1、1土工合成材料的工程应用第一节 概述土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的新型建筑材料，已广泛应用于水利、公路、铁路、港口、建筑等工程的各个领域。目前，国内外通常采用聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维及聚乙烯醇纤维等原料制造土工合成材料，形成了八大系列产品，如：土工织物、土工膜、土工网、土工格栅、土工席垫、土工格室、土工复合材料及相关产品等。其中土工膜是土工合成材料中应用最早也是最广泛的一种系列产品，土工膜为相对不透水的聚合物薄片，在岩土和土木工程中用于防渗和气体的输送；土工复合材料为用两种以上土工合成材料经人工组合的复合体，用于排水、截水及加筋等。土工膜最早应用可追溯到上世纪
2、二三十年代，人们曾采用聚氯乙烯 PVC 土工膜作为游泳池的防渗材料；50 年代初，美国垦务局采用 PVC 土工膜作防渗衬砌；前苏联以聚乙烯膜进行渠道防渗。我国对土工膜的研究和应用起步虽较晚，但发展很快。60 年代中期，塑料薄膜用于渠道防渗，较早的工程有河南人民胜利渠、陕西人民引渭渠、北京东北旺灌区和山西的几处灌区，主要原料是聚氯乙烯，个别是聚乙烯，以后推广到水库、水闸和蓄水池等工程。70 年代中后期利用聚丙烯编织布进行防渗护底处理，19791980 年宁夏石嘴山市修建了一座容积为 25 万 m3的蓄水池，采用厚度为 0.1mm 的聚氯乙烯薄膜防渗。1984 年陕西西骆峪水库采用三层厚 0.06
3、mm 的聚乙烯薄膜作防渗。随着高分子化学工业的发展，自 20 世纪以来相继出现了聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等各种纤维，这些合成材料具有强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀、不会发霉、不怕虫蛀及吸湿性小等特点，用于工程又具有施工简便、易保证质量、施工进度快、造价低等优点，故被人们所重视，应用也日益广泛。目前，国内外堤坝渗流控制中所应用的土工合成材料，主要是透水的土工织物和相对不透水的土工薄膜两大类。本章主要讲述土工膜及其应用，其他类型的土工合成材料在此不再赘述。一、土工膜的种类及性能1土工膜的种类土工膜是一种由高聚合物制成的透水性极小的土工合成材料。根据原材料不同，可分为聚合物
4、和沥青两大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区别。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。国内外制造土工膜的基本材料大致可分为如下几种：（1）热塑性材料：如聚氯乙烯（PVC） 、耐油聚氯乙烯（PVC-OR）等；（2）结晶热塑性材料：如低密度聚乙烯（LDPE） 、高密度聚乙烯（HDPE） 、聚丙烯（PP）等；（3）弹性材料：如二烯一异丁烯橡胶（IIR） 、氯丁橡胶（CR） 、环氧丙烷橡胶（CV）等；（4）热塑性弹性材料：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）沥青和树脂：如沥青、煤焦油沥青、改性沥青、环氧树脂和丙烯树脂等。这几
5、种主要材料的性能如表 10-1 所示表 10-1 几种土工膜基本材料性能材料性能氯化聚乙烯CPE高密度聚乙烯HDPE聚氯乙烯PVC氯磺聚乙烯 CSPE（Hypalon）耐油聚氯乙烯PVC-OR力学特性顶破强度 好 很好 很好 好 很好撕裂强度 好 很好 很好 好 很好伸长率 很好 很好 很好 很好 很好耐磨性 好 很好 好 好 -热力特性（低温柔性） 好 好 较差 很好 较差尺寸稳定性 好 好 很好 差 很好最低现场施工温度（） -12 -18 -10 5 5渗透系数（m/s） 10-14 - 710-15 3.610-14 10-142极限铺设边坡 1：2 垂直 1：1 1：1 1：1溶剂
6、很好 好 很好 很好 很好热力 差 - 差 好 差现场拼接粘结剂 好 - 好 好 好最低现场粘结温度（） -7 10 -7 -7 5相对造价 中等 高 低 高 中等制造土工膜时还需要渗入一定量的添加剂，在不改变材料基本特性的情况下，改善其基本力学性能、抗环境影响性能和降低成本。沥青类薄膜常用的添加料主要有填料和纤维，有时掺入一定的弹性物质。填料加细粒矿粉，常用的有石灰粉、滑石粉、云母、粉煤灰、石墨等。掺量为沥青与矿粉总重的 60%以内，一般为 30%。添料的作用在于增加膜的劲度，还可降低成本；纤维一般用石棉或玻璃丝，其作用是增加膜的强度。弹性物质常采用再生橡胶等，掺量一般为 5%15%，其作用
