瀝青混凝土斜墻或混凝土面板發(fā)生沿戧臺(tái)邊緣的縱向裂縫。 5雜填土區(qū)域裂縫：雜填土區(qū)域較大，假設(shè)分布厚度不一，密實(shí)度不同，變形大及不均勻變形，在較高庫(kù)水位作用下，瀝青混凝土斜墻或混凝土面板發(fā)生破裂，庫(kù)水滲入，將細(xì)顆粒帶走，形成地下空洞，外表出現(xiàn)塌陷和塌坑。 6雜填土變形的固結(jié)。有雜填土的堆石壩體在自重和水壓力作用下將發(fā)生固結(jié)變形。當(dāng)雜填土處在松散和稍密的狀態(tài)下，遇水將發(fā)生濕陷，當(dāng)排水后又將發(fā)生排水固結(jié)變形。在這一系列固結(jié)作用過(guò)程中，瀝青混凝土斜墻或混凝土面板

47、變形也可能同時(shí)發(fā)生，亦有可能不同步發(fā)生，根底與斜墻發(fā)生虛托，此時(shí)可能發(fā)生面積較大的塌陷與塌坑，或發(fā)生斜墻的鼓包現(xiàn)象。斜墻破壞與雜填土的變形固結(jié)過(guò)程密切相關(guān)。 7堆石體沉降變形。堆石壩體在高庫(kù)水位的作用下，假設(shè)壩體碾壓不均勻，其沉降變形厚度不同，其沉降值不同，河床部位沉降大，邊坡部位沉降相對(duì)較小，斜墻與壩體變形不一致時(shí)，容易產(chǎn)生虛托或發(fā)生斜墻的鼓包現(xiàn)象，也可能發(fā)生大面積的塌陷或塌坑。 對(duì)于堆石壩體的防滲加固，可以選擇壩面防滲處理方案，也可采用垂直防滲方案。垂直防滲方案一般為混凝土防滲墻工程，這種方案造價(jià)較高，施工困難，甚至根本無(wú)法施工，特別對(duì)于中高堆石壩，采用此方案是不經(jīng)濟(jì)的。堆石壩防滲加固應(yīng)采

48、用壩面防滲工程，即壩面鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲工程，此方案技術(shù)可行，防滲可靠，施工方便，經(jīng)濟(jì)合理，是堆石壩防滲加固處理工程的首選方案。 一、堆石壩的復(fù)合土工膜防滲工程設(shè)計(jì) 一般防滲工程中的復(fù)合土工膜都是鋪設(shè)在散粒土體上，而堆石壩在瀝青混凝土斜墻或混凝土面板上鋪設(shè)復(fù)合土工膜有自己的特點(diǎn)，既有其有利的一面也有其不利的一面，在設(shè)計(jì)中盡量揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮利用其有利因素，盡量減少不利方面的影響。 1瀝青混凝土斜墻或混凝土面板是鋪膜的難得的好基面，它外表平整、光滑、較之散粒土體粒徑小，不易墊破復(fù)合土工膜。 2如果將復(fù)合土工膜不用粘接劑粘接而直接鋪設(shè)在斜墻上，土工膜在一定范圍可伸長(zhǎng)變形，這一點(diǎn)無(wú)異于將膜鋪在散粒土基

49、上。但因膜上水壓力大，膜與基面摩擦力對(duì)膜的變形范圍有一定限制。有一點(diǎn)不同的是斜墻既有均勻變形也有集中變形裂縫塌坑，而土基一般是緩變的。 3如用粘接劑將復(fù)合土工膜牢牢粘貼在瀝青混凝土或混凝土面板上，此時(shí)粘接力大于或等于復(fù)合土工膜的拉力，膜的伸長(zhǎng)變形受到斜墻的約束和限制，此時(shí)復(fù)合土工膜伸長(zhǎng)變形大的優(yōu)勢(shì)將不能充分發(fā)揮，這一點(diǎn)對(duì)工程非常不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求防止，即盡量不用粘接劑，如果必需那么應(yīng)使粘接劑的粘結(jié)力小于膜本身的拉力，當(dāng)膜即將拉斷破壞時(shí)，膜能沿著斜墻滑移錯(cuò)動(dòng)。 4目前瀝青混凝土斜墻或混凝土面板的設(shè)計(jì)，主要從控制滲透流量和抵抗水壓力的抗彎強(qiáng)度兩個(gè)方面考慮，對(duì)于承受較高水頭的斜墻其厚度主要受后者控制

