淺談混凝土重力壩上游面土工膜防滲技術

徐德芳

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014）

1 國內外大壩土工膜防滲體系應用現狀

目前國內外廣泛采用的土工膜主要是由塑料和合成橡膠兩大類聚合物材料制成的膜片。土工膜滲透系數為1×10-11～1×l0-12cm/s，實際上不透水，是理想的防滲材料，常作為壩體的防滲膜。土工膜用于大壩防滲始于20世紀50年代末。首次報導的土工膜應用是在修建新的土石壩過程中作為不透水材料起阻水作用——1959年意大利孔特拉達薩貝塔（Contrada Sabetta）工程，用于整個面板。從1971年開始，土工膜被用于意大利Lago Baitone重力壩的修復改造。意大利從1975年開始，對上游面混凝土剝蝕老化漏水的混凝土壩在上游面用復合土工膜防滲，獲得了良好效果。用此法防滲加固的混凝土壩包括重力壩、雙曲拱壩、連拱壩、漿砌石壩、碾壓混凝土壩。如46 m高的尼羅湖混凝土重力壩是1929年建成的，長期漏水，幾次修補收效不大，1975將復合土工膜卷材在壩頂散開下垂，用不銹鋼肋板壓緊錨固在壩的上游面，修補后滲漏極小。1988年意大利Cignana壩用復合土工膜修補，復合土工膜修補前后見圖1和圖2。

圖1 意大利Cignana壩凍融剝蝕的混凝土層在1988年脫落Fig.1 Concrete surface of Cignana dam in Italy peeled by frost and defrost in 1988

圖2 1988年安裝的復合土工膜Fig.2 Composite geomembrane installed in 1988

1923～1924年建成的美國加利福尼亞州Lost Creek拱壩，壩高37.19 m，限于當時的筑壩技術水平，混凝土質量較差，內部存在孔隙，不僅澆筑縫和裂縫滲水，且沿著整個壩體下游面滲水。混凝土中的滲水冬季結冰，引起混凝土膨脹和表面混凝土剝落。1997年降低水位在大壩上游表面安裝土工膜進行修補，見圖3。

圖3 上游面復合土工膜系統安裝Fig.3 Installation of composite geomembrane on upstream face

我國20世紀70年代建成的高50 m的亭下混凝土重力壩，廊道內漏水過大，1984年在上游壩面用膠粘劑鋪貼了丁基橡膠膜。我國在土工織物應用方面雖然起步較晚，但發展速度很快。尤其是20世紀80年代以后，土工織物在水利水電工程中的應用發展更為迅速。目前，高分子防水卷材除了用于新建土石壩和新建碾壓混凝土壩的防滲之外，也被用于混凝土重力壩、支墩壩、拱壩、連拱壩、土壩、混凝土面板堆石壩、瀝青面板堆石壩等壩型。由于種種原因，復合土工膜在混凝土大壩上游面防滲工程中應用推廣較慢，根據數據資料，我國現沒有在混凝土大壩上游面鋪設復合土工膜的實例。

2 防滲土工膜材料選擇

土工膜基本不透水，它是土工合成材料的一種。目前常用的土工膜有PVC（聚氯乙烯）和PE（聚乙烯）兩種。聚氯乙烯通過壓延法生產，它的比重為1.4，具有極好的化學穩定性，不燃燒，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。聚乙烯通過擠壓法生產，它的比重為0.92，耐酸堿，抗化學劑能力強，吸濕性低，低溫時仍具柔性，電絕緣性極好。

工程選料時，主要根據以下幾個方面來選定合適的土工膜。

（1）力學特性

由于土工膜只用于防滲，故其拉伸強度不作為選材的重要指標。聚乙烯和聚氯乙烯兩種材料制成的土工膜的拉伸強度相差不大。PVC膜與砂之間的摩擦系數明顯大于PE膜與砂之間的摩擦系數，摩擦角平均至少大5°～6°，這是一個關鍵性的指標，會影響到膜與土體接觸面以及膜與其上保護層之間的滑動穩定性。

（2）整體性（可連接性）

土工膜無論出廠時幅有多寬，實際使用時仍需將其幅與幅之間連接起來，以成為一個整體的防滲膜體。一般PE膜只能用加熱熔合的方式連接，而PVC膜除此之外，還可以采用粘合劑粘接。