7、是改善膜的物理性质或增强抗裂能力。聚合物类薄膜的添加料有填料、纤维、改性剂、增塑剂、炭墨、抗氧化剂、稳定剂、杀菌剂。填料为上述各种矿粉。常用的纤维有玻璃丝、聚脂或尼龙短纤维等。这两种掺料的作用与沥青类相同，其他掺料各有不同的作用。改性剂是在膜的制作过程中使混合料硬化或软化；增塑剂用于增加膜的柔性；炭黑增加膜的抗紫外线和臭氧等的老化作用，并在制作过程中使混合物保持稳定；杀菌剂用于防止菌类微生物对聚合物薄膜的侵蚀。土工膜的类型大体可分为如下几类：（1）现场制成的非加筋土工薄膜现场非加筋土工薄膜即是在工地防渗面现场（土体或混凝土表面）喷涂一层热的或冷的粘性材料，常用材料是沥青、沥青和弹性材料混合物及
8、其他聚合物（如聚氨基甲酸脂） 。这种土工薄膜的主要优点是不存在拼接的问题，价格低，但厚度较厚，约 37.5mm。（2）现场制成的加筋土工薄膜现场加筋土工薄膜是在现场将一层织物先铺设在需要施工的防渗面上，然后在织物上喷涂一层热的或冷的粘性材料，使透水性很低的粘性材料浸渍在织物的表层，以形成整体性的防渗薄膜。所用的粘性材料与上述第一种土工薄膜相同。起加筋作用的织物，早期主要为玻璃纤维布，现大多使用针刺无纺土工织物。这种土工薄膜的典型厚度为 37.5mm。（3）工厂预制非加筋土工薄膜预制非加筋土工薄膜使用聚合物、弹性体以及低分子材料通过滚压和挤压工艺制成，是一种没有任何织物加筋的均质薄膜。其典型厚度
9、为 0.254mm（挤压工艺）和0.252mm（滚压工艺） 。（4）工厂预制复合土工膜预制复合土工膜是将土工织物通过滚压或喷涂使表面浸渍或粘合一层聚合物薄膜，应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为 200600g/m 2。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织物和膜共同压成；另外根据工程的质量也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜） 、三层（二布一膜） 、五层（三布二膜）的复合土工膜。复合工膜有许多优点，以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以非织造型织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦
10、系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。2土工膜的性能土工膜被广泛应用于水利和岩土工程的各个领域。不同的工程对材料有不同的功能要求，并以此选择不同类型和不同种类的土工膜。土工膜的一般性能包括物理、力学、化学、热学和耐久性能等。在工程应用中更重视其防水（渗透性及透气性） 、抗变形的能力及耐久性。大量工程实践表明，土工膜有很好的不透水性；有很好的弹性和适应变形的能力，能承受不同的施工条件和工作应力；有良好的耐老化能力，处于水下、土中的土工膜的耐久性尤为突出。总之，可以认为土工膜具有十分突出的防渗和防水性能。土工膜的特性随其类别、制作方法、产品类型的不同而变化较大。（1）物理性能指标单位面积质
11、量，系 1m2土工膜的质量，称为土工膜的基本质量，单位为 g/m2。它是土工膜的一个重要指标。土工膜的单价与单位面积质量大致成正比，其力学强度随质量增3大而提高。因此，在选择产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。厚度，指土工膜在 2kPa 法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为 mm。土工膜厚度随所作用的法向压力而变，规定 2kPa 压力表示土工膜在自然状态无压条件下的厚度。（2）力学性能指标，针对土工膜在设计和施工中所受荷载性质不同，其力学强度指标分为下列几种：抗拉强度、握持强度、撕裂强度、胀破强度、CBR 顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度等。在前 3 项强度试验中，试样均为单向
12、受力，其纵向和横向强度需分别测定；而后 4 项强度的试验都表示土工膜抵抗外部冲击荷载的能力，其共同特点是试样均为圆形，用环形夹具将试样夹制住，承受轴对称荷载，纵横双向同时受力。在上述众多力学指标中，最基本的是抗拉强度。抗拉强度和延伸率，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示土工膜在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，其对应抗拉强度的应变为土工膜的延伸率，用百分数（%）表示。抗拉强度是力学性能中的重要指标，用于产品质量控制。聚合物土工膜拉断时的极限延伸率可达到 150%900%。加筋土工膜的最大抗拉强度高达 1030KN/m。握持强度，是反映土工膜在挟持情况下分散集中荷载的能力，经常用作土工膜的
