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，1979～1980年宁夏石嘴山市修建了一

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座容积为25万m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0.06mm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 力学特性顶破强度 撕裂强度 伸长率 耐磨性 热力特性（低温柔性） 尺寸稳定性 最低现场施工温度（℃） 渗透系数（m/s） 极限铺设边坡 氯化聚乙烯 CPE 好 好 很好 好 好 好 -12 -14 101：2 高密度聚乙烯 HDPE 很好 很好 很好 很好 好 好 -18 -- 垂直 聚氯乙烯 PVC 很好 很好 很好 好 较差 很好 -10 -15 7×101：1 氯磺聚乙烯 耐油聚氯乙烯 CSPE PVC-OR （Hypalon） 好 很好 好 很好 很好 很好 好 -- 很好 较差 差 很好 5 5 -14 -14 3.6×10101：1 1：1 1

溶剂 热力 粘结剂 最低现场粘结温度（℃） 相对造价 现场拼接 很好 差 好 -7 中等 好 -- -- 10 高 很好 差 好 -7 低 很好 好 好 -7 高 很好 差 好 5 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3～7.5mm。 （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3～7.5mm。 （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。其典型厚度为0.25～4mm（挤压工艺）和0.25～2mm（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

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较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为200～600g/m。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

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①单位面积质量，系1m土工膜的质量，称为土工膜的基本质量，单位为g/m。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。

②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

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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。

①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10～30KN/m。 ②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。

③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。

④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15～25%时，容易受臭氧作用而开裂。

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

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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25～30cm，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10～20cm厚的防护层。

二、土工膜在水利防渗工程中的应用

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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10～10cm/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。

（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程实例。

表10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 工程名称 石砭峪 塘房庙 钟 吕 温泉堡 田 村 小岭头 先 锋 甲日普 西北峪 李家箐 红 卫 田 头 贡拜尔沟 松子坑坝群 地点 陕西 云南 江西 河北 广西 浙江 四川 西藏 陕西 云南 广西 福建 新疆 广东 使用时间 2000 1997 1998 1993 1990 1991 1987 1992 1978 1988 1999 1992 1999 1994 最大挡水水头(m) 81 52 51 46.3 41.9 36 33 31.4 31 30.6 30.2 30 28 28 土工膜使用部位 使用情况 斜墙 斜墙 斜墙 碾压混凝土坝表面 心墙 斜墙 斜墙 心墙 库区 斜墙 斜墙 斜墙 铺盖 斜墙和心墙 加固 新建 新建 新建 新建 新建 修复 新建 修复 新建 修复 修复 修复 新建 土工膜类型 复合土工膜 复合土工膜 复合土工膜 复合土工膜 复合土工膜 复合土工膜 三层0.12单膜 复合土工膜 3×0.06单膜 复合土工膜 复合土工膜 单膜 复合土工膜 复合土工膜 4

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 水口围堰 白河301 切 吉 毛儿冲 小青沟2号 军 山 湾 子 温 泉 六 甲 三官塘 黄尖山 罗 坑 黑 河 大 宁 土 坎 三峡二期围堰 伍 沟 放马峪 王甫洲 乱 木 麦 坑 新 立 福建 吉林 青海 湖北 辽宁 江西 云南 青海 福建 福建 江西 江西 辽宁 北京 四川 湖北 四川 北京 湖北 河北 江西 广东 1990 1989 1992 1993 1995 1988 1995 1999 1991 1991 1988 1986 1989 1985 1999 1999 1999 1984 1999 1989 1987 1990 26.5 21.5 20 20 20 19.6 18 17.5 15.5 15.5 14.6 14.2 13.9 13.5 13.3 13.2 10.5 10 10 10 9.75 8 心墙 心墙 斜墙 斜墙 斜墙 斜墙 库区 斜墙 斜墙 斜墙 斜墙 斜墙 心墙 斜墙 斜墙 斜墙 心墙 斜墙 斜墙 斜墙 铺盖 斜墙 斜墙 铺盖 新建 新建 加固 修复 新建 修复 修补 新建 修复 修复 加固 修复 新建 新建 新建 新建 加固 修复 新建 加固 修复 修复 复合土工膜 3层0.4单膜 单膜1 单膜0.32 复合土工膜 复合土工膜 复合土工膜 复合土工膜 单膜 单膜 单膜0.1、0.07 单膜0.16、0.18、0.22 复合土工膜 复合土工膜 膜+织物0.25 复合土工膜 复合土工膜 3×0.1单膜 复合土工膜 单膜0.8 单膜0.32 单膜 续表10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例 37 38 39 40 41 滑 子 闽 江 梨壁桥 北京 福建 福建 1984 1987 1988 1995 1992 8 7.8 7.5 5.5 5 斜墙和库区 铺盖 斜墙 心墙 斜墙 修复 修复 修复 新建 新建 复合土工膜 单膜0.24 复合土工膜 复合土工膜 复合土工膜 万家寨围堰 山西内蒙古 四 扣 山东 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。 图10-3 土工膜防渗结构

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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15～25cm。 （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。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。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

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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30～40m，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： ①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大于PE膜与砂之间的摩擦系数，摩擦角平均至少大5～6。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%。 ②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。

③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1.5～2.0m，PE膜幅宽可达4～4.5m，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。

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

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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<1.0mm），以美洲国家和我国的实例较多，这些坝的使用情况至今仍然很好，因而值得很好地总结经验。根据上述情况以及目前SL/T225-98《水利水电工程土工合成材料应用技术技术规范》和GB50290-98《土工合成材料应用技术规范》中所列入的土工膜在堤坝中的防渗使用规定，都表明土工膜防渗技术在我国堤坝中的应用已经逐渐成熟。这将为这项新技术和新材料在堤坝中的推广应用提供良好的范例。

