土工膜在土石壩防滲工程中的應用

張金+郜迪

摘 要：土工膜作為一種新型防滲材料，在土石壩防滲工程中發揮良好的作用，它具有不透水性強、抗凍性好、不受季節氣候影響、施工方便和節省工程造價等優點。文章主要針對土工膜在土石壩工程中的防滲應用進行整理，闡述工程中需要注意和解決的問題。

關鍵詞：土工膜；土石壩；防滲設計

中圖分類號：TV53 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0144-02

1 概述

（1）目前，現有土石壩由于施工質量問題、防滲技術不足、維護管理不到位以及壩體自身不均勻沉降等原因，導致滲漏及裂縫問題突出，從而出現壩后積水等問題，嚴重威脅到壩體的安全，為了防止問題產生或惡化必須展開相應的工程措施。

（2）現在采用較多的防滲措施為防滲墻防滲、灌漿防滲、混凝土防滲、土工膜防滲及其他防滲手段。土工膜防滲結構是近代水利工程的一項先進技術，具有較好的防滲效果，且施工較為簡單，造價低。

2 土工膜的特性

（1）土工膜是高分子合成材料的一種，在水利建設防滲功能中應用較多的有：聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）以及氯化聚乙烯（CPE）等。土工膜在物理、化學和水力學等方面的特性能夠滿足水利工程的要求，工程中常用的土工膜厚度在0.5～1.5mm范圍內，統一生產的土工膜幅寬范圍為2～4m，在一些特殊工程中可以適當增加幅寬。

（2）土工膜為相對不透水材料，由達西定律知滲透系數

K<10-14cm/s的土工膜便認為是不透水的。然而在具體的工程實施中，只要滲透系數K<10-13～10-15cm/s并且材料質量不存在問題的土工膜即可滿足工程需要。土工膜的K值并非固定不變的，其大小根據工程中膜上正壓力的值而變，總體上呈現出反比例關系。為了防止土工膜與其他材料共同作用時，在壓力下較大、接觸層土粒較粗等情況下導致土工膜破壞，喪失其功能，因此在特定的條件下需要采取相應的防滲漏實驗。

（3）作為防滲結構主體的土工膜，由于構造原因在支持層顆粒空隙處往往存在薄弱環節，很容易在較大的工作水壓力被壓破擊穿。一般情況下，土工膜的耐水壓性能與支持層材料的顆粒級配存在正相關關系。

（4）土工膜與保護層或支持層中其他材料的摩擦特性也

是極為重要的設計指標，由于其表面光滑，與其他材料之間的摩擦角較土的摩擦角小，在斜坡上鋪設存在沿界面滑動的危險，可以采用表面加粗的土工膜、復合土工膜或采用臺階型鋪設方法來解決。

3 土工膜防滲設計

3.1 土工膜的布置形式和結構

3.1.1 根據土工膜在壩體中的位置，土工膜防滲結構可以分為防滲斜墻和防滲心墻兩種類型。土工膜斜墻一般設置于壩的上游側，與上游坡面近乎平行，鋪設方式一般有薄保護層平直鋪設、厚保護層平直鋪設以及鋸齒形鋪設；土工膜心墻一般設置于壩體中部，或土石混合壩下游堆體的上游一側。在一般的水利工程中，土工膜防滲結構由土工膜（薄膜層）、支持層和膜上保護層等三部分組成，如圖1所示。

3.1.2 支持層的作用是使土工膜受力均勻，免受局部集中應力的損壞。支持層一般由墊層和過渡層組成，支持層一般可采用傳統的砂石反濾結構，也可以采用土工織物與砂石混合結構。墊層材料的選取由土工膜性質決定，當采用土工薄膜時，一般選取粒徑小于1cm的碎石、礫卵石或粒徑小于0.5cm的礫石作墊層。當采用復合土工膜結構時，由于土工織物具有較好耐磨損性起到了一定的保護作用，可用粒徑小于4cm的礫卵石或碎石作墊層。