（3）經濟性

目前兩種材料的價格大體相當，而PE的比重小于PVC的比重，所以同樣厚度的情況下每單位面積的價格，PE膜要低一些。另外PVC膜出廠時的幅寬一般為1.5～2.0 m，PE膜幅寬可達4～4.5 m，相應PE膜的接縫數量就比PVC膜要少，因而搭接的用量就少一些，現場接縫的工作量也相應少一些。應對PE和PVC的比重、單位價格、幅寬和幅的粘接次數等進行經濟比較。

（4）耐久性

PVC和PE兩材料存放時均要防止太陽照射，太陽照射容易分解，影響材料性能，并要防止機械壓壞。經試驗考證，PVC和PE材料埋在40 cm以下使用和放在水中的使用壽命可達100年。水質對材料的影響不大，在pH值2～10的水中試驗，材料老化影響不大。但如果承受的應力水平超過拉斷強度的30%，缺陷部位易擴張，易損壞。如果承受應力水平達到拉斷強度的20%時，材料不易損壞。因此使用時水平應力要小，不要拉得太緊，應力水平不要超過拉斷強度的20%，這樣，材料的使用壽命很長。PVC土工膜在完全暴露的環境下耐久性也至少有50年。目前仍然運行良好的工程，PVC土工膜已有30多年：如Lago Miller大壩，1976安裝PVC土工膜；Gorghiglio大壩，1979安裝PVC土工膜；Lago Nero大壩，1980安裝PVC土工膜。

（5）適用性

根據PVC和PE兩種材料的凍融循環、U.V射線、低溫、受拉、擊穿、撕裂和冰凍測試，考慮到土工膜后排水層的重要性，PVC土工膜對大壩防滲更加適合。見圖4、圖5。

圖4 PVC適應變形能力較好，在1.0 MPa壓力作用下沒有發生破壞Fig.4 Strong adaptability of deformation of PVC,undestroyed at pressure of 1.0 MPa

圖5 PE適應變形能力較差，在0.15 MPa壓力作用下破壞Fig.5 Week adaptability of deformation of PE,destroyed at pressure of 0.15 MPa

隨著水利水電工程的大力發展，對防滲要求越來越高，單一的薄型土工膜已不能滿足工程防滲要求，越來越多的工程采用復合土工膜進行防滲。復合土工膜是一種新型的防滲材料，它是將土工膜和土工織物按要求制成的組合物。它防滲效果好，有較好的耐侵蝕性，有較高的防老化能力，具有質地柔軟、適應變形能力強、施工方便、整體連續性好等優點，其力學性能、強度和防滲性能優于單一膜，有較強的適應重物局部荷載沖擊能力和反濾排水功能。復合土工膜用來防滲，土工織物起加筋、排水和增加土工膜與壩面之間摩擦力的作用。

復合土工膜在工廠制造時可以有兩種方法：一是將織物和膜共同壓成；另外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）的復合土工膜。

復合土工膜規格的選擇與下墊層平整度、材料允許拉應力、材料彈性模量、鋪設范圍內的最大水頭及覆蓋層最大粒徑等有關，設計時應綜合考慮工程的水頭、地質條件、滲透系數、材料間的摩擦系數、工程排氣及工程造價等因素。

根據工程實例，用于混凝土大壩上的土工膜多半是PVC，統計表明PVC土工膜占85%以上。PVC防滲材料具有很好的伸縮性，可以很好地覆蓋混凝土裂縫。在實驗室中，土工膜已經被證明具有很好的抗震性。復合土工膜密封防滲系統不需特別養護，意外的破裂易于修復，且修復費用低，水下修復也容易。

土工膜厚度設計除應考慮強度外，還應考慮暴露、埋壓、氣候、使用壽命等應用條件，在缺乏專門設計規范的情況下，基于經驗，建議遵循下列最小值，平整面大壩中，采用PVC復合土工膜的安全值為：大壩高度＜40 m，PVC復合土工材料為2 mm土工膜熱粘接于200 g/mm2的土工布；大壩高度＞40m，PVC為2.5 mm土工膜熱粘接于500 g/mm2的土工布。

3 壩上游面設置水下土工膜防滲技術

壩上游面設置水下土工膜防滲技術即從壩頂到壩踵設置一個連續防滲的防滲膜，防滲膜與壩基相接。為了運行期排除膜下滲漏水，在防滲膜下游（壩上游面）安裝連續的表面排水系。土工膜間采用熱熔焊接方式進行粘接，土工膜周邊用防水不銹鋼壓條錨固防滲，使壩體上游面形成一個封閉完整的防滲系統，見圖6。

