复合土工膜在高土石坝中的应用及施工质量控制

陈 云，胡志刚，吴正萍，徐 晗

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.青海华鑫水电开发有限公司，西宁 810000)

复合土工膜在高土石坝中的应用及施工质量控制

陈 云1，胡志刚1，吴正萍2，徐 晗1

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.青海华鑫水电开发有限公司，西宁 810000)

复合土工膜在我国水利水电工程中的应用目前主要还集中于渠道、低土石坝、施工围堰、病险水库渗漏治理等领域，在高土石坝中应用较少。结合复合土工膜在泸定水电站高土石坝中的应用，从复合土工膜焊接工艺、铺设施工及质量控制和焊缝质量检测等几个方面，分析总结了复合土工膜在高土石坝中的质量控制要点，提出了土工布缝合、土工膜焊接、复合土工膜与灌浆廊道混凝土墙体连接的具体施工工艺及检测方法。本研究成果可为今后复合土工膜在类似工程中的应用及质量控制提供借鉴和参考。

复合土工膜；高土石坝；焊缝检测；质量控制；泸定水电站

1 研究背景

复合土工膜是用土工织物与土工膜复合而成的不透水土工防渗材料，其中土工膜起防水、防渗作用，土工织物起排水、保护作用[1]。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[2]。根据原材料不同，土工膜可分为氯化聚乙烯(CPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)等种类，它们具有很好的不透水性、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；同时还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[3]，其化学性能稳定，目前已经广泛应用于水利、公路、铁路、机场、房屋建筑等工程的各个领域[4]。资料显示，土工膜在一些欧美发达国家20世纪30年代就有应用，我国对土工膜的研究和应用起步虽较晚，但发展很快：20世纪60年代中期将其应用于水利工程，80年代开始在各项工程中逐步推广使用，90年代逐渐开始使用复合土工膜。

复合土工膜在我国水利水电工程中的应用目前主要还集中于渠道、低土石坝(坝高大多<30 m)、施工围堰、病险水库渗漏治理等领域，在高土石坝中应用较少，姜海波[5]的研究表明复合土工膜可以改善高土石坝的应力和变形，能起到较好的防渗效果，增加坝体的渗透稳定性，但施工要求较高。本文主要结合复合土工膜在泸定水电站高土石坝中的应用及施工质量控制进行探讨。

2 工程简介

泸定水电站位于甘孜州泸定县境内，为大渡河干流规划调整推荐22级方案的第12个梯级电站，坝址位于泸定县城泸定桥上游2 km处，距下游泸定县城2.5 km[6]。电站正常蓄水位1 378 m，死水位1 375 m。正常蓄水位以下库容2.195亿m3，调节库容0.219亿m3，装机规模92万kW。枢纽建筑物主要由黏土心墙堆石坝、泄洪洞、引水建筑物和厂区建筑物组成。其中黏土心墙堆石坝最大坝高81.5 m，坝顶长度为526.7 m；上游围堰为大坝上游压重体的一部分，堰顶高层1 340 m，最大堰高42 m，堰顶长度为398.57 m，堰顶宽度为10 m。

复合土工膜主要应用于泸定水电站大坝黏土心墙底部及上游围堰挡水面。黏土心墙底部复合土工膜铺设于心墙底部及垫层料(F1反滤)之间，左岸铺设至桩号0+062.63处，右岸铺设至桩号0+496.75处[7]；上、下游铺设至黏土心墙底部边界；中间铺设至灌浆廊道，并通过锚栓连接；应用面积约4.6万m2。上游围堰复合土工膜主要铺设于围堰挡水面的垫层料与喷射混凝土之间，应用面积约2.9万m2。

3 复合土工膜试验

3.1 复合土工膜的性能

复合土工膜具有高强抗拉伸机械性，其优良的弹性和强变形能力使其非常适用于膨胀或收缩基面，可有效克服基面的不均匀沉降[8]。泸定水电站复合土工膜主要应用于黏土心墙堆石坝及上游围堰。使用的复合土工膜均为二布一膜形式，规格型号为SN2/HDPE-20-500-1.0，幅宽5 m。其主要力学性能检测成果见表1。