土工膜与混凝土、粘土、钢板衬砌等几种防水材料相比，有以下几个弱点：

（1）容易破裂，土工膜是一种高分子化合物的柔性材料，强度低，厚度也比较薄，因此容易破裂。造成破裂的原因有：①在施工过程中受损破裂；②被土石料中的石块等尖硬物刺破或顶破；③由于设计选择不当或没有局部约束被过大的水压力击穿；④铺设在支承土与混凝土面板之间的土工薄膜由于温度胀缩、重力、土体位移、浪击和水位变化的因素，可能引起界面滑动，土工薄膜将承受过度伸长、撕裂或擦伤；⑤斜面上用土和混凝土板保护土工薄膜的情况，当水位骤降，土中孔隙水应力与库水位失去平衡，土体失稳而滑动。⑥建筑物过大的变形或不均匀沉降而导致破裂；⑦由于保护层薄或埋深浅，特别是用于渠道防渗时，被人畜或植物根系弄破。这些问题很容易发生，但又是可以避免的。

（2）容易脆裂，土工膜在低温环境下，性能恶化，容易脆裂。这方面可通过选择耐低温的品种或增加保护层厚度解决，一般也不成问题。

（3）老化问题，土工膜在接触阳光、冷热气候、臭氧的条件下，将较快老化而失去性能。不过埋在水中或处于水下，不接触这些因素，其老化还是相当慢的。目前对土工膜的使用寿命，还没有一个确切的规定，试验研究和实测资料都表明，在正常的保护条件下，其寿命可达50～100年。

（4）化学腐蚀，土工膜遇上某些化学物质，如酸性、碱性液体，或矿物油，可能会被腐蚀破坏。不过在一般的工程应用中，不接触这些物质因而不必担心。但在用于封闭废弃的固体或液体时，则应考虑这方面的问题。

由于土工薄膜在工程中可能遇到以上几个问题，因此，要正确设计，精心施工，保证土工膜良好地工作。同时也可根据不同情况在土工薄膜上面或下面，或者上、下两面加以保护，将土工薄膜与针刺土工织物通过挤压、滚压或喷涂等工艺制成整体结构的复合土工薄膜，其土工织物能起到排水排气以及缓冲受力的作用，并能弥补薄膜自身强度之不足，又能改善接触界面的摩擦特性。它与单一土工薄膜相比具有以下优点：①提高了土工薄膜的抗拉、抗撕裂、抗顶破及抗穿刺等力学强度；②在相同应力作用下，伸长率有所减小，模量增大；③趋于各向同性，能避免在物理条件和温度变化时所产生某个方向上的过量收缩和移动；④易于避免下层土体冻融时土工薄膜的损坏；⑤易于压力均布，避免应力局部集中；⑥易于消散土工薄膜与土体接触面上的孔隙水应力及浮托力；⑦改善土工薄膜的摩擦性能，增加其稳定性。

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因此，复合土工膜改善了薄膜的工程性能，简化施工程序，保证施工质量。目前工程中大多采用复合土工膜作防渗材料。

土工膜在水利防渗工程中应用的优点

土工膜是一种柔性防渗材料，具有可靠的防渗功能。防渗是土工合成材料应用最早的，也是目前最为广泛的功能之一。土工膜可用于水库库盘防渗、土石坝的直立防渗墙或倾斜防渗层、闸坝的上游防渗铺盖、混凝土坝的挡水面防渗层、沥青混凝土面板或混凝土面板堆石坝的防渗层、尾矿坝的初期坝防渗层、渠道防渗、污水防渗和危险性废物堆场的封闭等等。 土工膜用于水利防渗工程，具有结构简单，施工方便，防渗效果好，节省工程造价，加快工期等显著优点。只要正确设计，精心施工，就可保证安全可靠地运行，宜于在我国大力推广。

土工膜或复合土工膜用于堤坝防渗工程，除上述一般优点外，在力学上它还能够改善堤坝本身的结构性能。

（1）复合土工膜对堤坝应力的影响。在土体压缩变形时，复合土工膜由于是柔性材料蜷曲在堤坝内，当坝体承受拉应力时，由于它有较高的抗拉强度，故可承担土体的部分拉应力，从而抑制土体的应变。

（2）复合土工膜对堤坝竖向沉降的影响。当考虑复合土工膜与心墙间相对滑移时，坝体竖向沉降类同于未铺设复合土工膜的沉降等值线分布，其最大沉降量略小些，在复合土工膜处的等值线不连续。

（3）复合土工膜对堤坝水平位移的影响。复合土工膜采用接触单元模式，由于考虑相对滑移则上游坝壳向上游位移，比不设复合土工膜时位移要大。当复合土工膜采用线单元模式时，其上游坝壳的位移明显减小，增加了复合土工膜处的水平位移量，说明复合土工膜抗拉强度起着一定的抑制作用。

（4）渗流场的改变对应力的影响。对于具有渗流条件的堤坝，存在着体积渗透力，铺设复合土工膜后堤坝内渗流场发生了变化，坝体内应力应变随之发生变化，引起应力的重新调整，使小主应力有较大改变，而大主应力变化较小。

总之，复合土工膜是一种柔性防渗材料，它与砾质粘土心墙做组合防渗体时，由于其具有较高的抗拉强度，抑制了土体的应变，从而使土体各部位的应力有所调整。另一方面，复合土工膜的渗透系数相当小，可消刹作用水头，使坝体内的自由水面降低甚多，渗流量减小，有利于下游坝坡的稳定。

第二节 堆石坝的复合土工膜防渗工程

目前堆石坝工程主要有混凝土面板堆石坝、沥青混凝土面板堆石坝、混凝土心墙堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝等。不论是新建的还是已运行多年的堆石坝体，由于两种材料的压缩性差异大，两种材料压缩厚度不一样，以及应力不均等原因，坝体容易产生不均匀沉降，导致斜墙或面板发生裂缝、坝体沉陷塌坑，发生渗漏破坏，危及水库坝体的安全，这种现象在工程中经常见到。这种不均匀沉降在不同的部位发生的破坏机理是不尽相同的。下面就不同的渗漏部位，对其破坏机理进行初步分析。