3.1.3 膜上保護層起到保護防滲體的作用，由面層和上墊層組成。保護層可以有效防止因紫外線輻射、水流擊打沖刷、人為破壞、溫度升降以及膜下水壓力等因素帶來的危害。常用面層有預制混凝土板、現澆混凝土板、鋼筋網或鐵絲網混凝土板、干砌塊石、漿砌塊石等。墊層的選擇根據土工膜和面層類型決定。

3.2 土工膜的厚度

土工膜是防滲體結構的主體，其厚度應依據防滲和強度兩方面的要求來確定。低水頭水庫土工膜厚度一般為0.5mm，也可以用薄膜理論公式和Giroud公式及經驗公式來確定，聚乙烯薄膜的允許拉應力與彈性模量參考值見表1。

3.2.1 蘇聯的經驗公式

3.3 土工膜防滲結構總體防滲校核

為了確保土工膜能達到設計期望的防滲效果，保證壩體的安全高效運轉，從土工膜的總體防滲方面進行校核，應做到以下幾點：

（1）控制土工膜的滲透水量，確保透過的水量在安全水量以內，滿足設計規范要求。

（2）控制土工膜的設計厚度，即使在有少量水滲透的情況下，能避免膜后的結構受到破壞，發生滲透變形，或采取針對膜后結構穩定性的相關工程措施。

（3）控制壩體排水量大于滲透水量，并保持膜后結構排水暢通以便及時排除滲透水。

3.4 土工膜作為防滲斜墻時的穩定分析

3.4.1 透水性良好的保護層

堆石、干砌塊石護坡，混凝土板和砂礫料組成的護坡以及預制混凝土板塊等都是透水性良好的護坡，這種情況下，當水庫水位消落時，保護層內的浸潤面也同時下降，可按下式計算安全系數

3.4.2 透水性不良的保護層

當遇到膜上保護層透水性不良或由于設計問題出現不透水情況，水庫水位下降對保護層內的浸潤面沒有影響時，出現反向滲透水壓力影響壩體穩定，可按下式計算安全系數

4 土工膜施工

4.1鋪設

由于土工膜為薄膜材料，在較大的壓力下容易被破壞，在鋪設過程中一定要注意土工膜的完整性，以免破壞土工膜結構，影響其防滲效果。根據相應的規范和要求，要先對下墊層進行處理，除去雜質，同時還要保證土工膜的鋪設松緊程度，避免產生氣泡、褶皺或過于緊繃的情況出現。在未進行保護層施工前須防止土工膜被風吹動的情況，因此最好邊鋪設土工膜邊進行保護層的施工。

4.2 拼接

對于幅寬有限的土工膜拼接，目前國內外普遍使用的有現場焊接和粘接兩種手段。其中，電熱鍥焊接是焊接法中應用最廣泛的，熱熔擠壓、高溫氣焊等也屬于焊接法。焊接法需要注意的是在高溫影響下，膜與膜之間是否能夠緊密結合而不會產生薄弱段導致膜的斷裂，影響防滲效果。與焊接法相比粘接法相對比較復雜，在施工環境以及質量控制等方面要求比較高，一般適用于坡度平緩的場合，對于陡坡施工則用木錘擊打法對粘接處進行壓實處理，然而粘接法在缺陷補漏方面有優勢。

4.3 錨固

錨固是土工膜防滲施工中重要的環節之一，為了確保土工膜防滲結構與壩體或其他防滲結構形成一個完整的防滲體系，保證土工膜發揮防滲作用，必須做好土工膜錨固工作。土工膜上邊緣要埋入錨固槽內并保證有一定的嵌入長度，或與壩頂防浪墻緊密連接，下邊緣則必須嵌入壩底，防止地基出現滲漏。

5 結束語

土工膜能夠有效的解決壩體滲漏問題，具有較好的經濟效益，嚴格把關產品質量、控制施工技術、注重效果校核將有更廣泛的應用前景。

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