外露土工膜防渗在碾压混凝土坝的研究与思考

徐骞骞 孟庆祥

(1.中广核能源开发有限公司，广东深圳 518000; 2.河海大学岩土工程研究所，江苏南京 210000)

0 引言

土工膜在碾压混凝土坝上游防渗层的应用最早可以追溯到1984年。国际大坝委员会收集的统计数据表明土工膜防渗可以作为永久的方法使用，可以保证碾压混凝土坝的安全运行。土工膜系统所提供的优势，促进了其在全球使用。采用最先进的技术土工膜可以安装在很多系统中，包括暴露的系统、覆盖系统或者永久嵌入混凝土板作为防渗设施。

国际大坝委员会根据世界各地收集的性能数据，土工膜认为永久的方法给予不透水和所有类型的大坝的安全运行，包括大型碾压混凝土坝。新的国际大坝委员会的数据公告显示世界各地超过280座大坝使用土工膜作为防水设备。2007年世界有37座在建的碾压混凝土坝采用土工膜防渗系统。

目前，很多碾压混凝土坝开始最大限度地发挥土工膜防渗的优势，开始使用外露型土工膜作为碾压混凝土坝的上游防渗，如在偏远荒漠建设的Taishir碾压混凝土坝就采用这种形式，该地区温度变化很大，年变化幅度从-50℃～+40℃。

1 外露土工膜防渗系统

目前，在现代水利工程中土工膜防渗应用十分广泛，国内外现有的几种土工膜与衬砌系统已经开始普遍应用于民用建筑物的防水。根据国内外设计经验，采用塑料薄膜的各种系统可以进行如下的一些分类，研究中考虑了薄膜耐久性、老化以及后期的维护运行等问题。

对于碾压混凝土重力坝(RCC重力坝)而言，外露式土工膜防渗系统已经试用于大坝坝身的垂直护面，像金属板、喷混凝土、喷土工膜沥青衬砌等等方法。针对土工膜的材料，目前主要包括以下几种：绿磺化聚乙烯、高密度聚乙烯、氯—磺酸盐聚乙烯(CPE)、丁基合成橡胶(橡胶)、聚氯乙烯、沥青土工膜和聚丙烯(CPP)［1］。

土工膜在土石坝中的应用比较早，最早可以追溯到20世纪50年代末。目前该领域最大的企业是美国的卡皮公司，该公司的外露土工膜防渗系统在水利工程中的应用已经超过40年，也是全世界外露式土工膜防渗应用最广泛地系统之一，世界不同的地区大约有50座从几米到几百米的大坝都使用该系统进行建设和修复。

2 相关研究回顾

国内外很多学者对外露型土工膜的应用开展了研究。下面选用国外的相关研究做一个简单的概述。

Bob L.Whitfield着重介绍了相当独特的应用土工合成材料的水库蓄水坝。这种特殊的设计采用了一个非常低的水泥含量的多孔碾压混凝土，根据当地的材料供应或替代建筑材料成本的最实用和最经济的设计选择，该项目仍在建设中，包括约74 220 m3碾压混凝土(97 000 m3)的约6 420 m2(69 100 ft2)土工膜［2］。

A.Scuero和G.Vaschetti以蒙古国的Taishir为例介绍了外露型土工膜防渗在碾压混凝土坝(RCC坝)上游防渗的作用，着重介绍了土工膜防渗系统在温差很大的环境中如何安装，保证防渗系统的有效性。A.Scuero和G.Vaschetti还研究了外露土工膜防渗在大坝修复中的作用，表明PVC土工膜长期的高性能安装可以在寒冷的气候条件下有效地修复水坝，并且安装时间短。在Midtbotnvatn较低的旧大坝的一部分，安装该系统后泄漏从550 L/s减少到1.5 L/s。在瓦尔德克，安装同一系统可以取得类似成功的表现［3］。

Tarbox，G.S.Rogers等人介绍了外露型土工膜防渗系统使用的经验。美国最高的碾压混凝土坝(奥利文海恩坝)上游坝面采用的外露土工膜系统进行防渗得到非常成功的实践。Tarbox，G.S.Rogers等人针对该系统在工程中的设计和施工情况，对取得的宝贵的经验进行了详细展示［4］。