13、质量控制。试验时仅 1/3 试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工膜对集中荷载的扩散范围越大，则握持强度越高，单位为 N。撕裂强度，是土工膜沿某一裂口或切口蔓延过程中的最大拉力，单位为 N。胀破强度、CBR 顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度，这四个强度都表示土工膜抵抗外部冲击荷载的能力。其差别是试验时试样尺寸、加荷方式不同，胀破强度单位为 kPa,其它 3 项强度单位为 N。水力胀破试验是确定土工膜平铺在孔洞上的抗拉强度，以模拟实际情况。圆球顶破试验是量测土工膜的局部顶破强度，是土工膜的基本特性指标之一。CBR试验是模拟土工膜铺设在软基和密实的粗粒料间，土工膜所能承受的应力。水力刺破试验是量测土工
14、膜支承在带有尖锐棱角的支承物上时的刺破强度。各试验示意图见图 10-1 所示。图 10-1 顶破类试验示意图（单位：mm）(a)胀破试验；(b)CBR 顶破试验；(c)圆球顶破试验；(d)刺破试验。除抗拉强度外，其它各力学强度指标并不直接用于设计，它们主要是作为参考指标，根据工程实际情况，便于对产品进行比较和选择。（3）水力性能指标，主要为渗透系数或抗渗强度，是土工膜很重要的水力特性指标，反映土工膜的抗渗透能力。其渗透系数或抗渗强度通过抗渗强度试验确定。（4）土工膜与介质面相互作用性能指标，即土或混凝土面土工膜界面的摩擦系数，土工膜埋在土中，通过土土工膜界面摩擦力传递土中应力，形成连续稳定的应
15、力场；土工膜铺设在混凝土或沥青面板上联合防渗，两种介质间通过胶结粘合在一起，共同承担防渗作用，通过界面摩擦力抗衡内部孔隙水应力，防止滑坡形成稳定的复合坝面体。需通过试验方法确定土工膜与界面间的摩擦系数。（5）土工膜的耐久性指标，影响聚合物土工膜耐久性的因素包括：热、光、氧、臭氧、湿气、大气中的二氧化氮和二氧化硫、溶剂、低温、酶和细菌、应力和应变等。土工膜的破坏可能由于：反聚合作用和分子断裂使聚合物分解，从而使聚合物物理性能衰化和发生软化；失去增塑剂和辅助成分，导致聚合物硬化变脆；薄膜遇液体发生膨胀或溶解而发生强度的衰减，渗透性增大；接缝不良或拉开。聚合物土工膜一般不会因温度而分解，只有工业废水
16、池中衬护聚合物薄膜会因氧化温升而起分解作用。许多聚合物对紫外线很敏感，会使聚合物分解（加炭黑后可增强抵抗紫外线分解的能力） 。臭氧破坏不饱和主链，当聚合物薄膜的拉应变达 1525%时，容易受臭氧作用而开裂。4在长期应力或反复应力作用下，有的聚合物会因蠕变或疲劳而变薄、破裂。聚合物一般能抵抗生物分解，但增塑剂或其他单体成分会在湿空气中产生生物分解，而变软或发脆。交联型聚合物有很好的抵抗化学分解的能力；结晶型聚合物成分简单，含增塑剂和填充料很少，不会因增塑剂容易丧失而很快老化。PVC 是热塑型的，老化快。丁基橡胶薄膜是由异丁烯和小比例的异戊二烯聚合而成的，它主要具有烷族的性质，允许硫化处理，是紧序
17、高分子，具有很好的抗氧化、化学、紫外线等侵害的性质（但容易被臭氧破坏） 。土工膜耐久性指标主要有耐磨、抗紫外线、抗生物、抗大气环境等多种指标，但大多没有可遵循的规范、规程，一般根据工程实际情况，按工程经验来选取。当土工膜铺设于渠道边坡和渠底时，上面应覆盖土厚 2530cm，当土工膜铺设于混凝土或沥青混凝土面板上时，上面应设置 1020cm 厚的防护层。二、土工膜在水利防渗工程中的应用土工薄膜是由高分子聚合物制成的透水性甚小的材料，渗透系数一般为 10-1110 -12cm/s，这样低的透水性是一种颇为理想的防渗材料。其在水利防渗工程中可应用于以下几个方面：（1）堤坝的防渗斜墙或垂直防渗心墙。（
18、2）透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙。（3）混凝土坝、圬工坝及碾压混凝土坝的防渗体。（4）渠道的衬砌防渗。（5）涵闸水平铺盖防渗。（6）隧道和堤坝内埋管的防渗。（7）施工围堰的防渗。图 10-2 是一些常见的防渗结构示意图。图 10-2 土工膜防渗形式土工膜作为一种良好的防渗材料，目前在土石坝中，特别是堤防防渗工程中已被广泛地采用，在混凝土坝或碾压式混凝土坝的修补中，作为防渗护面也逐渐增多，其使用量约为土工织物使用量的 11%左右。在我国的土坝建设和堤防加固中，作为垂直防渗墙的墙体材料等，被广泛地使用。为了说明土工膜在堤防防渗中的应用，表 7-2 列出了国内部分坝工中采用土工膜防渗的工
19、程实例。表 10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例序号 工程名称 地点 使用时间 最大挡水水头 (m) 土工膜使用部位 使用情况 土工膜类型1 石砭峪 陕西 2000 81 斜墙 加固 复合土工膜2 塘房庙 云南 1997 52 斜墙 新建 复合土工膜3 钟 吕 江西 1998 51 斜墙 新建 复合土工膜4 温泉堡 河北 1993 46.3 碾压混凝土坝表面 新建 复合土工膜5 田 村 广西 1990 41.9 心墙 新建 复合土工膜6 小岭头 浙江 1991 36 斜墙 新建 复合土工膜7 先 锋 四川 1987 33 斜墙 修复 三层 0.12 单膜8 甲日普 西藏 1992 31.
