浅谈土工膜防渗技术在土工石坝中的应用

伍成俊

摘 要：文章基于我国土石坝工程的实际情况，分析了土石坝工程渗流破坏的类型及成因，论述了土工膜技术在防渗中的具体应用,指出了土工膜防渗技术是土石坝防渗方面的一种有效的方法,对解决土石坝渗流问题具有一定的借鉴作用。

关键词 土石坝防渗设计土工膜

引言:

土石坝是最普遍采用的一种坝型。不论是在全世界，还是在中国，与其他坝型相比较，土石坝都占绝对的优势，与世界土石坝占大坝总数的82.9%，在中国土石坝数量占到大坝总数的93%，且大多是在建国后的第一个五年计划(1953～1957年)和第二个五年计划〔1958～1962年〕大跃进时期以及十年“文革”期间修建，这些工程都是在“三边”(边勘测、边设计、边施工)工作方式下进行并完成的。特别是小型水库更是存在“四不清”(来水域、流域面积、库容、基础的地质情况均未调查清楚)就动工修建。不少的工程虽然完成，但工程质量很差，“后遗症”很多，留下了隐患，经过了近40年的运行，造成了大批的病险水库。根据1981年的统计资料，我国由渗流而引起的破坏事故率约占31.7%。至1981年全国有2391座水库失事，其中大型11座，其余为中小型，由于中小型水库缺少水文地质资料，漫坝冲垮者最多，占51.5%，其次就是渗漏导致垮坝，占29.1%，说明由于渗漏而造成的溃坝问题是相当严重的。本文鉴于土石坝设计中对渗透破坏的考虑,应采取一定的工程措施,减小因渗透造成的对土石坝的危害。目前，土工膜防渗技术在我国土石坝中的应用已渐趋成熟。特别是近年来，在新建的中低土石坝、病险土石坝以及堤防的除险加固中等应用较广。笔者将通过对土石坝防渗基本情况的说明,土工膜在土石坝中的应用,给解决因渗透水流造成的对土石坝的渗透破坏问题提出一些仅供参考的解决方法。

一、土石坝及其基本情况

土石坝是利用砂、土、砂砾以及石料等坝址附近的当地材料填筑而成的挡水建筑物,因此又被称为当地材料坝。土石坝是世界上最古老且应用范围较广的坝型。

土石坝之所以得到广泛应用的原因在于:(1)可就地取材,节省“三材” ；(2)对坝基要求相对低,对地形、地质条件适应性强；(3)随着大型高效的土石方施工机械的采用,加快施工进度,缩短建设工期,提高经济效益；(4)在一般情况下,尤其是在覆盖层较深时,与其他坝型相比,土石坝的造价往往较低；(5)应用管理方便,便于维修、加固、培厚和扩建；(6)由于岩土力学理论发展,电子计算机技术在土石坝中的广泛使用,以及土石坝工程的积累,坝体防渗结构和防渗材料得到改进,为建筑高土石坝提供了有利条件,土石坝得到了有利发展。

二、 土工膜防渗设计

工程实践证明，利用土工膜防渗技术进行土石坝的防渗，具有防渗效果好，工程施工简单，造价低廉等特点。因此，可利用土工合成材料做防渗的工程包括：土石堤、坝的防渗，地基垂直防渗墙及水平铺盖，堆石坝及碾压混凝土坝的上游面防渗体，渠道、蓄水池和水库的防渗衬砌，水闸及水工隧洞的防渗体，施工围堰，土坝加高防渗等。

（一）土工合成材料及土工膜简介

土工合成材料是应用于岩土工程的以人工合成的聚合物为原材料制成的一种新型工程材料。土工合成材料在水利水电工程方面的应用主要包括：防渗，排水和反滤，隔离和封闭，护岸和护底工程，加筋和加固，防汛抢险等方面。防渗功能是一种防止水渗透的功能，而常用的防渗材料为土工膜。土工膜是一种以聚合物或沥青作为材料制造而成的基本不透水的薄膜状土工合成材料，又称防渗膜。土工膜防渗结构具有不透水性强，抗冻性好，重量轻，体积小，厚度薄，便于施工和造价低的特点，得到广泛的应用。

（二）土工膜材料选择

在采用土工膜防渗技术时，对土工膜品质及性能提出以下要求：(1)具备足够的抗拉强度，能承受施工铺设时的拉应力和使用期在水压力作用下不损坏；(2)在设计应用条件下，有足够长的寿命；(3)在侵蚀性的液体中，有足够的抗化学侵蚀能力。选择时，其除了满足防渗要求外，还应满足膜本身强度、防渗性、抗化学侵蚀等方面的要求，而且必须结合工程实际情况，考虑各种薄膜性能、单价、产品质量等方面的因素，经济技术比较后选定。选定的土工膜必须满足工程要求，达到技术指标，有特殊工程需要的满足特殊要求极其相关规定。