表1 复合土工膜主要力学性能检测成果Table 1 Main mechanical properties of composite geomembrane

从表1中的检测结果可以看出，泸定水电站使用的复合土工膜主要力学性能检测结果均满足规范《土工合成材料 非织造布复合土工膜》(GB/T 17642—2008)[9]的技术要求。

3.2 复合土工膜焊接试验及焊接工艺参数确定

在进行复合土工膜的铺设施工前，首先要进行土工膜的焊接试验。泸定水电站使用的土工膜连接采用双缝热合焊接方式进行，本次焊接试验采用TH-501型土工膜焊接机进行。焊接试验选择在施工现场一块平整的场地上，在购进的复合土工膜卷上截取若干片宽0.5 m、长1.5 m的试件，2片试件沿纵向进行搭接，搭接宽度为12 cm，根据复合土工膜生产厂家技术人员推荐，初步选定3种土工膜焊接方案，土工膜焊接温度均为400 ℃，焊接机行走速度分别为1.0，1.5,2.0 m/min。对按上述3种方案焊接好的3个试件分别通过现场目测、撕扯、充气方式进行检测，再截取接头试件进行室内拉伸试验。3种土工膜焊接试验方案检测结果见表2。

表2 土工膜焊接试验检测成果Table 2 Welding test results for composite geomembrane

注：充气检测初始气压均为0.2 MPa，表中气压检测结果为充气5 min后的检测结果。

从表2可以看出，方案1和方案2土工膜焊接质量均满足规范及现场施工要求。因此推荐泸定水电站复合土工膜焊接施工采用TH-501型土工膜焊接机，土工膜焊接时的焊接温度控制在400 ℃，焊接机行走速度在1.0～1.5 m/min之间。

3.3 复合土工膜与土体摩擦性能试验

为了解复合土工膜与心墙土体及砂砾石垫层料(F1反滤料)之间的摩擦性能，对复合土工膜与心墙黏土和砂砾石垫层料分别进行了1组界面摩擦直剪试验。本次试验采用美国Geocomp公司生产的大型土-土工合成材料直剪仪进行试验，试样尺寸为305 mm×305 mm，试样高度为100 mm[10]。界面摩擦直剪试验的界面正应力分别选取50，100，150，200 kPa，直剪试验采用应变控制方式，水平位移速率选取为0.5 mm/min[10-11]。为尽可能减小土工膜剪切时与下盒之间的“打滑”现象，将土工膜与剪切下盒表面黏结为一体后再开展试验。试验根据Mohr-Coulomb理论确定接触面摩擦角和黏聚力，试验成果见表3。

表3 复合土工膜与心墙黏土、垫层料直剪摩擦试验成果Table 3 Results of frictional direct shear test on the interfaces between composite geomembrane and corewall clay and cushion

可见，复合土工膜与心墙黏土、垫层料界面摩擦角>30°，与垫层料界面黏聚力达19.5 kPa，界面摩擦性能较好，因此，复合土工膜与心墙黏土及垫层料较难产生相对滑移，复合土工膜与其接触料是变形协调的。

4 复合土工膜铺设施工及质量控制

4.1 复合土工膜铺设施工

4.1.1 复合土工膜铺设施工的工艺流程

复合土工膜铺设施工的工艺流程包括：施工准备、场地清理、垫层填筑、铺设复合土工膜和覆盖层填筑等等。其具体工艺流程见图1。

图1 复合土工膜铺设施工的工艺流程Fig.1 Flowchart of laying composite geomembrane

4.1.2 施工准备

4.1.2.1 材料进场

复合土工膜铺设施工前，应根据所在工程的实际情况及以往工程经验，按预先制定的采购程序，选购国内外知名厂家生产的复合土工膜，并组织材料进场。铺设前应按规范要求对每批产品送国家授权有资质的产品质量监督检测中心进行检测，合格后方可进入铺设工序。

4.1.2.2 机械设备进场

复合土工膜铺设施工前，相关设备应该陆续进场待命。包括基底清理、垫层填筑、复合土工膜铺设等等相关的设备。进场的相关设备的性能及数量均应满足施工要求。

4.1.3 场地清理

垫层填筑前，应对垫层料填筑场地进行清理，包括清扫场地杂物、清除植物根系和浮土、排除积水、平整碾压场地等等，确保场地平整、整洁、压实度符合设计要求。场地清理完毕并经相关单位验收合格后，方可进行下一道工序的施工。