20、4 心墙 新建 复合土工膜9 西北峪 陕西 1978 31 库区 修复 30.06 单膜10 李家箐 云南 1988 30.6 斜墙 新建 复合土工膜511 红 卫 广西 1999 30.2 斜墙 修复 复合土工膜12 田 头 福建 1992 30 斜墙 修复 单膜13 贡拜尔沟 新疆 1999 28 铺盖 修复 复合土工膜14 松子坑坝群 广东 1994 28 斜墙和心墙 新建 复合土工膜15 水口围堰 福建 1990 26.5 心墙 新建 复合土工膜16 白河 301 吉林 1989 21.5 心墙 新建 3 层 0.4 单膜17 切 吉 青海 1992 20 斜墙 加固 单膜 118 毛
21、儿冲 湖北 1993 20 斜墙 修复 单膜 0.3219 小青沟 2 号 辽宁 1995 20 斜墙 新建 复合土工膜20 军 山 江西 1988 19.6 斜墙 修复 复合土工膜21 湾 子 云南 1995 18 库区 修补 复合土工膜22 温 泉 青海 1999 17.5 斜墙 新建 复合土工膜23 六 甲 福建 1991 15.5 斜墙 修复 单膜24 三官塘 福建 1991 15.5 斜墙 修复 单膜25 黄尖山 江西 1988 14.6 斜墙 加固 单膜 0.1、0.0726 罗 坑 江西 1986 14.2 斜墙 修复 单膜 0.16、0.18、0.2227 黑 河 辽宁 198
22、9 13.9 心墙 新建 复合土工膜28 大 宁 北京 1985 13.5 斜墙 新建 复合土工膜29 土 坎 四川 1999 13.3 斜墙 新建 膜+织物 0.2530 三峡二期围堰 湖北 1999 13.2 斜墙 心墙 新建 复合土工膜31 伍 沟 四川 1999 10.5 斜墙 加固 复合土工膜32 放马峪 北京 1984 10 斜墙 修复 30.1 单膜33 王甫洲 湖北 1999 10 斜墙 铺盖 新建 复合土工膜34 乱 木 河北 1989 10 斜墙 加固 单膜 0.835 麦 坑 江西 1987 9.75 斜墙 修复 单膜 0.3236 新 立 广东 1990 8 铺盖 修复
23、 单膜续表 10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例37 滑 子 北京 1984 8 斜墙和库区 修复 复合土工膜38 闽 江 福建 1987 7.8 铺盖 修复 单膜 0.2439 梨壁桥 福建 1988 7.5 斜墙 修复 复合土工膜40 万家寨围堰 山西内蒙古 1995 5.5 心墙 新建 复合土工膜41 四 扣 山东 1992 5 斜墙 新建 复合土工膜1.土工膜的防渗结构土工膜的厚度很薄，容易遭破坏，为了有效保护和提高其在坡面上的稳定性，在土工膜与堤身或堤基接触处应加一定厚度的垫层（过渡层）或反滤层，尤其对于膜与粗粒料直接接触的情况。若防渗膜选用复合土工膜材料，则反滤层可以简化。对
24、于已有的堤防加固情况，由于铺反滤层较困难，可以直接选用复有较厚的非织造土工织物的复合土工膜作为反滤层，以便于施工。但应强调指出，不管什么情况下，反滤层是必不可少的。土工膜防渗结构原则上应包括 5 层，如图 10-3 所示。6图 10-3 土工膜防渗结构1-防护层； 2-上垫层；3-土工膜；4-下垫层；5- 支持层（1）防护层，是与外界接触的最外层，是为了防御外界水流或波浪冲击、风化侵蚀、冰冻破坏和遮蔽日光紫外线而设置。该层由堆石、砌石或混凝土板构成，厚度一般1525cm。（2）上垫层，是防护层和土工膜之间的过渡层，由于防护层多是大块粗糙材料且易移动，如果直接置于土工膜上，很容易破坏土工膜，因此
25、上垫层必须做好。上垫层一般采用透水性良好的砂砾料，厚度应不小于 15cm；如果防渗材料采用的是复合土工膜，可不必另设垫层。（3）土工膜，是防渗主体，除要求有可靠的防渗性外，还应该能承受一定的施工应力和使用期间结构物沉降等引起的应力，故也有强度要求，土工膜的强度与其厚度直接有关，可通过理论计算或工程经验来确定。单一土工膜表面光滑，摩擦系数小，易产生滑动，不宜铺设在坡面上，在此情况下，一般多采用复合土工膜，其表面的非织造土工织物与土的摩擦系数要比单膜的大得多，另外，有时也可将单膜加上纹路以增加糙度。（4）下垫层，铺在土工膜的下面，有双重功能：一是排除膜下的积水、积气，确保土工膜的稳定；二是保护土工