（1）岸边裂缝。当在基岩内或在防渗墙与基础接触处发生的裂缝渗漏破坏，一般不是由于不均匀沉降造成，而是库水位压力沿着基岩裂缝面或防渗墙结构薄弱面劈入，将裂面扩展，产生渗流通道。 （2）岸坡裂缝。由于与基岩接触的岸坡堆积有杂填土，发生大的变形，产生不均匀沉降，将混凝土面板或沥青混凝土斜墙拉开库水注入，产生渗流通道。同时在绕渗水流作用下，将细颗粒带走，加剧渗透破坏，以致形成塌坑。

（3）伸缩缝裂缝。堆石体发生沉降变形，或坝面分布有较厚的杂填土，杂填土变形大，沿着伸缩缝处的结构薄弱面发生拉张变形。斜墙或面板沿着伸缩缝产生裂缝，库水沿裂缝劈入，基础发生渗透破坏，细颗粒被带走，形成空洞。

（4）戗台裂缝。由于堆石坝坝坡一般较陡，上部边坡水平推力较高，水平位移较大，产生拉伸变形，沥青混凝土斜墙或混凝土面板发生沿戗台边缘的纵向裂缝。

（5）杂填土区域裂缝：杂填土区域较大，若分布厚度不一，密实度不同，变形大及不均匀变形，在较高库水位作用下，沥青混凝土斜墙或混凝土面板发生破裂，库水渗入，将细颗粒带走，形成地下空洞，表面出现塌陷和塌坑。

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（6）杂填土变形的固结。有杂填土的堆石坝体在自重和水压力作用下将发生固结变形。当杂填土处在松散和稍密的状态下，遇水将发生湿陷，当排水后又将发生排水固结变形。在这一系列固结作用过程中，沥青混凝土斜墙或混凝土面板变形也可能同时发生，亦有可能不同步发生，基础与斜墙发生虚托，此时可能发生面积较大的塌陷与塌坑，或发生斜墙的鼓包现象。斜墙破坏与杂填土的变形固结过程密切相关。

（7）堆石体沉降变形。堆石坝体在高库水位的作用下，若坝体碾压不均匀，其沉降变形厚度不同，其沉降值不同，河床部位沉降大，边坡部位沉降相对较小，斜墙与坝体变形不一致时，容易产生虚托或发生斜墙的鼓包现象，也可能发生大面积的塌陷或塌坑。

对于堆石坝体的防渗加固，可以选择坝面防渗处理方案，也可采用垂直防渗方案。垂直防渗方案一般为混凝土防渗墙工程，这种方案造价较高，施工困难，甚至根本无法施工，特别对于中高堆石坝，采用此方案是不经济的。堆石坝防渗加固应采用坝面防渗工程，即坝面铺设复合土工膜防渗工程，此方案技术可行，防渗可靠，施工方便，经济合理，是堆石坝防渗加固处理工程的首选方案。

一、堆石坝的复合土工膜防渗工程设计

一般防渗工程中的复合土工膜都是铺设在散粒土体上，而堆石坝在沥青混凝土斜墙或混凝土面板上铺设复合土工膜有自己的特点，既有其有利的一面也有其不利的一面，在设计中尽量扬长避短，发挥利用其有利因素，尽量减少不利方面的影响。

（1）沥青混凝土斜墙或混凝土面板是铺膜的难得的好基面，它表面平整、光滑、较之散粒土体粒径小，不易垫破复合土工膜。 （2）如果将复合土工膜不用粘接剂粘接而直接铺设在斜墙上，土工膜在一定范围可伸长变形，这一点无异于将膜铺在散粒土基上。但因膜上水压力大，膜与基面摩擦力对膜的变形范围有一定限制。有一点不同的是斜墙既有均匀变形也有集中变形（裂缝塌坑），而土基一般是缓变的。 （3）如用粘接剂将复合土工膜牢牢粘贴在沥青混凝土或混凝土面板上，此时粘接力大于或等于复合土工膜的拉力，膜的伸长变形受到斜墙的约束和限制，此时复合土工膜伸长变形大的优势将不能充分发挥，这一点对工程非常不利，设计时应力求避免，即尽量不用粘接剂，如果必需则应使粘接剂的粘结力小于膜本身的拉力，当膜即将拉断破坏时，膜能沿着斜墙滑移错动。 （4）目前沥青混凝土斜墙或混凝土面板的设计，主要从控制渗透流量和抵抗水压力的抗弯强度两个方面考虑，对于承受较高水头的斜墙其厚度主要受后者控制。复合土工膜只能受拉而不能抗弯，即铺膜不能提高斜墙承载力，所以将来斜墙仍可能产生裂缝。但如处理得当，复合土工膜可在斜墙一定宽度裂缝处不断裂，这样就可以起到防渗作用。 1．复合土工膜规格初选。

根据作用水头，通过试验、计算、选择符合强度和变形要求的复合土工膜。根据SL/T225-98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》规定，土工膜厚度不应小于0.5mm。对于重要工程应适当加厚；对于次要工程，可以适当减薄，但最小不得薄于0.3mm。 2．复合土工膜厚度的计算

（1）SL/T225-98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》规定，确定土工膜厚度时土工膜材料允许抗拉强度用下式计算：

Ta1T (10-1)

FidFcRFcdFbd式中：Ta—材料的允许抗拉强度，KN/m； T—极限抗拉强度，KN/m；

Fid—考虑铺设机械破坏影响系数； FcR—考虑材料蠕变影响系数； Fcd—考虑化学剂破坏影响系数； Fbd—考虑生物剂破坏影响系数。

根据工程的具体情况，规范建议，最大值可采用FcRFcdFbd=5，即安全系数为5。 同时，确定土工膜厚度时土工膜材料极限抗拉强度用下式计算： 裂缝上的复合土工膜拉应力为：

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T0.204孔洞上的复合土工膜拉应力为：

T0.122pbpb (10-2)