4.1.4 垫层填筑

垫层料采用泸定水电站大坝黏土心墙下游F1反滤料，经检测合格后方可进行垫层填筑。根据碾压试验确定的碾压参数进行填筑碾压，碾压面起伏差不超过10 cm。每填筑一层后，按照要求进行检测，包括碾压面平整度、压实度、颗粒级配等，经检测合格后方可进行下一道工序的施工。

4.1.5 复合土工膜的铺设及连接

4.1.5.1 复合土工膜铺设

复合土工膜铺设宜在天气晴好，风力3级以下，严禁在雨天、高温和严寒天气下施工[12]。为了让复合土工膜始终保持松弛状态，防止应力集中，复合土工膜铺设采用波浪形松弛方式，富余度约为1.5%[13]，摊开后及时将褶皱拉平整(以不紧绷为准)，使复合土工膜紧密贴合垫层面，避免架空，以保证铺设质量。施工人员应穿平底布鞋或软胶鞋，严禁穿钉鞋[14]，铺设作业期间，严禁可能损坏土工膜的一切车辆通行，发现土工膜损坏时，必须及时用热熔风枪进行修补。

4.1.5.2 复合土工膜连接

(1) 土工布缝合。复合土工膜铺设方向一般与水流方向垂直，并且在铺设时上游膜应压住下游膜。在土工布缝合之前，土工膜搭接处应预留约15 cm宽度的膜材便于焊接，建议复合土工膜铺设时的搭接宽度至少应为10 cm。土工布的缝合采用便携式无纺布缝合机及高强度涤纶丝线进行，并预先设定好缝合机的针距，针距宜在4～6 mm之间。首先缝合下层土工布，然后焊接土工膜，最后缝合上层土工布。土工布的缝合要与土工膜焊接相协调，缝合完毕后，要求土工膜与土工布整体要自然平顺，确保两者能受力均匀。搭接土工布上下层宜反向翻折，以减少搭接处复合土工膜的叠合总厚度[15]。

(2) 土工膜焊接。土工膜焊接应采用双缝热合焊接方式进行。焊接前，用电吹风吹去膜面上的砂子、泥土等杂物，再用干净毛巾擦净，保持膜面清洁、干燥[16]。接下来将专用热熔焊机进行预热，并根据焊接试验时推荐的速度设定焊机的行走速度，待预热至400 ℃温度稳定后，方可进行土工膜焊接施工。土工膜焊接时，通过调整土工膜使搭接宽度控制在12 cm左右。接下来正式进行土工膜的焊接，焊接过程中，应根据焊缝痕迹深浅来预测焊接质量,并根据质量状况即时调整焊机的行走速度和焊接温度，在土工膜焊缝质量达到规范要求的同时，使焊接效率最佳。土工布缝合及土工膜焊接示意图见图2。

图2 复合土工膜的土工布缝合及土工膜焊接示意图Fig.2 Schematic diagram of geotextile suture and composite geomembrane welding

4.1.5.3 复合土工膜与灌浆廊道混凝土墙体连接

复合土工膜通过膨胀螺栓及扁钢与灌浆廊道两侧混凝土墙体紧密相连。首先将廊道墙体表面处理平整，不得有尖锐物体。然后按设计要求孔距在扁钢上钻孔，同时根据设计图纸在廊道的两侧混凝土墙体上测量标出水平位置线；接着按扁钢上的孔位在水平线上标出墙体孔位点，按孔位点在廊道墙体上钻孔和埋膨胀螺栓，并按设计要求在廊道墙体和复合土工膜间安装橡胶垫层[17]，橡胶垫层安装须平顺；最后将土工膜靠墙体一侧光面贴在橡胶垫层上，对好孔位装上扁钢，拧紧螺丝，使复合土工膜在扁钢及膨胀螺丝的压力作用下紧贴廊道墙体，形成防渗整体。