（三）土工膜厚度的确定

土工膜厚度的确定应依据防渗和强度两个方面来考虑，其与垫层平整度，材料允许拉应力及弹性模量有关。土工膜厚度的合理与否，是确保土工膜在水压力下不被刺穿漏水的关键因素之一。1998年11月发布的水利水电工程土工合成材料应用技术规范要求一般选用0.5mm厚度土工膜。不宜选用太薄，太薄易破损，施工保证率小，太薄的土工膜工程质量难以保证，膜上会有非常细小，肉眼看不到的砂眼，小孔洞，应用后会带来不良后果。隐蔽工程还要求厚度大于0.5mm为更好。土工膜厚度核算公式较多，视工程实际情况选择合理的计算公式。当垫层土体粒径d﹤22mm时，一般采用下式进行计算：

3-1

式中--土工膜的厚度，mm；

--铺设薄膜范围内的最大水头，m；

--垫层土壤最大粒径，mm；

--膜的允许拉应力，kPa；

--薄膜的弹性模量,kPa。

利用土工膜进行防渗时，对计算所得理论厚度，然后考虑其他因素，确定最终的采用值。

（四） 防渗结构设计

在一般土石坝工程中，为了有效保护土工膜防渗体的正常工作，土工膜防渗结构一般由上面保护层，上下垫层，土工膜，支持层等几部分组成。支持层是对下垫层和防渗土工膜起到稳定可靠的支撑作用，使土工膜受力均匀，免受局部集中应力的破坏。支持层可用级配良好的压实砂砾料，压实土层等材料。下垫层具有保护土工膜不被支持层材料破坏的作用，并使土工膜受力均匀。下垫层可采用细粒土，土工织物等材料。上垫层可以使土工膜在水中不被漂起并防止膜料老化，可以用透水性良好的砂粒料，沥青砂浆等透水且颗粒较小的材料。上层保护层是外界接触的最外层，具有防御外界水流冲刷，冻冰损坏，紫外线辐射以及膜下水压力的顶托等作用。上面防护层的结构，层次和材料与工程的重要性，工程规模和使用条件等有关，视工程的具体情况确定合理的设计方案。用土工膜防渗结构防渗一定要做好整体性防渗处理，土工膜的铺设一般按照由下而上的顺序铺设，其接缝排列方向与最大坡度线平行，土工膜焊接形式一般采用双焊缝搭接，焊缝双缝宽度为2×10毫米，要与不透水地基和岸坡严密结合，并注意排水问题。土工膜防渗在我县病险水库除险加固建设中使用较多，收到良好的效果。土工膜防渗结构如图1所示。

图1、土工膜防渗结构

三、土工膜防渗的施工质量

应用土工膜防渗技术首先必须科学设计，严把材料质量关，其次要精心施工，严格按照《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》操作。施工时要耐心操作，切莫急于求成，忽视质量，铺膜前应检查基面是否仍有小石子等。施工中应注意土工膜的保护，以防止损坏和老化，铺设完毕要检查薄膜有无破损，是否需要修补，接缝是否紧密。要经常检查垫层和保护层土料质量、填土厚度、填土夯实质量等。要重视质量监督检查，严格验收检验，每道工序完成需经质检人员验收合格后，方可进行下一工序，不合格的要及时返工。另外，要加强运行期间维修管理，发现保护层沉陷、裂缝应及时整修，只有保证保护层断面完整，才能保持理想的防渗效果。

结束语：

土工膜防渗结构在国内某些工程中获得成功，证明了土工膜是一种理想的防渗材料。用土工膜防渗结构，简化了防渗设施的构造，提高了工程防渗能力，缩短了工程工期，降低了工程造价，提高了工程效益。但是作为土石坝整体防渗设计需求，土工膜防渗结构是远远不够的，如前文所述，土工膜一般用于堆石坝的上游坝面防渗体。如何进一步拓宽其使用范围，与其他防渗措施相结合，按照经济合理的总体要求，实现土石坝的总体防渗要求。另外，由于土工膜产品的性能，品种和尺寸规模上不能满足要求，以土工膜为代表的土工合成材料在水利水电工程方面的应用受到一定限制。研究满足使用要求的高质量的土工合成材料，重视工程实践经验，进一步开展在土工膜材料设计施工监测等方面的研究，在工程应用中检测、科研、设计、施工、管理多方协作，促进土石坝防渗技术以及土石坝的发展。

参考文献：

[1] 赵光恒主编.中国水利百科全书.工程力学,岩体力学,工程结构及材料分册[M].北京:中国水利水电出版,2004.

[2] 刘永平. 水库土石坝防渗加固处理技术研究[J].中国科技博览，2010.9