 (10-3)

式中：T—单宽土工膜所受最大拉力，与缝方向垂直，KN/m； p—膜上作用水压力，kPa；

b—预计膜下地基可能产生的裂缝宽度，m； —膜的拉应变。

做几种复合土工膜的拉应力—拉应变试验曲线。并画出上述公式的T～曲线，用曲线交会法，求出各复合土工膜曲线与此曲线的交点，当这些交点的T与该复合土工膜断裂强度之比为5或大于5（即安全系数为5），且此交点的与该复合土工膜的断裂（极限）拉应变之比为5或大于5，则该复合土工膜满足要求。

如果用粘接剂将膜牢牢粘贴在沥青混凝土斜墙或混凝土面板上，膜断裂时都不会滑移，斜墙限制了它的伸长变形。给斜墙上铺膜时斜墙上是没有裂缝的，当水库蓄水斜墙受水压力作用，在水压力足够大时，因斜墙堆石基础沉陷变形，斜墙抗拉强度低，伸长变形小，允许拉应变仅为1%，当斜墙变形超过沥青混凝土斜墙或混凝土面板的允许变形时，斜墙开裂，产生裂缝。由于在裂缝处，膜的初始长度为零，因而在斜墙裂缝处膜的应变和应力是比较大的，应该设法避免这种情况发生。

复合土工膜如果用喷射混凝土或现浇混凝土，约束嵌固了膜，从理论上来说只要混凝土保护层出现裂缝，膜就可能断裂。与沥青混凝土斜墙不同的是，混凝土受拉和适应变形能力差，混凝土保护层更易出现裂缝，再则膜在保护层下面，对膜更不利。但根据有关规定，复合土工膜保护层可采用喷射混凝土或现浇混凝土，中间不需设其它垫层。 对于较高的堆石坝，经研究表明，斜墙上的复合土工膜承受的拉力较大，安全系数偏低，需选较厚的复合土工膜，也可以根据不同的部位选择不同厚度的复合土工膜。 （2）加强及处理措施

1）选择断裂强度大、断裂伸长率大性能优良的复合土工膜，但这往往受国内技术水平的限制，只能尽力而为之。

2）在受力大、易出现问题的部位用二层膜或一层厚膜。

如果两层复合土工膜间的摩擦系数可达0.533以上，则不粘接；如果摩擦系数小，则要粘接，可网格式粘接，即纵横分条带粘接，横稠纵稀；当局部粘接满足不了要求时，可全面粘贴。

3）将复合土工膜的表面加糙，提高表面的粗糙度，以增大摩擦系数，需经试验研究解决。

4）复合土工膜上铺一层细砂，上面喷射混凝土，可使保护层与复合土工膜间摩擦系数

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达0.533以上，保护层满足抗滑稳定要求。成都科技大学试验得300g/m土工织物与细砂的摩擦系数：干砂为0.54，湿砂为0.55，均大于0.53。用中粗砂则不行，一则中粗砂摩擦系数仅为0.43，二则会将膜刺破；用混凝土预制块也不行，因为混凝土预制块与复合土工膜间摩擦系数为0.4。如喷射混凝土与复合土工膜间的摩擦系数达不到要求，或为了砂子的稳定，可使水泥浆少量渗入复合土工膜。

用沥青玛帝脂将细砂粘在斜墙上，可使复合土工膜与斜墙间摩擦系数达到设计要求，满足抗滑稳定要求。

5）如果采用的复合土工膜与斜墙间粘接剂凝聚力太大，可考虑采用粘结力较低的粘接剂，如沥青玛帝脂等。粘接剂要有一定粘结力，以保证膜在任何荷载时不下滑，另方面它又不能粘结太死，使膜在即将断裂时能滑移错动。粘接剂的凝聚力约为0.01MPa较适宜。 3．复合土工膜沿斜墙抗滑稳定性分析

复合土工膜与斜墙间的摩擦系数小于堆石体的内摩擦系数亦小于斜墙与堆石间的摩擦系数，它是一个薄弱面，需校核复合土工膜沿斜墙和护坡混凝土与复合土工膜间的抗滑稳定性。对复合土工膜的抗滑稳定性，应通过有关的材料试验，提出试验参数，进行计算后方可确定。

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复合土工膜上面的护坡要作抗滑稳定分析，护坡可用现浇混凝土、混凝土预制板、干砌块石。当坝坡陡于1:3，可现浇混凝土、喷混凝土，因为坝坡陡，靠摩擦不足以维持稳定，还要靠粘结力；当坝坡缓于1:3，可用预制混凝土板或干砌块石。 护坡不需要防渗，应能畅通排水，故现浇混凝土应留排水孔。 抗滑稳定安全系数为

1m2 Kmfc (10-4)

t式中：m—坡率； f—摩擦系数；

—护坡混凝土容重，在施工期或未蓄水时，为混凝土干容重，在蓄水后为混凝土浮容重；

t—护坡混凝土厚度； c—粘结力。

复合土工膜与其底部的无砂混凝土面板或沥青混凝土之间的抗滑稳定也需要计算，只要计算施工期或水库降落期。复合土工膜是隔水层，其下游面的土工织物可排水或以其他措施排水，故复合土工膜与其底部的无砂混凝土面板或沥青混凝土之间无水，水库水位降落时，复合土工膜下面没有水的顶托力（或反推力）。水库蓄水后，复合土工膜上面有水压力，底面无水压力，安全系数比未蓄水时大；水库水位降落时，复合土工膜的抗滑安全系数与施工期或未蓄水时相同。