复合土工膜铺设施工完成后，经监理工程师现场检查及土工膜焊接质量检测合格后方可进入下一道工序的施工。

4.1.6 覆盖层填筑

复合土工膜铺设完毕检查合格后，应及时填筑覆盖层。覆盖层填筑料为高塑性黏土，来自坝址下游约10 km的海子村黏土料场。填筑复合土工膜上第一层黏土料时，采用进占法，人工平料为主，装载机进行辅助平料，当第一层铺填厚度达到30 cm时，采用18 t自行式平碾静碾方式进行压实，达到规定碾压遍数后，按规范要求进行压实度检测，检测合格后方可进行下一层填筑施工。当覆盖层填筑厚度达到1.2 m后，采用振动凸碾按碾压试验确定的碾压参数恢复正常碾压施工。

4.2 质量控制与检测

4.2.1 原材料质量控制

在进行复合土工膜铺设施工前，应按规范要求对每批进场的复合土工膜性能送国家授权的有资质的产品质量监督检测中心进行检测，合格后方可应用于工程，否则必须进行退货处理。

4.2.2 施工过程质量控制

复合土工膜铺设的质量将影响到复合土工膜在土石坝中作用的发挥，因此要重视施工过程质量控制，主要包含以下内容：

(1) 复合土工膜铺设施工前，应用振动碾将垫层料碾压密实、平整，不得有突出尖角块石。

(2) 复合土工膜铺设作业前，必须仔细检查每一卷复合土工膜有无破损或其它缺陷，若破损面积较小，可用合格的母材加热熔风枪进行修补，修补范围视破损面积大小而定；若破损面积较大,修补困难时，可将该部分进行裁减舍弃。

(3) 复合土工膜的铺设应严格按照施工工艺要求进行，人工拖拉平顺，松紧适度，且应避免架空，无突起褶皱，以保证铺设质量。

(4) 大规模土工膜焊接作业前，应在小范围内进行土工膜的焊接试验，选择最合适的土工膜焊接试验参数，进行土工膜的焊接作业。

(5) 土工膜焊接应由生产厂家派专业技术人员到现场操作、指导、培训，现场焊接人员经考核合格后方可上岗作业[18]。土工膜焊接设备应与焊接试验时的焊接设备一致。

(6) 应派专人检查复合土工膜的搭接宽度，每条接缝应检查不少于10个点，确保搭接宽度≥12 cm。

(7) 土工膜焊接前，必须将土工膜焊接面用抹布或其它工具清理干净，并保持土工膜焊接面的干燥。焊接完一条焊缝后，再进行下一条焊缝的焊接，如此便可减少复合土工膜上的褶皱。

(8) 在进行复合土工膜焊接时，应遵循高处的膜压在低处的膜面上、按水流方向上游膜压在下游膜面上的原则进行焊接[19]。2幅膜在焊接时其边沿应尽量保持平行，这样可减小热熔焊接机行走时遇到的阻隔，以避免烫损膜材。

(9) 土工膜焊接时的温度、湿度、天气状况等因素或多或少会影响到土工膜的焊接质量，必要时可调节热熔焊接机的行走速度和工作温度，直至达到最佳的焊接效果，以此来保证焊接质量。当土工膜焊接施工现场遇到下雨、大风天气及气温过低等不利于焊接作业的环境时，应立即停止焊接作业。

(10) 土工膜铺设现场应加强成品保护。严禁在现场吸烟或乱扔烟头，禁止一切无关人员在焊接好的复合土工膜上走动和作业，以此来保证铺设好的复合土工膜成品免遭破坏。

4.2.3 土工膜焊缝质量检测

4.2.3.1 焊缝现场外观质量检测

对已经焊接好的土工膜焊缝外观质量进行目测，合格的焊缝，其焊缝痕迹应均匀整齐，且无虚焊、烫损等现象。如有上述现象，应立即重焊或用合格的母材进行补焊。目测焊缝痕迹均匀整齐，说明焊机行走速度与焊接温度设定范围合理；目测焊缝痕迹有褶皱或烫损现象，说明焊机行走速度过慢或焊机设定温度偏高；目测焊缝痕迹不明显，说明焊接温度偏低或行走速度过快。

