復合土工膜在土石壩防滲工程中的運用

漆 鶴 董 睿 王 維 陸彥平

（六盤水市水利水電勘測設計研究院 貴州省六盤水市 553000）

復合土工膜在土石壩防滲工程中的運用

漆 鶴 董 睿 王 維 陸彥平

（六盤水市水利水電勘測設計研究院 貴州省六盤水市 553000）

土石壩歷史悠久，運用廣泛，近年來，復合土工膜作為土石壩的防滲體，材料及工程技術都有極大發展，運用越來越廣泛。本文主要介紹復合土工膜的力學特性及其在土石壩防滲中的運用、發展前景。

土石壩；防滲體；復合土工膜

1 復合土工膜介紹

1.1 土石壩的主要防滲材料

土石壩是由土石料經過碾壓或拋填等方法筑成的擋水建筑物，一般采用土、砂或者石塊等材料構成大壩主體，由黏性土或混凝土等不透水材料構成大壩的防滲體。土石壩壩體填筑材料一般可以就地取材，由于壩體具有柔性，較能適應地基變形，因此對地基的地質條件要求比混凝土壩和砌石壩等剛性壩要低。土石壩結構較為簡單，工作可靠，便于維修，施工技術也較為容易，便于機械化快速施工，因此是國內外廣泛采用的一種壩型。土石壩按照防滲體的類型，可以分為均質壩、黏土心墻或斜墻壩、混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土防滲體土石壩等主要類型。

1.2 土工膜作為防滲材料的運用

土工膜作為水庫防滲材料始于桓仁水電站，1967年，遼寧省桓仁水電站采用土工膜粘貼鉚固在上游壩面并用混凝土保護，防止混凝土寶石型懸臂頭裂縫漏水，揭開土工膜在國內大壩防滲序幕。1980年后，我國工程技術人員對土工膜產品性質規格和應用情況有了進一步的研究。近年來，復合土工膜防滲在中小型水庫土石壩加固工程中運用廣泛，具有很大的競爭力。

1.3 復合土工膜

土工膜是有聚合物（含瀝青）制成的相對不透水層，土工織物是具有透水性的土工合成材料。復合土工木：土工膜和土工織物（有紡或無紡）或其他高分子材料兩種或兩種以上的材料的復合制品。與土工織物復合時，可以生產出一布一膜、二布一膜（兩層織物夾一層膜）等規格，一般標記為xxg（布）/xxmm（膜）/xxg（布）。土工膜主要材料為聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酯（PER）、聚酰胺（PA）、高密度聚乙烯（HDPE）和聚錄乙烯（PVC）等。

2 復合土工膜主要力學性能指標

在復合土工膜的物理性能、力學性能、水力學性能、耐久性能中，工程實際應用中，主要研究其力學性能。力學性能主要測試指標為拉伸、握持拉伸、撕裂、頂破、CBR頂破、刺破、漲破等強度和直剪摩擦、拉拔摩擦等。工程技術人員較為關注的是土工膜的抗拉特性及摩擦特性。

2.1 復合土工膜的抗拉特性

作為一種性能優良的新型防滲材料，復合土工膜具有一定的抗拉和延伸能力，不具有抗彎特性，在工程中大多通過其抗拉強度來承受荷載以發揮其工程作用。工程實踐證明，復合土工膜有很好的不透水性和適應變形的能力，能承受不同的施工條件和工作應力，具有良好的耐老化能力。目前測定復合土工膜的抗拉強度主要是沿用紡織品條帶拉伸試驗方法，即把試樣兩端用夾具夾住，以一定的速率施加荷載進行拉伸直到破壞，測得試樣自身的斷裂強度及其變形，并繪出應力一應變曲線。根據復合土工膜拉伸曲線，其受力變形關系為T=J（ε）ε，式中，T為土工膜單寬拉力，單位為kN/m；ε為土工膜拉應變，J（ε）為抗拉模量。由此實驗測出的極限抗拉強度T用于設計時，需按下式予以折減：

式中：Ta——材料許可拉抗拉強度，kN/m；

T——材料極限拉抗拉強度，kN/m；

FiD——考慮鋪設時機械破壞影響系數；

FcR——考慮材料蠕變影響系數；

FcD——考慮化學劑破壞影響系數；

FbD——考慮生物破壞影響系數。各系數根據制定的相關規范查閱，系數乘積（FiDFcRFcDFbD）宜采用2.5～5.0.

2.2 復合土工膜的摩擦特性

復合土工膜的摩擦特性是指復合土工膜與墊層、保護層之間的摩擦角、粘聚力，以及其他一些力學特性。當堤壩的防滲結構采用復合土工膜斜墻式時，堤壩迎水坡坡度除滿足自身的抗滑穩定外，還應當核算沿復合土工膜與墊層結構面之間的抗滑穩定性，而且由此決定了堤壩壩坡的陡緩，因此對于復合土工膜與墊層材料摩擦特性的研究具有重要的工程意義。復合土工膜與墊層材料之間的摩擦角和粘聚力是維持其自身穩定的主要因素，而它們之間的摩擦特性與土的顆粒形狀、大小、緊密程度和復合土工膜的種類、密度以及其厚度等因素有關。同時，試驗的摩擦系數與試驗方法和試驗時的正應力大小、側限條件等因素有關，以上因素的存在加大了邊坡穩定計算的復雜性。