4．复合土工膜铺设的前期要求

（1）加固防渗体基础。为减少上游坝坡变形，对混凝土面板或沥青混凝土斜墙下堆石坝体进行固结灌浆。基础灌浆材料的选择，应通过灌浆试验确定。堆石体固结灌浆的范围和深度，应事先进行大坝有限元应力应变分析，根据有限元分析成果、测得的沉降和位移资料、渗透变形破坏的部位等，进行综合分析，最后确定固结灌浆的范围和深度，曾发生渗透破坏部位则加深。钻孔孔距为1.5～2.0m，钻孔直径不少于127mm，灌浆材料采用石子和水泥砂浆。 （2）平整洗刷混凝土面板或沥青混凝土斜墙。混凝土面板或沥青混凝土斜墙是复合土工膜的垫层，先将凹凸不平的板面整平修复，特别是对坝面的塌陷裂缝部位，应重点修复，使板面均匀受压，减少不均匀沉降。对现已老化和产生裂隙的面板或沥青混凝土铲除、清洗干净后填补平整，复合土工膜的背面土工织物是平面排水层，在其底部设涵管将可能渗水排向输水洞。

5．混凝土护坡

复合土工膜上设混凝土保护层（即护坡）。保护层的作用是保护复合土工膜，防止风浪冲刷，风沙的吹蚀，人和机械的损坏，冰冻的破坏，山坡滚下石块的碰砸，紫外线的照射，风力的掀动，以及防止因膜下水压力而使膜浮起等作用。

保护层需要一定厚度、强度和粘结力，以保证保护层的稳定、不被损坏和耐久。在复合土工膜上可喷射混凝土或现浇混凝土。混凝土厚15～20cm，喷射的混凝土与复合土工膜胶结十分牢固，其抗滑稳定能满足要求。根据规范，在寒冷地区水位变动范围考虑冰冻影响，对重要建筑物混凝土标号不低于R200#。预制混凝土板施工不方便，抗滑稳定性差。现浇混凝土与复合土工膜间的粘接力需作试验测定，然后作稳定分析，施工时混凝土运输要碾压已铺好的复合土工膜，易造成损坏。

由于复合土工膜表层亦为平面排水层，通过保护层的渗水，会滞留在该层中，当库水位下降时，夹层中水来不及下降，会对保护层产生反向水压力，有可能顶破保护层或使护坡失稳。故护坡应预留排水孔，孔径10mm，间距2×2m。保护层还须设伸缩缝和沉降缝，二缝合一，其伸缩缝间距10m左右，即每块保护层混凝土板尺寸为10×10m左右。缝宽3cm，内填无砂混凝土，既可排水又可防止复合土工膜的老化。 6．复合土工膜与斜墙间的排水

土工膜并非绝对不透水，再则，土工膜由于施工缺陷而产生渗漏，叫缺陷渗漏。施工缺陷包括：（1）土工膜接缝局部焊接不严；（2）施工时搬动损坏；（3）施工机械及工具刺伤； （4）地基不均匀沉陷撕裂土工膜；（5）水压力将土工膜击穿。精心施工可减小前三项渗漏

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量。

渗入复合土工膜的水滞留在混凝土保护层或沥青混凝土斜墙与复合土工膜之间，当库水位快速下降时，如果复合土工膜下面排水不畅，复合土工膜背后的水位将高出库水位，水压力可能会将土工膜顶起或顶破，影响复合土工膜的稳定，故膜后须排水。

水平排水管按高程均布，并带有一定纵坡，其纵比降为1/200，最后汇入向下的干管。干管末端设集水井，集水井封闭，井中安装潜水泵，并采用自动控制，当井中有水时，通过架设的管道抽排至库中。一般排水管管材为φ110聚氯乙烯塑料管，干管为φ160聚氯乙烯塑料管，塑料管轻，易固定。水平支管为花管，φ10排水孔，孔间距5cm，梅花形布置。 7．复合土工膜与斜墙间排气

为了适应坝体不均匀沉陷，避免薄膜破裂，铺膜时膜要松弛，由于混凝土面板或沥青混凝土斜墙密封不透气，所以膜下空间被空气占据。当水库蓄水后，水从膜施工缺陷的地方渗入膜下面，一部分空气可能从复合土工膜的缺陷中跑出，另一部分仍存在膜下并被压缩，完好部分膜下面的空气亦被压缩。水库水位降落时，如果复合土工膜背后排水管排水不畅，则膜后水位将高出库水位，水压力有可能将膜顶起或顶破，解决此问题一方面要加强排水，另一方面要排气。

一般在坝坡上沿坝轴线方向每隔20m留一排1m宽排气道，排气道处复合土工膜与斜墙不用粘接剂粘贴，并将复合土工膜有意拱起，以形成通道。当水库蓄水时，库水位抬高，水压力作用在复合土工膜上，压缩复合土工膜下的空气，空气向上跑，通过排气通道，经“烟窗”排到大气中。 “烟窗”紧贴防浪墙内边布置，高出洪水位，为防雨水倒灌，烟窗顶端装设向下的弯头，“烟窗正对排气道”，沿坝轴线间距亦为20m。 8．复合土工膜与周边的连接

整个混凝土面板或沥青混凝土斜墙上复合土工膜接缝应不漏水，还要求与周边连接密封不漏水，这样才能保证整个斜墙面上的复合土工膜成为一个完整的封闭不透水层。

（1）与左右岩岸坡连接。首先进行两岸边坡处理，为防止绕坝渗漏，对位于正常蓄水位以下的两岸岩体的节理裂隙，应做防渗处理，可采用喷射水泥砂浆方法，喷射厚约3cm水泥砂浆封闭进口渗漏通道。为保护新修的防渗面板不受破坏，对两岸不稳定的危岩事先进行清除，形成两岸稳定的边坡。

在作混凝土面板或沥青混凝土斜墙与岸边连接滑动接头时，应将岸坡开挖成一平台，平台处岩石新鲜、裂隙少，不用再爆破削坡开挖，直接可浇筑岸坡混凝土。

在与两岸边连接时，在原混凝土面板或沥青混凝土与基岩的接触带附近，开挖宽为1m的槽子，当遇破碎裂隙岩体时清除到弱风化岩面，将复合土工膜置入槽内，用混凝土回填锚固，见图10-4。 图10-4 复合土工膜岸坡锚固图 1-沥青混凝土斜墙或混凝土面板；2-复合土工膜；3-混凝土锚固槽；4-原混凝土防渗齿墙。