26、膜，使其不受支持层的破坏。对于粗粒的堆石坝，下垫层也可起堆石与土工膜之间过渡层的作用，这时的下垫层由细砾和砂构成，三者之间的粒径应符合一定的层间关系。对于面板堆石坝的防渗加固工程，多采用复合土工膜，可用沥青直接粘结在防渗面板上。对于碾压式土坝，一般采用复合土工膜，下垫层一般可以省去，因为非织造土工织物可以起到保护和排水作用，而且增加膜与坝体间的摩擦力。下垫层对土工膜起支持层的重要作用。如果土工膜直接放在粗粒料上，在水压作用下，它会被压进粗粒的大孔隙中，而被拉破。相反，如果膜下为平整硬层或细粒土料，则情况就会不同。试验研究证明，0.25mm 厚的聚乙烯土工膜铺在级配良好的砂卵石层上，作用水头达到
27、 200m，土工膜也没有破坏，这表明膜下垫层的状态对膜的安全至关重要。（5）支持层，土工膜是柔性材料，必须铺设在可靠的支持层上，它可以让土工膜受力均匀。对于堤坝，支持层可采用级配良好的压实土层，粒径应根据膜厚来选择，对于0.2mm 厚的土工膜，支持层的最大粒径应不大于 6mm，不均匀系数应不小于 20。对于堆石坝，支持层可采用混凝土或沥青混凝土面板斜墙。如果是碾压式土石坝，由于其坝面平整，又有较大密实度，可不设支持层。2.土工膜的防渗形式（1）堤坝地基垂直防渗墙对于已建堤坝的防渗加固工程，一般采用垂直铺塑技术建造垂直防渗墙。垂直防渗墙是在堤坝地基内造孔或开槽，填入透水性极低的材料形成的连续墙。
28、我国现在用铺塑技术已完成多处垂直防渗墙工程。修建防渗墙的土工合成材料多采用土工膜、复合土工膜。采用插入土工膜，则膜厚度应不小于 0.5mm。在目前技术条件下，插入深度可以达到约 15m，要求地基土中大于 5cm 的粗颗粒不多于 10%，最大颗粒粒径不大于 15cm，否则将超出开槽宽度。对于新建堤坝，采用中央复合土工膜作垂直防渗墙时，其要求与土工膜斜墙防渗相同。但垫层和过渡层在填筑压实时，应注意不使土工膜损伤。施工时要求堤坝填筑与土工膜心墙同时上升，而且土工膜应做锯齿形铺设，以适应堤身的沉陷。（2）水平防渗铺盖堤坝建在透水地基上，当地基厚度过大，采用其他防渗形式不经济或不可能时，可采用铺盖防渗。
29、它是将透水性小的材料水平铺设在堤坝上游的一段长度内，并与堤身或坝身的防渗体系相连接，以增加渗径，减少渗透坡降，防止地基渗透变形并减少渗流量。一般用于铺盖材料的渗透系数至少应比地基的透水性小 100 倍，故以往常用粘性土。土工膜比粘土的透水性还要小，具有极大的柔性，能和地面密切贴合，而且施工相当方便，防渗效果良好。土工膜用于堤防的防渗加固，其心墙式或斜墙式等形式的选用与堤基地层结构及其渗透性有关。堤基的地层结构，一般可分为单层结构、双层结构和多层结构三种。单层结构7是指从地表往下至基岩基本上是同一类土，粘性土的单层结构均质地层不会发生渗透变形，而均质的砂性土单层结构在靠近背水坡的地面易发生渗透变
30、形，远离堤段的地方则是安全的，这种地层在大江大河上比较少见。双层结构（二元结构）是指地层大致由两种土层组成，上层透水性较弱，其下为较厚的透水性较强的土层，当地层受开挖造成与江水连通或上覆层较薄时，往往是最容易发生渗透破坏。这种“二元结构”在大江大河上比较常见，在我国是一种颇具代表性的堤基地层结构。多层结构往往是弱、较强、弱、较强、强透水层结构的组合，即在深度上是弱透水层与透水地层互层，而深层则往往是砂卵石等强透水层，这种地层也比较常见。对于不同的地层形式，在堤防防渗措施上有明显的不同特点。（1）对于堤基透水性土层厚度不大（10m 左右）的情况，采用垂直铺塑技术建造防渗心墙是有效和可靠的，因为土
31、工膜心墙可以从堤身穿过透水地层直接与不透水土层相连，形成封闭式的防渗结构，保证背水坡不发生渗透破坏。（2）对于透水性土层比较深厚的地基，心墙达不到不透水土层，故只能形成“悬挂式”的防渗结构。然而研究和经验表明，这种“悬挂式”防渗体系的防渗效果不佳，应采用复合土工膜斜墙加铺盖或其他防渗结构。（3）近年，在防渗建设中还遇到防渗性各异的另一种多层地基结构的情况，其特点是在深厚的透水层中存在一层透水性较弱的土层，埋深也不大，可以作为防渗的相对不透水层，这时仍可以用心墙的形式，使其达到相对不透水层，以形成“半封闭”的防渗结构。3.土工膜铺设的范围和部位土工膜在堤坝中铺设的范围可从堤基开始，直到堤顶。堤坝