梅斌和金志玉以一个渠道工程为例，展示了外露式土工膜灌溉渠道防渗施工［5］。在HDPE土工膜中添加了碳黑，可以在紫外线的照射下延缓老化，根据国外的工程试验，使用寿命可以达到15年以上，因此外露式土工膜可以在灌溉渠道防渗改造中推广应用。

3 外露土工膜防渗系统的优势

根据国内外的相关经验，采用外露土工膜防渗与传统的设计相比具有明显优势，可以实现抗震性能的提高、减少渗透压力和内部扬压力以及优化填筑等。

3.1 提高抗震性

在地震荷载作用下，普通的混凝土重力坝或者碾压混凝土重力坝会经常出现一些细微裂缝以及临时或者永久性质的位移。采用外露式薄膜使坝体具有显著的延伸性，从而可以保证大坝在地震后护面系统能够保持较好的完整，从而减少由于坝体裂缝造成的渗水。

3.2 降低坝体渗水和扬压力

由于地震、风化等因素，混凝土经常会不可避免地发生开裂。从而形成了水流的渗透通道。采用外露土工膜防渗可以解决这些常见的渗透问题。外露式土工膜防渗可以给大坝上游面提供连续保护，从而减少通过收缩缝和意外的裂缝导致的大坝渗水。此外，我们看到在RCC坝的施工中安装预制垂直排水管比较困难，在实际施工中往往需要按照简化的施工方案，这就导致了坝体内部的扬压力可能比较大。采用外露土工膜防渗护面可以消除通过大坝的渗流，从而降低坝体扬压力。

3.3 碾压混凝土坝填筑的优化

碾压混凝土坝(RCC坝)为了实现快速施工，设计的基本准则是简化“浇筑层”，从而实现快速高效的填筑。但是一些必需的工序如安装箅水、局部采用普通混凝土、设置廊道以及埋设管道等都会导致坝体填筑的终端。采用外露式土工膜防渗可以通过将排水装置移至坝外来简化或者根本不用考虑这些工序，从而实现了施工的优化和工期的缩短。

4 结语

根据国内外相关研究，可得出以下主要结论，同时也产生了一些思考：

1)外露型土工膜防渗具有明显的优势：首先，外露土工膜防渗系统费用低、效果好;其次，可以明显地提高坝体安全性;最后，简化施工工序，从而缩短工期以及降低成本。此外，外露型土工膜适用于多种情况，如高寒和高温地区、老化水工建筑物的工程修复活动中。

2)外露型土工膜防渗中外露部分的处理是一个难题。我们知道土工膜最忌讳的就是紫外线的直接照射，在水中由于水的作用，土工膜的耐久性可以保证，并且在坝底的部分也便于安装，但是上部露出部分便是一个问题。如何保证露出部分不受环境的侵蚀与破坏以及提高露出部分土工膜的耐久性是一个值得思考的问题。

3)我国自主外露型土工膜防渗系统的开发。众所周知，外露型土工膜防渗系统具有很多优点，但是我国这方面的技术采用的还不多。该技术目前被一些国外企业垄断，如卡皮公司，世界上很多碾压混凝土重力坝采用的外露型土工膜防渗都是使用该公司的专利。因此，我国开发自主的技术并加以推广具有重要的意义。

［1］ R.Kerry Rowe，Henri P.Sangam.Durability of HDPE geomembranes［J］.Geotextiles and Geomembranes，2002(20)：77-95.

［2］ Bob L.Whitfield.Geomembrane application for an RCC dam［J］.Geotextiles and Geomembranes，1996，14(5)：253-264.

［3］ A.Scuero，G.Vaschetti.Geomembrane systems in RCC dams and a case history in Mongolia.Proceeding，2008.

［4］ Tarbox，G.S.Rogers，M.F.Steele，et al.Exposed geomembrane liner minimizes seepage at Olivenhain［J］.International journal on hydropower and dams，2005，12(4)：71-78.

［5］ 梅 斌，金志玉.外露式土工膜灌溉渠道防渗施工［J］.浙江水利科技，2009，161(1)：50-52.