一般情況下，復合土工膜與接觸料（粗礫石、天然砂、人工配料、混凝土結構面、粗粒料等）之間的摩擦系數小于接觸料自身的摩擦系數，因此，土石壩復合土工膜防滲體的穩定性主要是指斜鋪復合土工膜與其相鄰的土石料之間的穩定，即復合土工膜與上保護層及其下墊層之間的平面抗滑穩定。復合土工膜與土、砂和卵石間的摩擦系數小。在透水料壩坡上鋪設土工膜，危險滑動面在土工膜與上保護層之間，而是土工膜與下面墊層之間滑動的可能性不大，因為壩體透水性強，土工膜和墊層之間不會滯留水。土工膜安全系數由下式計算：

式中：δ——上墊層土料與土工膜之間的摩擦角，（°）；

f——上墊層土料與土工膜之間的摩擦系數；

α——土工膜鋪放角度，（°）；

該安全系數必須滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的要求。對于壩坡較為陡峭的土石壩壩面，可以采取工程措施增大土工膜與其上、下接觸面的摩擦力以維持穩定，圖涂刷瀝青或水泥砂漿等。

3 復合土工膜的在土石壩防滲工程中運用

復合土工膜用于土石壩中的典型防滲方式包括：①壩體斜墻防滲；②壩體心墻防滲，見圖1。

圖1 土工膜防滲形式

3.1 典型防滲方式

3.1.1 壩體斜墻防滲

復合土工膜鋪設在上游是最常采用的方法。其優點主要有：施工方便，鋪設土工膜可以在壩體填筑完工后進行，無干擾；膜能夠適應坡面變形，不致破裂；維修或更換容易。但是相應缺點也比較明顯：為防外界因素（如紫外線、風力、水力及水中漂浮物撞擊和人畜破壞等）的影響，需要設置防護層和墊層；存在膜和墊層及防護層的結合及穩定問題；和岸邊接縫較長，處理困難。

3.1.2 壩體心墻防滲

土工膜安裝在壩體內部是不多見的，因為在回填土內鋪設圖公墓施工極不方便，相互影響，為適應土工膜變形，一般將土工膜采用“之”字形鋪設，故膜材料用量不比斜墻少，如往返折角為60°的時候，膜材料用量集合1：2邊坡相同。但心墻方案有如下優點：不受外界因素影響，不必考慮老化問題，不受波浪和漂浮物的裝機等；不需驗算因土工膜而產生的邊坡穩定問性；和周圍岸坡連接縫較短。

3.2 防滲層結構

復合土工膜防滲結構包括防滲材料的上墊層、下墊層、上墊層保護的防護層、下墊層下部的支持層，如圖2。

圖2 土工膜防滲結構

3.2.1 防護層

防御波浪淘刷、風沙吹蝕、人畜破壞、冰凍損壞、紫外線輻射、風力掀動以及膜下水壓力頂托浮起等。常用面層類型有：預制混凝土板、現澆混凝土板、鋼筋網或鐵絲網混凝土板、干砌石或漿砌石等。實際運用中，根據面層和土工膜類型，選用不同的墊層。

某些情況下，可以不設置防護層：①防滲材料位于主體工程內部；②防滲材料有足夠的強度和抗老化能力，且有專門管理措施；③防滲材料用作面層，更換面層在經濟上比較合理。

3.2.2 上墊層

為保護復合土工膜不被刺破，在有些防護層下設下墊層。透水墊層除了直接保護土工膜外，還可以及時排除土工膜以上的水，對防護層穩定有力。上墊層材料可以采用砂礫料、無砂混凝土、瀝青混凝土、土工織物或土工網等。當防護層為壓實細粒土，且有足夠的厚度，可以不設上墊層。

3.2.3 下墊層

土工膜是柔性的，需要墊層的支持。下墊層的作用是使土工膜受理均勻，以免受到局部集中應力的順壞，并且有排水、排氣作用。下墊層材料可以采用厚度不小于15cm的碾壓密實的細礫石或、土工網或土工格柵等。復合土工膜的無紡土工織物，可以作為坡面的濾層和排水層，增大土工膜與土之間的摩擦力，保護土工膜免受機械損壞。

3.2.4 支持層

堆石壩上游面用土工膜防滲，膜下應鋪設墊層和過渡層，兩層合成支持層。先將堆石體上游面基本整平，鋪碎塊石過渡層最大粒徑15cm左右，最小粒徑5cm左右。過渡層與堆石層級配應滿足一定關系。

4 復合土工膜的前景展望

復合土工膜運用到水庫大壩防滲至今已經有50多年，經過多年發展，在材料和工程技術上都有極大發展。如今，復合土工膜在作為土石壩防滲材料，運用越來越廣泛，技術日趨成熟，具備強大的潛力。復合土工膜防滲具有結構簡單、施工方便、防滲效果好、節省工程投資、加快工期等諸多優點，能夠很好地適應土石壩的變形而對防滲效果不產生太多的負面影響，在確保設計合理、施工質量達標的前提下，可以安全可靠地運行，可以大范圍推廣，前景十分廣闊。

[1]《土工合成材料應用技術規范》（GBT 50290-2014）.

[2]《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》（SLT225-1998）.

[3]水工設計手冊·第二版，中國水利水電出版社.

[4]《土工合成材料工程應用手冊》編寫委員會.土工合成材料工程應用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994：45～92.

[5]顧淦臣.土工膜用于書庫防滲工程的經驗[J].水利水電科技進展，2009，29（6）：34～38.

TV49

A

1004-7344（2016）29-0150-02

2016-10-3

漆鶴（1985-），男，漢族，工程師，本科，主要從事水利水電工程設計工作。