50、。復(fù)合土工膜只能受拉而不能抗彎，即鋪膜不能提高斜墻承載力，所以將來(lái)斜墻仍可能產(chǎn)生裂縫。但如處理得當(dāng)，復(fù)合土工膜可在斜墻一定寬度裂縫處不斷裂，這樣就可以起到防滲作用。 1復(fù)合土工膜規(guī)格初選。根據(jù)作用水頭，通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算、選擇符合強(qiáng)度和變形要求的復(fù)合土工膜。根據(jù)SL/T225-98?水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定，土工膜厚度不應(yīng)小于0.5mm。對(duì)于重要工程應(yīng)適當(dāng)加厚；對(duì)于次要工程，可以適當(dāng)減薄，但最小不得薄于0.3mm。 2復(fù)合土工膜厚度的計(jì)算 1SL/T225-98?水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定，確定土工膜厚度時(shí)土工膜材料允許抗拉強(qiáng)度用下式計(jì)算： (10-1)式中：Ta

51、材料的允許抗拉強(qiáng)度，KN/m； T極限抗拉強(qiáng)度，KN/m； Fid考慮鋪設(shè)機(jī)械破壞影響系數(shù)； FcR考慮材料蠕變影響系數(shù)； Fcd考慮化學(xué)劑破壞影響系數(shù)； Fbd考慮生物劑破壞影響系數(shù)。 根據(jù)工程的具體情況，標(biāo)準(zhǔn)建議，最大值可采用FcRFcdFbd=5，即平安系數(shù)為5。 同時(shí)，確定土工膜厚度時(shí)土工膜材料極限抗拉強(qiáng)度用下式計(jì)算： 裂縫上的復(fù)合土工膜拉應(yīng)力為： (10-2)孔洞上的復(fù)合土工膜拉應(yīng)力為： (10-3)式中：T單寬土工膜所受最大拉力，與縫方向垂直，KN/m； p膜上作用水壓力，kPa； b預(yù)計(jì)膜下地基可能產(chǎn)生的裂縫寬度，m； 膜的拉應(yīng)變。 做幾種復(fù)合土工膜的拉應(yīng)力拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線。并畫出

52、上述公式的T曲線，用曲線交會(huì)法，求出各復(fù)合土工膜曲線與此曲線的交點(diǎn)，當(dāng)這些交點(diǎn)的T與該復(fù)合土工膜斷裂強(qiáng)度之比為5或大于5即平安系數(shù)為5，且此交點(diǎn)的與該復(fù)合土工膜的斷裂極限拉應(yīng)變之比為5或大于5，那么該復(fù)合土工膜滿足要求。 如果用粘接劑將膜牢牢粘貼在瀝青混凝土斜墻或混凝土面板上，膜斷裂時(shí)都不會(huì)滑移，斜墻限制了它的伸長(zhǎng)變形。給斜墻上鋪膜時(shí)斜墻上是沒(méi)有裂縫的，當(dāng)水庫(kù)蓄水斜墻受水壓力作用，在水壓力足夠大時(shí)，因斜墻堆石根底沉陷變形，斜墻抗拉強(qiáng)度低，伸長(zhǎng)變形小，允許拉應(yīng)變僅為1%，當(dāng)斜墻變形超過(guò)瀝青混凝土斜墻或混凝土面板的允許變形時(shí)，斜墻開裂，產(chǎn)生裂縫。由于在裂縫處，膜的初始長(zhǎng)度為零，因而在斜墻裂縫處膜的

53、應(yīng)變和應(yīng)力是比擬大的，應(yīng)該設(shè)法防止這種情況發(fā)生。 復(fù)合土工膜如果用噴射混凝土或現(xiàn)澆混凝土，約束嵌固了膜，從理論上來(lái)說(shuō)只要混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫，膜就可能斷裂。與瀝青混凝土斜墻不同的是，混凝土受拉和適應(yīng)變形能力差，混凝土保護(hù)層更易出現(xiàn)裂縫，再那么膜在保護(hù)層下面，對(duì)膜更不利。但根據(jù)有關(guān)規(guī)定，復(fù)合土工膜保護(hù)層可采用噴射混凝土或現(xiàn)澆混凝土，中間不需設(shè)其它墊層。 對(duì)于較高的堆石壩，經(jīng)研究說(shuō)明，斜墻上的復(fù)合土工膜承受的拉力較大，平安系數(shù)偏低，需選較厚的復(fù)合土工膜，也可以根據(jù)不同的部位選擇不同厚度的復(fù)合土工膜。 2加強(qiáng)及處理措施 1選擇斷裂強(qiáng)度大、斷裂伸長(zhǎng)率大性能優(yōu)良的復(fù)合土工膜，但這往往受國(guó)內(nèi)技術(shù)水平的限制