圖6 壩上游面設置水下防滲土工膜方案示意圖Fig.6 Schematic diagram of scheme of installing underwater geomembrane on upstream face

大壩上游面PVC柔性防滲系統安裝包括兩個部分，一部分是水上安裝，另一部分是水下安裝。

3.1 PVC柔性防滲系統水上安裝

PVC土工膜卷材水上安裝相對容易。安裝采用卷揚機操作的平臺，從壩頂開始，沿壩頂降下卷材，工作人員在施工浮橋（懸掛在壩頂，是可以升降的工作平臺）上采取熱熔焊接方式焊接PVC土工膜板材。如圖7所示。

圖7 在施工浮橋上進行水上PVC土工膜焊接（美國Oliven-hain RCC）Fig.7 Welding PVC geomembrane above water on the pon-toon(American Olivenhain RCC)

3.2 PVC柔性防滲系統水下安裝

PVC柔性系統水下安裝是先把預制的6 m寬的板材用施工浮橋吊起，而后用規格為50×3 mm的不銹鋼壓條把板材固定在頂部，再降至水中，板材由潛水員放置并緊固在水下壩面上。圖8為美國Lost Creek大壩的上游面防滲布置，2/3為水上安裝，1/3為水下安裝。

水上安裝土工膜，相鄰的土工膜板材可通過垂直熱焊接結合起來。水下安裝部分，熱焊接是不可能的。水下安裝土工膜系統必須依靠機械錨固，通過機械錨固直接連接相鄰的土工膜板材，將土工膜之間的搭接封閉起來。安裝在水下部分的土工膜板材采用PVC土工膜壓條對連接處進行密封，這個型號的土工膜和防水復合土工膜屬于同一種類型，只是沒有土工織物。

3.3 土工膜的錨固系統

PVC土工復合材料錨固在壩面上，該錨固系統包括一個“U”形的內殼構件和一個“Ω”形的外殼構件。將土工復合材料展開至U形槽中，將Ω形不銹鋼型鋼置于土工復合材料上，并緊固在U形型鋼上，內殼構件錨固在壩面上，外殼構件用來緊固PVC土工膜，達到錨固和張緊土工復合材料的目的。

圖8 美國Lost Creek大壩水上和水下PVC土工膜安裝（1977年）Fig.8 Installation of composite geomembrane

Ω形型鋼直接安裝在原先裸露的表面上，中心間距5.7 m。PVC土工復合材料按固定樁的間距和直徑打孔，并用Ω形型鋼緊固在U形型鋼上。這些型鋼用厚2.5 mm的PVC土工膜條覆蓋，并用熱焊把PVC土工膜條焊接在PVC土工復合材料上進行防滲。所有防滲土工復合材料和土工膜條的焊接均用手工單軌熱焊槍采用“熱空氣法”進行。

通過錨固，使PVC復合土工膜平整，避免出現松弛和褶皺；同時，非粘接的固定方式使復合土工膜和壩面之間存在空隙，有利于布置排水系統，有利于大壩和復合土工膜之間滲透水流的排出。土工膜之間通過不銹鋼固定系統連接，水上專用的不銹鋼固定系統見圖9，水下專用的不銹鋼固定系統見圖10。在圖示裝置中，將兩層疊置的PVC土工膜夾緊固定的系統本身具有防水性，不需要額外采用PVC壓條。

3.4 排水系統

排水系統的目的是：

（1）匯集和排出滲透土工膜的水，防止靜水壓力作用于壩體，在庫水迅速下降的情況下平衡土工膜壓力。

（2）釋放止水層后面由于壩體濕度造成的水汽壓力，由于不同溫度產生不同壓力，在低壓力下，水汽壓力向表面遷移。

（3）在大氣壓突然變化的情況下，例如刮風時，平衡止水層后的氣壓。

（4）監控土工膜止水層的止水性能。

圖9 水上安裝PVC采用的錨固系統（熱焊接）示意圖Fig.9 Schematic diagram of anchorage system(thermal weld-ing)in above water PVC installation

圖10 水下安裝PVC采用的錨固系統（熱焊接）示意圖Fig.10 Schematic diagram of anchorage system(thermal weld-ing)in underwater PVC installation