若两岸岩石新鲜平整，可在岸边浇筑混凝土墩，在岸边基岩中钻孔、插锚筋、铺设复合土工膜，膜在岸边打一褶皱，用钢压板将膜压住，上紧固螺栓，并在其上浇筑混凝土保护层。 （2）与坝基截水墙的连接。在截水墙上游侧做一混凝土锚墩，将复合土工膜弯折埋入墩内，注意在墩的上游侧膜要打一褶皱。在与基础连接时，将倒挂井防渗墙顶部做成园形，在防渗墙的上游侧开挖深、宽均为1m的槽子，将复合土工膜置入槽内，用混凝土回填锚固，见图10-5。 （

3）与冲沟截渗墙连接。在冲沟挡土墙侧作一混凝土锚固墩，并用锚杆连接，形式同（1）。

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1-沥青混凝土斜墙或混凝土面板；2-复合土工膜；3-混凝土槽；4-防渗墙。

图10-5 复合土工膜坝基锚固图 （4）与坝顶防浪墙的连接。将坝顶防浪墙与复合土工膜浇注在一起。连接固定上部边界，见图10-6。或在墙的上游侧做一混凝土锚固墩，为使其抗滑稳定须用钢筋与防浪墙基础连接。 图10-6 复合土工膜坝顶锚固图 1-喷射混凝土护坡；2-复合土工膜；3-沥青混凝土斜墙或混凝土面板； 4-混凝土锚固槽；5-防渗墙。

二、堆石坝的复合土工膜防渗工程施工

复合土工膜铺设施工工艺流程，见图10-7所示。

磨光试验 清整坝面 布设排水管路 打锚固螺栓浇混凝土基座 铺设锚固周边复合土工膜 乳化沥青粘结试验 按2%或6%面积涂刷乳化沥青 铺 膜 压 膜 焊接试验 焊 接 N (不合格) 检 查 Y(合格) 覆盖锚固件，喷射坝面混凝土保护层 结 束 图10-7 复合土工膜铺设工艺流程图

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1．清理坝面与基础

1）清除坝面杂土块石、已老化的鳞片状沥青混凝土，用地面打磨机设备打磨清洗。 2）清理坝基与防渗墙顶部的淤土，检查沥青混凝土斜墙与坝基混凝土防渗墙的连接情况，有无破损及裂缝缺陷，若有缺陷，进行加固处理。 3）用高压清水将坝面冲洗干净，进行凉干保护。 2．埋设排水管

1）在复合土工膜和沥青混凝土沥青斜墙界面上设置排渗管，按设计图纸准确定位放线，使排水支管渗水及时由干管排出。

2）用沥青混凝土将排水管固定在沥青混凝土斜墙上，按设计要求做出1：1斜坡，便于复合土工膜铺设。

3）排水管在固定前进行注水试验，检查排水管是否畅通，应排除管内堵塞。 3．周边连接

在坝面上铺设复合土工膜之前，先应作好周边的连接。 1）与左右岩石岸坡连接

清除岸边杂土，用水冲洗干净，浇筑混凝土墩，在岸边基岩中钻孔、插锚筋、铺设复合土工膜，用钢板压膜，螺栓紧固，并在其上浇筑混凝土保护层。在锚固件的外边要预留复合土工膜1.5m（每边10cm），以备与坝面的复合土工膜底边焊接。

2）与坝基截水墙的连接

将截水墙清理以后，在上游侧作一混凝土锚墩，将复合土工膜弯折埋入墩内。注意在墩的上游侧复合土工膜要打一褶皱。 3）与冲沟截渗墙连接

将冲沟挡土墙内侧作一混凝土锚固墩，并用锚杆连接，形式同1）。 4）与左岸基岩连接

在原混凝土基座上作混凝土锚固墩，并用锚杆连接，同1）。 4．铺设复合土工膜

采用坝顶移动式卷扬机牵引复合土工膜卷材，由下而上铺设。复合土工膜卷材运到坝顶后，在复合土工膜卷中心插入钢管，钢管两头装定滑轮，卷扬机的钢丝绳通过定滑轮牵引卷材运动。复合土工膜两幅拼接处留边10cm，中间的膜用自动爬行ZPR-210热合焊机或TH-1热合焊机焊成双道焊缝，每条焊缝宽10mm，用气压针在双焊缝片间充气检查焊缝质量。两面的织物用手提工业缝纫机缝合。根据设计要求，如果复合土工膜与斜墙间的摩擦系数较小，

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还需要在复合土工膜下面涂刷粘接剂（如乳化沥青），粘接剂一般按上下方向涂刷而不按井字形涂刷是为了不影响水库运行后排水排气。

复合土工膜的铺设不要绷得太紧，应留1.5%左右的富裕度，特别是在与边界连接时，应留有更大一点的伸缩量，以适应气温变化和基础的沉陷。由于膜厚不能打折，可作成波浪形。

注意事项。复合土工膜包装好后，运输途中包装品不能破损，不能接近火源；复合土工膜运到工地要存放在凉爽干燥的仓库内；按包装的编号运到坝顶相对应的编号位置；铺设焊接的工作人员不得穿钉底鞋，应穿软底鞋；工作人员不得在铺设坝面吸烟打火；复合土工膜铺设以后，应在7d内喷射混凝土，如不能在此期间喷射混凝土，则应当用毡布遮盖，以免暴晒老化；施工人员在坝面操作时，须系保险带；卷扬机应配制动装置。 5．喷射混凝土

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1）设计要求：保护层的混凝土标号用R200，保护层设置伸缩缝和沉降缝，二缝合一，缝间距为10m左右，缝宽3cm，内填PT胶泥。护坡设排水孔，孔距φ10，间距2×2m，孔内填无砂混凝土。