54、，只能盡力而為之。 2在受力大、易出現(xiàn)問(wèn)題的部位用二層膜或一層厚膜。 如果兩層復(fù)合土工膜間的摩擦系數(shù)可達(dá)0.533以上，那么不粘接；如果摩擦系數(shù)小，那么要粘接，可網(wǎng)格式粘接，即縱橫分條帶粘接，橫稠縱??；當(dāng)局部粘接滿足不了要求時(shí)，可全面粘貼。 3將復(fù)合土工膜的外表加糙，提高外表的粗糙度，以增大摩擦系數(shù)，需經(jīng)試驗(yàn)研究解決。4復(fù)合土工膜上鋪一層細(xì)砂，上面噴射混凝土，可使保護(hù)層與復(fù)合土工膜間摩擦系數(shù)達(dá)0.533以上，保護(hù)層滿足抗滑穩(wěn)定要求。成都科技大學(xué)試驗(yàn)得300g/m2土工織物與細(xì)砂的摩擦系數(shù)：干砂為0.54，濕砂為0.55，均大于0.53。用中粗砂那么不行，一那么中粗砂摩擦系數(shù)僅為0.43，二那么

55、會(huì)將膜刺破；用混凝土預(yù)制塊也不行，因?yàn)榛炷令A(yù)制塊與復(fù)合土工膜間摩擦系數(shù)為0.4。如噴射混凝土與復(fù)合土工膜間的摩擦系數(shù)達(dá)不到要求，或?yàn)榱松白拥姆€(wěn)定，可使水泥漿少量滲入復(fù)合土工膜。用瀝青瑪?shù)壑瑢⒓?xì)砂粘在斜墻上，可使復(fù)合土工膜與斜墻間摩擦系數(shù)到達(dá)設(shè)計(jì)要求，滿足抗滑穩(wěn)定要求。 5如果采用的復(fù)合土工膜與斜墻間粘接劑凝聚力太大，可考慮采用粘結(jié)力較低的粘接劑，如瀝青瑪?shù)壑?。粘接劑要有一定粘結(jié)力，以保證膜在任何荷載時(shí)不下滑，另方面它又不能粘結(jié)太死，使膜在即將斷裂時(shí)能滑移錯(cuò)動(dòng)。粘接劑的凝聚力約為0.01MPa較適宜。 3復(fù)合土工膜沿斜墻抗滑穩(wěn)定性分析 復(fù)合土工膜與斜墻間的摩擦系數(shù)小于堆石體的內(nèi)摩擦系數(shù)亦小于

56、斜墻與堆石間的摩擦系數(shù)，它是一個(gè)薄弱面，需校核復(fù)合土工膜沿斜墻和護(hù)坡混凝土與復(fù)合土工膜間的抗滑穩(wěn)定性。對(duì)復(fù)合土工膜的抗滑穩(wěn)定性，應(yīng)通過(guò)有關(guān)的材料試驗(yàn)，提出試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算前方可確定。 復(fù)合土工膜上面的護(hù)坡要作抗滑穩(wěn)定分析，護(hù)坡可用現(xiàn)澆混凝土、混凝土預(yù)制板、干砌塊石。當(dāng)壩坡陡于1:3，可現(xiàn)澆混凝土、噴混凝土，因?yàn)閴纹露?，靠摩擦缺乏以維持穩(wěn)定，還要靠粘結(jié)力；當(dāng)壩坡緩于1:3，可用預(yù)制混凝土板或干砌塊石。 護(hù)坡不需要防滲，應(yīng)能暢通排水，故現(xiàn)澆混凝土應(yīng)留排水孔。 抗滑穩(wěn)定平安系數(shù)為 (10-4)式中：m坡率； f摩擦系數(shù)； 護(hù)坡混凝土容重，在施工期或未蓄水時(shí)，為混凝土干容重，在蓄水后為混凝土浮容重；