PVC系統的排水系統由PVC土工膜聯接的土工織物及位于土工膜和壩面之間的、由錨固系統產生的空隙組成。錨固在大壩上游面的PVC復合土工膜上的垂直錨固型件與大氣壓下的垂直排水系統平行。垂直混凝土壩面有利于滲漏水的流動，水在止水和壩面之間的間隙中自由流動，排水區的水由排水層的重力排出。而在垂直管道和土工格網區的水則由位于最低處的管道排出。排水管安裝在廊道至上游面的鉆孔內。在每一根排放管的前面都會安裝一個不銹鋼板，避免復合土工膜阻塞相關水源下的管道。排水通過管道排入檢查廊道、進入配備水泵的集水井，或者直接到下游。

復合土工膜后的排水系統可以長期監控PVC柔性防滲系統的可靠性。PVC土工膜防滲的排水系統見圖11。

PVC柔性系統防滲性比較可靠，即使是在土工膜被破壞的情況下，一般也不會大量滲水。因為土工膜破壞后，水在滲入壩體之前就被表面排水系統和縱向排水管道攔截并排到下游。土工膜破壞情況下滲水排出的情況見圖12。

圖11 PVC土工膜防滲的排水系統示意Fig.11 Schematic diagram of drainage system of PVC geo-membrane

圖12 土工膜破壞情況下滲水排出的情況Fig.12 Drainage as geomembrane destroyed

土工膜的不透水性和配套的止水系統排水能有效地控制水庫滲水通過大壩上游面。因為土工合成材料的整個面未與壩面緊貼在一起，滲水可以通過系統排走，因此可以有效減小和控制大壩的揚壓力。排水土工膜系統安裝前后的壩體揚壓力對比見圖13。

3.5 周邊止水封閉系統

防滲復合土工膜通過密封墊片錨固在整個大壩上游面的周邊，密封墊片可以確保水下周邊（壩基、溢洪道、進水口等部位）不滲水和不受雨水、風浪的影響。周邊密封錨固可以避免水滲入復合土工膜。

圖13 安裝排水土工膜系統前后的壩體揚壓力對比圖Fig.13 Uplift pressures before and after installation of geo-membrane system

周邊止水密封必須能夠抵抗壓力水的滲透，復合土工膜由平面不銹鋼壓條錨固到壩面上。在復合土工膜和光滑混凝土表層之間使用壓縮墊圈和接合板，這樣便有足夠的應力進行錨固。周邊止水密封依據安裝環境（水上和水下），錨栓、墊片和常規壓條等的類型會有所不同。一般低水頭或者高于50 m時，周邊止水采用（寬×厚=60 mm×6 mm）或者（寬×厚=80 mm×8 mm）的不銹鋼夾板。壩頂的周邊密封，由規格（寬×厚=30 mm×3 mm）的平面不銹鋼壓條制成，只需抵抗雨水和風浪的滲入，見圖14。

圖14 意大利SCAIS支墩壩1993年壩踵土工膜周邊止水密封Fig.14 Water stop around geomembrane at dam heel of SCAIS buttress dam(Italia 1993)

當錨栓穿透土工膜時，要防滲透水，螺栓頭可以用膠合輔料、合成樹脂等覆蓋，或者用土工膜一樣合成材料的帶狀或者補片覆蓋在錨桿系統上，而后熱焊接到土工膜。

所有板條、錨桿、螺栓、螺絲、墊圈等應該為不銹鋼，必須具有抗腐蝕性，能抗大壩混凝土中可溶化學物質或其它水泥產品及水庫中的其它腐蝕。

4 結 語

混凝土重力壩上游面設置復合土工膜的方法，防滲效果明顯。如美國Lost Creek壩土工膜安裝完成后，打開連接到排水網上的排水閥門（安裝在土工膜和大壩間），起初從排水系統排出高速水流，1 h內水流明顯減小，到后來水位指示器的讀數顯示排水系統內沒有滯留水。下游壩面呈干燥狀況，且沒有觀察到滲水。Lost Creek壩安裝復合土工膜系統前后的下游面對比如圖15所示，安裝前下游壩面非常潮濕，安裝后下游壩面非常干燥。

圖15 Lost Creek壩安裝復合土工膜系統前后的下游面對比Fig.15 Downstream face before and after installation of geo-membrane system(American Lost Creek dam)

復合土工膜防滲技術具有造價低、施工工藝簡單、設備少、施工速度快、防滲性能好且能適應壩體變形、耐腐蝕等優點，在我國大壩除險加固的防滲應用中有廣泛的應用前景及推廣價值。

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