2）施工工艺，坝面保护层采用现浇喷射混凝土工艺。 3）工艺流程

将掺有速凝剂的骨料（包括部分砂子）和水泥裹砂砂浆，分别通过干式喷射机和砂浆泵，压送至混合管，混合后经一段5～10m的高压胶管送至喷嘴喷出。又称并列式喷射工艺。见图10-8所示。

水泥 水 SEC砂浆 减水剂 混合管 砂 干骨料 石 子

图10-8 水泥裹砂喷射混凝土工艺流程图

4）喷射混凝土施工 喷射顺序：一般采用先边缘后中央、先下后上的顺序，受喷面不宜一次喷射至设计厚度，应按阶梯状逐项喷至设计厚度。 喷嘴与受喷面的距离：一般应控制在0.6～1.2m之间，喷嘴与受喷面的角度应尽量保持90，以保证喷射质量。

拆模及伸缩缝的处理：喷射混凝土一般在3d后即可拆除模板，模板拆除后将缝内留下的粉渣清理干净，随即用PT胶泥将缝灌满。

喷射混凝土的养护：喷射好的混凝土应注意养护，一般采用草袋覆盖或洒水养护。

干式喷射机 喷 嘴 泵 第三节 重要堤防临水坡铺设土工膜防渗工程

对于重要堤防工程的防渗加固，目前普遍采用垂直防渗或临水坡铺设土工膜以及两者联合防渗等形式，可大大缩短施工工期。许多工程实录都表明它的防渗效果良好、经济、施工方便，有推广使用的价值。 一、薄膜作用机理

由于薄膜的极弱透水性，可将其应用于堤坝中起隔水作用。当薄膜置于坝体中心作防渗心墙时，其两侧的筑坝材料特性基本相同。因而，在施工和蓄水期，薄膜两侧坝体竖向沉降同时发生且基本一致。由于薄膜心墙相当柔软，可随坝体同时下降而蜷曲在堤坝体内，故薄膜与堤坝体材料两者的变形基本协调，产生相对位移的可能性甚小。对于水平位移而言，施工期堤坝体内的上、下游两部分坝壳各自朝上、下游方向发生变形，因而对薄膜心墙的影响

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甚微。但在蓄水期，受上游水压作用，坝体的水平位移均朝向下游。心墙上游坝体的水平位移将抵消施工期其向上游的变形，而心墙下游坝体位移量将增加。这时，薄膜随坝体的水平位移将产生拉伸应变。鉴于薄膜具有较高的抗拉强度，能对坝体的水平位移产生抑制作用。抑制作用的大小取决于薄膜的抗拉性能。当采用薄膜连同心墙土料作组合防渗体时，薄膜置于上游坝壳与心墙土料之间，其两侧的材料特性截然不同，且坝体内各部位的竖向沉降或水平位移均相差甚大。柔软的薄膜可随坝体的变形而位移，但因其两侧变形量不同，且薄膜与心墙土料、薄膜与上游坝壳材料间的摩擦力也不一致。薄膜将随着摩擦力较大的一侧同时变形，而对具有一定摩擦力的另一侧产生抑制作用。薄膜的抗拉强度将抵抗因坝体各部位位移的不同而产生拉伸应变，同时，又抑制着坝体的应变，两者相辅相成。

此外，防渗薄膜置于支撑材料之间，必然遭受支撑材料的挤压，尤其在蓄水后又受到水压的作用，则薄膜可能在支撑材料的孔隙中产生顶破；同时，还可能被支撑材料尖锐棱角所刺破，最终丧失其抗渗性。薄膜的顶破和穿刺程度取决于法向应力的大小、支撑材料的形状和大小、薄膜自身的强度和伸长率。因此，在设计和施工中应根据土工膜的受力情况，确定其抗拉强度，选择合理的材料，做好土工膜上下过渡层，确保薄膜的整体安全，提高其抗渗性。

二、临水坡土工膜的结构性

在结构上，土工膜不宜直接与粒径较大的土石料接触，应根据需要在两面设置细粒垫层或一面设置垫层一面设置保护层。当采用土工膜斜墙防渗时，如果坝体为土石混合料或砂卵石，土工膜两面应铺设一定厚度的垫层。垫层可用中粗砂，也可用粒径1cm或2cm以下的碎石。垫层以外，有时还需设置过渡层，以与坝壳土石料衔接。土工膜的垫层之上可直接砌筑块石或混凝土护坡。如图10-9所示。 图10-9 土工膜临水坡斜墙防渗形式 当渠道中应用土工膜防渗时，断面开挖好后，如果地基为壤土或砂土，清除树根、碎石等尖硬杂物后，平整夯实，即可铺设土工膜。如果地基条件不利，需先铺设垫层。垫层材料有素土、细砂、水泥土、三合土等，厚度20cm以下即可，平整夯实后，在其上铺设土工膜。如图10-10所示。 图10-10 土工膜渠道防渗形式 土工膜上面的保护层，可用一般土料、干砌石（或浆砌石）、预制（或现浇）素混凝土等。一般土料厚度为50cm左右，干砌石（或浆砌石）为20～30cm，混凝土板为5～15cm即可。干砌石（或浆砌石）、混凝土板保护层与土工膜之间，还宜设垫层，以保护土工膜不被刺破或顶破。

三、土工膜厚度的计算

防渗薄膜作堤坝防渗体承受水压的作用及坝体材料间的挤压，在防渗薄膜选择时，必须要求薄膜不至因顶破或刺穿而丧失其防渗性能，同时还需要考虑在施工期和正常运行期间堤坝变形对薄膜所产生的张应力，确保其不被破坏。目前防渗薄膜均按顶破时所产生的抗拉强度进行设计。

对于单一土工膜，因其抗拉强度、抗顶破、抗撕裂和抗穿刺等力学性能很低，因此，在实际应用时，必须严格控制薄膜两侧的支承材料，通常采用细粒材料或厚型土工织物作两侧垫层，予以保护防渗薄膜。为改善单一土工薄膜的工程特性，简化施工程序，保证施工质量，近年来，国内外已将针刺土工织物和土工薄膜制成整体结构的复合土工薄膜，它具有法向防渗和平面排渗的组合功能，并替代薄膜和垫层，发挥防渗和排渗的作用。 1．根据工程经验确定土工膜的厚度