32、临水面若设置铺盖，则铺盖长度应按渗流计算确定，大于或等于 5 倍水头。土工膜材料目前的挡水水头已达3040m，因此完全可以满足一般江河堤防的要求。土工膜的铺设部位，对新建的堤坝，可以铺设在堤坝的中间（即心墙）或临水面（即斜墙） ，两种形式各有特点。心墙布置方式比较省料，但施工时要求堤坝填筑与土工膜心墙同时上升，而且土工膜应做成锯齿形铺设，以适应堤坝的沉陷，因此施工比较复杂。斜墙式布置的优点是堤坝填筑完成后才铺膜，施工干扰小，铺膜质量较易保证。因此国内外新建的堤坝工程大多采用斜墙形式的结构。但对于已建堤坝的防渗加固工程，由于临水面有水，为避免水下施工，故采用堤内开槽铺膜方法施工，筑成心墙。若临水
33、面无水，则用斜墙形式更为方便。4.土工膜的选择土工膜的选择涉及两个问题，一是选择何种原材料的土工膜，二是选用何种形式的土工膜（单膜或复合土工膜） 。（1）国内外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）两种。工程选料时，主要根据以下几个方面来选定合适的土工膜：力学特性，上述两种材料制成的土工膜的拉伸强度相差不大。由于土工膜只用于防渗而不作为加筋材料使用，故其拉伸强度不是选材的重要指标。但从另一方面来说，PVC膜因添加有塑化剂，使得其拉伸率比 PE 膜的大一些，柔性较好，与砂粒接触时可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，从而增加二者之间的摩擦系数。因此，PVC 膜与砂之间的摩擦系数明显
34、大于 PE 膜与砂之间的摩擦系数，摩擦角平均至少大 56。这是一个关键性的指标，会影响到膜与土体接触面以及膜与其上保护层之间的抗滑稳定性。增大 PE 膜摩擦性能的方法有三种：一是采用复合土工膜，因复合土工膜外层的土工织物与土料的摩擦系数较大，接近于 PVC 膜与土料的摩擦系数。二是对 PE 膜采用加糙措施，例如在土工膜的光滑表面上压纹或喷涂加糙材料。三是改变水工建筑物的结构，如调整坝坡，加防滑槽或防滑槛等。另外，当 PE 膜的厚度从 0.12mm 增加到 0.24mm 时，其与粗砂的摩擦系数可以增加 30%。可连接性。土工膜无论出厂时幅有多宽，在实际使用时仍需将其幅与幅之间连接起来，以成为一个
35、整体的防渗膜体。一般 PE 膜只能用加热熔合的方式连接，而 PVC 膜除此之外，还可以采用特殊的粘合剂进行粘接。薄型土工膜由于不能用热焊方法连接而必须用粘接法连接，因此只能选用 PVC 膜。经济性。目前两种材料的价格大体相当，一般均在 1 万元/T 左右，而 PE 膜的比重小于 PVC 膜的比重，所以同样厚度的情况下每单位面积的价格 PE 膜要少一些。另外 PVC 膜出厂时的幅宽一般为 1.52.0m，PE 膜幅宽可达 44.5m，相应地 PE 膜的接缝数量就比PVC 膜的要少，因而搭接的用量就少一些，现场接缝的工作量也少一些。8综合这三个方面的优缺点，再结合工程实际情况，可以对膜材作出合理的
36、选择。（2）选用单膜还是复合土工膜主要是从复合土工膜的作用和经济性两个方面综合考虑来选定。复合土工膜的一个作用是可以增加与土料之间的摩擦系数，第二个作用是保护土工膜不受运输和施工过程中外力的损害。复合土工膜的力学性能比单一膜有很大提高，其破坏应变虽不如单膜大，但仍远大于土体的破坏应变，因而有较强的适应各种情况的能力。复合土工膜的强度和防渗性能要优于单一膜和土工织物两者叠加的性能，其优良的程度与膜和织物之间复合的紧密程度密切相关，因此复合土工膜的设计不能简单地参照膜和织物个别的性能指标直接套用。第三个作用是复合土工膜具有反滤排水功能。由于土工膜不可避免地总会有一些缺陷发生渗水，此时膜一侧的土工织
37、物能够起到反滤排水作用，从而维护了保护层的稳定。如复合土工膜是铺设在透水性弱的堤坝临水面，则膜下的土工织物可以迅速消除库水位骤降时在膜后形成的孔隙水应力，避免土工膜被水应力顶起的危险。我国的堤坝建设心墙式垂直防渗大多采用单膜或多层单膜，斜墙式临水面铺设的土工膜大多采用复合土工膜。从已采用单膜的堤坝防渗效果以及 SL/T225-98 规范中对土工膜类型的规定看，单膜对低水头的小型水库防渗效果良好，仍然是一种具有竞争力的膜材。但在经济允许的条件下，复合土工膜有着更为优越的工程特性。三、土工膜在水利防渗工程中应用情况及优缺点土工膜在坝工中的应用，从地域上看已很广泛，国内已经普遍接受了这种新型的防渗材