4.2.3.2 焊缝现场撕拉检测

当土工膜一条焊缝焊接完毕后，现场应派专人对该条焊缝采用人工撕拉方法对整条焊缝进行检测，力度应适宜，如发现漏焊、虚焊处，应立即作出标记，采用热熔风枪及时进行补焊。

4.2.3.3 焊缝现场充气检测

土工膜焊缝充气检测前，现场随机选择30～60 cm长的一段土工膜焊缝[20]，用热熔风枪将该段焊缝的两端融合封闭，确保焊缝中间的空腔在进行充气检测时不漏气。

焊缝现场充气检测采用专用的气压式检测仪进行。待焊缝两端封堵处冷却至常温后，将检测仪的针头缓慢地插入焊缝空腔处的一端，插入针头时应小心，尽量平行于焊缝插入，以避免针头刺破焊缝空腔部位侧面膜材，针眼处用快干胶水封堵。最后将检测仪压力加至0.2 MPa的同时用秒表计时，至5 min时读记压力表上的压力，如压力值下降不明显可判定为合格。

检测完毕后，应用合格的母材加热熔风枪对针孔及时进行修补。

4.2.3.4 焊缝室内拉伸试验检测

按规范要求，应对土工膜焊缝适当取样，进行室内拉伸试验(指主膜焊缝拉伸试验)检测。从复合土工膜铺设现场随机截取一块宽≥1 m(焊缝长度)，长度≥0.3 m的焊缝样品，截取样品后，应对该部位采用合格的母材及热熔风枪及时进行修补。

室内拉伸试验前，应从焊缝样品中剪取试样，每块试样的长度≥200 mm，且接缝应在试样的中间部位，并垂直于受力方向，每块试样最终宽度200 mm，每组试样数量≥5个[11]。

土工膜焊缝试样应按《土工合成材料测试规程》(SL 235—2012)[11]进行室内拉伸试验并计算试验结果。当5个试样全部断于母材时，可判定该批土工膜焊缝质量合格；当试样断于焊缝，但其平均抗拉强度不低于母材抗拉强度的80%(设计要求)时，也应判定该批土工膜焊缝质量合格，否则判为不合格。

5 结 语

泸定水电站于2011年8月开始下闸蓄水，黏土心墙堆石坝至今已经安全运行将近5 a时间。实践证明，大坝的安全稳定运行与复合土工膜在泸定水电站黏土心墙堆石坝及上游围堰中的应用有着不可分开的作用。

在黏土心墙底部应用中，复合土工膜的主要作用为隔离、加筋、防渗、排渗等;在上游围堰应用中，复合土工膜主要起防渗作用。喷射混凝土加上复合土工膜斜墙防渗结构防渗效果良好，大大减少了黏土的消耗量，缩短了施工工期，降低了投资成本，为大坝坝基处理及填筑施工争取了宝贵时间。

复合土工膜在泸定水电站高土石坝中的成功应用,取得良好的经济和社会效益，可为今后复合土工膜在类似工程中的应用及质量控制提供借鉴和参考。

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(编辑：黄 玲)

Application and Construction Quality Control of CompositeGeomembrane in High Earth Rockfill Dam

CHEN Yun1，HU Zhi-gang1，WU Zheng-ping2，XU Han1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Qinghai Huaxin Hydroelectric Power Development Co. Ltd.，Xining 810000，China)

The application of composite geomembrane in water conservancy and hydropower engineering in China is mainly concentrated in fields such as channel，low dam，cofferdam，and dam seepage control，but rarely in high earth rockfill dam. With the application of composite geomembrane in the high earth rockfill dam of Luding hydropower station as a research background，we summarized some key points of quality control for composite geomembrane in terms of welding test，laying construction，quality control and welding quality inspection. We also proposed some specific construction techniques and detection methods for the suture of geotextile, welding of geomembrane, and the connection between geomembrane and concrete in grouting gallery. This research provides reference for the application and quality control of composite geomembrane in similar engineering.

composite geomembrane; high earth rockfill dam; weld inspection; quality control；Luding hydropower station

2017-01-05

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2015035/YT)

陈 云(1970-)，男，湖北钟祥人，高级工程师，硕士,主要从事土工和水电站工程质量检测方面的研究工作，(电话)027-82828426(电子信箱)chenyun@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20170025

TV641.1

A

1001-5485(2017)02-0114-06

2017,34(2):114-119