57、 t護(hù)坡混凝土厚度； c粘結(jié)力。復(fù)合土工膜與其底部的無(wú)砂混凝土面板或?yàn)r青混凝土之間的抗滑穩(wěn)定也需要計(jì)算，只要計(jì)算施工期或水庫(kù)降落期。復(fù)合土工膜是隔水層，其下游面的土工織物可排水或以其他措施排水，故復(fù)合土工膜與其底部的無(wú)砂混凝土面板或?yàn)r青混凝土之間無(wú)水，水庫(kù)水位降落時(shí)，復(fù)合土工膜下面沒(méi)有水的頂托力或反推力。水庫(kù)蓄水后，復(fù)合土工膜上面有水壓力，底面無(wú)水壓力，平安系數(shù)比未蓄水時(shí)大；水庫(kù)水位降落時(shí)，復(fù)合土工膜的抗滑平安系數(shù)與施工期或未蓄水時(shí)相同。 4復(fù)合土工膜鋪設(shè)的前期要求 1加固防滲體根底。為減少上游壩坡變形，對(duì)混凝土面板或?yàn)r青混凝土斜墻下堆石壩體進(jìn)行固結(jié)灌漿。根底灌漿材料的選擇，應(yīng)通過(guò)灌漿試驗(yàn)確定

58、。堆石體固結(jié)灌漿的范圍和深度，應(yīng)事先進(jìn)行大壩有限元應(yīng)力應(yīng)變分析，根據(jù)有限元分析成果、測(cè)得的沉降和位移資料、滲透變形破壞的部位等，進(jìn)行綜合分析，最后確定固結(jié)灌漿的范圍和深度，曾發(fā)生滲透破壞部位那么加深。鉆孔孔距為1.52.0m，鉆孔直徑不少于127mm，灌漿材料采用石子和水泥砂漿。 2平整洗刷混凝土面板或?yàn)r青混凝土斜墻?；炷撩姘寤?yàn)r青混凝土斜墻是復(fù)合土工膜的墊層，先將凹凸不平的板面整平修復(fù)，特別是對(duì)壩面的塌陷裂縫部位，應(yīng)重點(diǎn)修復(fù)，使板面均勻受壓，減少不均勻沉降。對(duì)現(xiàn)已老化和產(chǎn)生裂隙的面板或?yàn)r青混凝土鏟除、清洗干凈后填補(bǔ)平整，復(fù)合土工膜的反面土工織物是平面排水層，在其底部設(shè)涵管將可能滲水排向輸水

59、洞。 5混凝土護(hù)坡復(fù)合土工膜上設(shè)混凝土保護(hù)層即護(hù)坡。保護(hù)層的作用是保護(hù)復(fù)合土工膜，防止風(fēng)浪沖刷，風(fēng)沙的吹蝕，人和機(jī)械的損壞，冰凍的破壞，山坡滾下石塊的碰砸，紫外線的照射，風(fēng)力的掀動(dòng)，以及防止因膜下水壓力而使膜浮起等作用。保護(hù)層需要一定厚度、強(qiáng)度和粘結(jié)力，以保證保護(hù)層的穩(wěn)定、不被損壞和耐久。在復(fù)合土工膜上可噴射混凝土或現(xiàn)澆混凝土?；炷梁?520cm，噴射的混凝土與復(fù)合土工膜膠結(jié)十分牢固，其抗滑穩(wěn)定能滿足要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在寒冷地區(qū)水位變動(dòng)范圍考慮冰凍影響，對(duì)重要建筑物混凝土標(biāo)號(hào)不低于R200#。預(yù)制混凝土板施工不方便，抗滑穩(wěn)定性差?，F(xiàn)澆混凝土與復(fù)合土工膜間的粘接力需作試驗(yàn)測(cè)定，然后作穩(wěn)定分析，施

60、工時(shí)混凝土運(yùn)輸要碾壓已鋪好的復(fù)合土工膜，易造成損壞。由于復(fù)合土工膜表層亦為平面排水層，通過(guò)保護(hù)層的滲水，會(huì)滯留在該層中，當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，夾層中水來(lái)不及下降，會(huì)對(duì)保護(hù)層產(chǎn)生反向水壓力，有可能頂破保護(hù)層或使護(hù)坡失穩(wěn)。故護(hù)坡應(yīng)預(yù)留排水孔，孔徑10mm，間距22m。保護(hù)層還須設(shè)伸縮縫和沉降縫，二縫合一，其伸縮縫間距10m左右，即每塊保護(hù)層混凝土板尺寸為1010m左右。縫寬3cm，內(nèi)填無(wú)砂混凝土，既可排水又可防止復(fù)合土工膜的老化。 6復(fù)合土工膜與斜墻間的排水 土工膜并非絕對(duì)不透水，再那么，土工膜由于施工缺陷而產(chǎn)生滲漏，叫缺陷滲漏。施工缺陷包括：1土工膜接縫局部焊接不嚴(yán)；2施工時(shí)搬動(dòng)損壞；3施工機(jī)械及工具