38、料和技术。许多工程实录都表明它的防渗效果良好、经济、施工方便，有推广使用价值。国内在坝工中使用土工膜防渗虽然较晚，但从土工膜承受 20m 以上水头的实例所占的百分数来看，接近了国外的水平，且国内也有土工膜承受超过 50m 水头的实例。这些都说明国内在坝工使用土工膜的技术水平已逐渐接近国际先进水平。关于土工膜的厚度目前有两种观点：一种是主张用厚膜（膜厚1.0mm） ，以欧洲国家为多；另一种观点是使用薄膜（膜厚818 280450 -2035 0.910.93 4.0图 10-20 鹊山水库大坝典型断面图第四节 浆砌石坝的复合土工膜防渗工程一、概述浆砌石坝的坝体防渗目前大多采用混凝土心墙型式。从实
39、际工程的运用情况看，由于材料性能和施工质量等方面的原因，混凝土防渗墙往往达不到预期的防渗效果，致使相当数量的浆砌石坝建成蓄水后出现漏水现象。浆砌石坝坝体漏水，常用静压灌浆方法处理，但这种方法投资大、工期长，防渗效果并不理想。根据复合土工膜良好的防渗性能及浆砌石坝防渗的具体要求，采用复合土工膜为防水层的浆砌石坝坝面防渗新技术，可以取得良好的防渗效果和显著的经济效益。二、技术关键复合土工膜用于浆砌石坝坝面防渗工程，关键的问题是确保其与坝体砌石结合牢固。经研究分析，可通过以水泥为主要材料的胶结剂将复合土工膜和砌石结合成一体，这就要求复合土工膜面层的土工织物与水泥材料能直接粘合。目前，我国黑龙江绥棱、
40、江苏常熟、山东泰安等地生产的聚乙烯丙纶复合土工膜均可满足上述要求。与常规土工膜相比，这类复合土工膜具有综合技术性能好、抗拉强度高、抗渗能力强、低温柔性好、表面粗糙均匀、易粘接的特点，并已广泛应用于建筑屋面防水、地下防水、室内防潮等工程。通过大量的试验研究，以聚乙烯丙纶复合土工膜为防水层的新型坝面防渗体由水泥砂浆找平层、粘接层、防渗层、水泥沙浆保护层构成。复合土工膜与水泥砂浆通过水泥胶粘接，水泥胶是由 20%的 107 胶与水泥浆混合的胶粘剂，表面水泥砂浆的作用是防止复合土工膜受紫外线照射，延长使用寿命。复合土工膜用于砌石坝坝面防渗，其应用原理、设计方法和施工要求与其它复合土工膜防渗工程基本相同
41、，重复内容不再赘述。在此重点讲述坝面防渗体与砌石体之间的粘接强度、复合土工膜与水泥砂浆的粘接强度、复合土工膜的抗冻、抗渗、抗老化性能问题。大量的工程实例表明，复合土工膜的抗渗能力较强。试验测得其室内渗透系数仅为 810-11cm/s；复合土工膜的抗老化问题通过在其表面设水泥砂浆保护层解决。因此，在防渗加固设计中应重点解决粘接强度方面的试验研究。粘接强度按劈裂抗拉法进行确定，检测坝面防渗体与砌石体之间的劈裂抗拉强度，试验时试块处于饱和状态。经试验研究表明，试块的破坏型式均为脆性破坏；复合土工膜与水泥砂浆的粘接强度试验，试块的破坏型式均为柔性破裂，破裂面位于复合土工膜中间。经试验研究可以看出，复合
42、土工膜坝面防渗体与原坝面砌石体结合牢固，粘接强度达到C7.5混凝土的弯曲抗拉强度；复合土工膜本身的抗拉强度，小于其与水泥砂浆的粘接强度，试块破坏首先从复合土工膜本身开始。三、工程实例大石村水库浆砌石坝防渗加固工程1工程概况。大石村水库位于青岛市崂山区沙子口镇汉江上游，流域面积 9.4km2，总库容 349.3 万 m3。大坝坝型为小石混凝土浆砌石重力坝，最大坝高 40m，采用混凝土心墙防渗。水库于 1990 年开工兴建，1992 年 6 月底竣工并投入使用。当年水库蓄水后就发现大坝漏水严重，整个下游坝面普遍有库水外渗，溢洪道左右两侧伸缩缝处漏水呈喷射状，坝体廊道内渗水尤为严重，几乎成为“水帘洞
43、” 。据测量，水库的最高日漏水量达 1.5 万m3。大坝漏水带走大量的钙质，使小石混凝土逐渐失去粘结力，如不及时治理，不仅影响工程效益的充分发挥，更重要的是对大坝安全造成严重威胁。282工程措施。大坝渗漏的治理首先进行了灌浆处理，经运行检验，效果甚微。另一途径就是坝面防渗。经过充分的调研、分析与论证，大坝的防渗加固采用在上游坝面构筑复合土工膜坝面防渗体方案。坝面防渗体平均厚度 3.5cm，其中找平层平均厚度 2cm，最小厚度不小于 1cm；随坝高不同，防水层选用 400600g/m 2的复合土工膜；水泥砂浆保护层厚度 1.5cm，最小厚度大于 1cm。复合土工膜与水泥砂浆通过含 20%的 10
44、7 胶的水泥胶粘结。复合土工膜的搭接宽度 15cm，用聚氨脂冷压粘合。3防渗效果分析。大石村水库的防渗加固工程于 1995 年、1996 年汛前施工，共构筑坝面防渗体面积 4200m2，高程自 180.6m 至 161.5m。由于水库的运用要求，加固工程在未放空水库情况下进行，目前还有约 1800m2的坝面尚未施工，防渗堵漏工程还没有彻底完成，但防渗效果已初步发挥。根据水库的观测资料，1995 年1997 年汛期的最高库水位均为172.5m，堵漏前的 1995 年相同水位的大坝渗水量为 5000m3/d，而堵漏后的 1997 年最大值为 2000m3/d，大坝漏水量减少 60%。从现象上看，经
45、过两个汛期和两个冬天的运行，坝体下游面干燥无水，坝面防渗体结构完好，表现出良好的抗渗、抗冻性能。据此可以推断，待加固工程完成后，可以达到理想的防渗效果。大石村浆砌石坝面复合土工膜防渗加固工程说明，复合土工膜坝面防渗技术经济上合理、技术上可行，具有很好的推广应用前景。浆砌石坝复合土工膜坝面防渗新技术，具有造价低、防渗效果可靠，与砌石体结合牢固的特点。同时，更为重要的是，复合土工膜坝面防渗体不仅适用于已建浆砌石坝工程，也可用于新建工程的防渗加固。不论新建还是已建浆砌石坝工程，新型坝面防渗技术均可比常规防渗方案节省工程投资 60%以上。第五节 土工膜在防渗工程应用中存在的问题及改进措施一、几项主要试
46、验测定方法的一些问题1拉伸试验中的几个问题（1）目前国内试验室大多采用窄条试样，即试样宽 50mm、长 100mm。国际上大多采用宽条试样，试样宽 200mm、长 100mm。这两种试样的试验方法相同，但宽条试样试验要具备一对实际有效宽度为 210mm 的夹具，试验荷载相应增大，操作技术也复杂一些。目前国际上只认定宽条法试验成果，为此国内有关部门还需不断改进设备，提高操作技术，逐步过渡到宽条法。（2）拉伸过程中应记录拉力伸长量曲线。目前设计往往要求提供某一应变时的抗拉强度，有时要求提供初始模量，两者都由拉力伸长量曲线上获得。（3）握持试验和撕裂试验的方法与条带拉伸试验方法相似，仅夹持方法不同。
47、握持试验试样夹持面积（长宽）为 50mm25mm，撕裂试验试样夹持宽度为 84mm。两试验拉伸速率为 100mm/min。拉伸过程中最大拉力即为握持强度或撕裂强度，单位为 N。2.垂直渗透试验问题土工膜的防渗性能也可用垂直渗透系数表示，垂直渗透系数是水力梯度等于 1（或单位水力比降）时的渗透速率。一般土工膜的渗透系数值小于 110-11cm/s。试验时一般在有压力（一般为 100kPa，相当于 1000cm 水位差）下进行，由于渗水量很小，试验持续时间较长。二、土工膜在使用中常出现的问题土工薄膜在储运及运行过程中可能造成穿刺和撕裂等破坏，还可能在工程应用中发生以下几种的破坏情况：1遭受块石或其
48、他尖棱物的穿刺。2由于土工薄膜缺少约束支撑（如因土发生淘刷局部下沉；管道破裂；下层土受化学溶蚀而产生空穴以及混凝土面层开裂等）在承受水压力和土压力时被鼓破。3薄膜受到下层气体或液体的顶托产生应力集中导致破坏，顶托主要来自支承土体中的有机物分解成气体、土体孔隙中的空气随地下水位上升而被挤出、铺设薄膜时被锁闭的气囊以及薄膜局部漏水使下层土体起化学作用而产生的气体等等。4铺设在支承土与混凝土面板之间的土工薄膜由于遭受温度、重力、土体位移、浪击以及水位变化等因素，可能引起界面滑动，使土工薄膜产生过度拉伸、撕裂或擦伤。5在斜面上用土或混凝土面板保护的土工薄膜，当水位骤降时，土体中的孔隙水压力与库水位失去
49、平衡而造成失稳滑动，特别是新浇注的混凝土由于混凝土中析出的水聚集于29薄膜和混凝土的界面上，从而混凝土将会出现下滑趋势，土体和混凝土的滑移可能引起薄膜过量伸长破坏或撕裂。鉴于上述情况，工程中根据不同要求在土工薄膜上面或下面或上下两面采用保护措施。土工织物保护土工膜最佳，故在工厂将土工织物通过喷涂或滚压或压延等工艺粘合一层高聚合物薄膜，即采用一布一膜、二布一膜等形式的复合土工膜，可以解决土工膜在使用运输过程中可能发生的上述破坏。三、土工膜耐久性问题1影响土工膜耐久性的主要因素土工膜的原材料是高分子聚合物，这种物质是链节结构，它对氧化（老化）十分敏感，容易发生降解反应和交换反应，引起其组成、结构的变化逐渐失去原有的优良性能，最后丧失其使用价值，这种现象叫做老化。老化是一种不可逆现象，其变化为：（1）外观变化，如变色、发粘、变软或变硬、龟裂、变形等；（2）物理化学性能的变化，如比重、导热系数、玻璃化温度、熔点、溶解度、耐热性及透水性的变化；（3）力学性能的变化，如抗拉强度、伸长率、耐磨损、硬度的变化；（4）电性能的变化，如表面电阻、介电常数及击穿强度等的变化。高分子聚合物的老化，一方面是由于受到外界因素的影响