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前苏联经过大量试验研究提出了确定非加筋聚乙烯膜的方法：

1）在连续均匀的地基上，土工膜均匀受压时，其厚度d/5。d为地基土砂的计算粒径。 2）在连续不均匀的地基上，薄膜可认为像周边支承的板或膜一样受力，厚度为d/5d/3。

有专家建议，高10m以下的低坝可采用非加筋聚合物，厚0.6～0.75mm；或非加筋沥青—聚合物，厚2～3mm；高10～40m的坝宜采用加筋聚合物（一布二胶），厚0.75mm,或加筋沥青—聚合物（一布二胶），厚2～3mm；高40m以上的坝，宜采用加筋聚合物（一布二胶）或锦纶帆布氯丁橡胶（一布二胶），厚1.8～2.6mm；高100m以上的坝，可采用锦纶帆布氯丁橡胶（一布三胶），厚3～4mm。渠道防渗中，由于水头较低，可采用不加筋的聚合物土工膜，常用的有聚氯乙烯（PVC）、低密度聚乙烯（PE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE），一般厚度为0.18～0.22mm。也可采用沥青玻璃丝布油毡，厚度一般为0.6～0.65mm。对于重要的工程或不良支承条件，可考虑使用加筋土工膜和复合土工膜。

该建议考虑了地基实际的支承条件可能不均匀不连续，地基可能产生不均匀沉陷或出现裂缝，运输、散开卷材和铺设等过程的不利影响等多种不利条件。建议偏于安全，设计者可参考采用。

2．土工膜厚度的理论计算

防渗薄膜均以顶破时所产生的抗拉强度加以设计。目前，由于采用理论不同、推导时假定不同等，薄膜理论计算公式很多，下面介绍几个主要的理论公式，设计时可相互校核或供选择。

1）顾淦臣薄膜理论公式

顾淦臣教授根据薄膜理论，推导出支承在正方形边界、圆形边界和长条窄缝边界上薄膜厚度的计算公式

支承在正方形边界上的土工膜：

T0.122pa (10-5)

式中：T—薄膜在水压力作用下的最大拉应力，发生在膜的中点处，kN/m； p—作用于薄膜上的水压力，kPa； a—正方形边界长度，取

d（d为支承材料的颗粒粒径）； 50.11pa —薄膜发生的拉应变，即延伸率。 支承在圆形边界上的土工膜：

T (10-6)

式中：a—圆的直径，m； 其它符号同上式。

支承在长条缝上的土工膜拉应力见式10-2。

顾淦臣薄膜理论公式使用方法：先根据水头确定水压力p，根据支承条件确定孔隙的尺寸a或b，可得T-关系式。把几种拟选用土工膜的应力应变曲线-与T-相比较，确定满足要求的土工膜。两种曲线比较时，应考虑适当的安全系数。 以上三种支承条件取最不利的一种。 2）前苏联的经验公式

1974年前苏联水工科学研究院根据薄膜理论，并结合室内试验对聚乙烯薄膜厚度提出如下经验公式：

t0.0063E和

pd1.031.5 （d<22mm） (10-7)

t0.0604Epd0.321.5 (2218

式中：—薄膜允许拉应力,kPa；

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E—在设计温度下薄膜的弹性模量，kPa； P—薄膜承受的水压力，kPa； d—支承材料的最大粒径，mm； t—薄膜厚度，mm。 3）Giroud公式

Giroud是在研究薄膜支承在窄长缝和圆孔上的受力特性，根据荷载和支承结构情况，推出土工膜在二维和三维受力情况下所产生拉应力T和相对伸长率的关系式。分别为：

T2b2hb()P4b2h12hb1 (10-9) 2()arcsin112hb2b2h()2b2h 和

T3b2hb()P8b2h12hb1 (10-10) 3()arcsin112hb2b2h()2b2h式中：P—水压力，kPa；

h—土工薄膜最大挠度，m；

b—缝宽，对于窄长缝顶坡，b为缝隙宽度；对于圆孔顶破b=0.4d(d为颗粒粒径)，m； T—薄膜的拉应力，KN/m。

公式应用时，可先假定几个允许的拉应变，如=10%，15%，20%等，用式10-9或10-10求出

2h，然后求出相应的T，再根据土工膜允许的抗拉强度确定其厚度。也可由式10-9b和10-10确定土工膜拉力与延伸率的关系T～，再与供选择的几种土工膜的应力应变关系曲线σ～相比较，选出合适的规格。 4）陶同康公式

陶同康教授根据薄膜理论，研究薄膜支承在多孔介质上受法向应力的作用弯曲成曲面时受力情况，推导出薄膜产生的拉应力T与相对伸长率的关系：

T0.125(1)(P1P2)b (10-11)

对于二维平面顶破2=30%，得到薄膜产生拉应力T2

T2=0.532b(P1-P2) (10-12)

而三维圆孔顶破3=15%，得到薄膜产生拉应力T3

T3=0.371b(P1-P2)=0.104d85(P1-P2) (10-13)

式中：P1、P2—土工膜两面的压应力，kPa；

T、T2、T3—土工膜产生拉应力，kN/m； —土工膜相对伸长率； h—弯曲饶度，m；

b—支承材料的孔隙尺寸，对于二维平面顶破，b为缝隙宽度；对于三维空间顶破，b为圆孔直径，可按均一球粒最松散和最紧密排列的平均值计，即b=0.28d(d表示颗粒计算粒径等于d85)，m。

考虑到防渗薄膜质材的不均匀性，拼接时强度的损失，支承材料分布的随机性、理论推导的假定，室内试验和实际工程之间的差距以及施工中不可预见的各种不利因素，故设计时需取安全系数K=3～5。 5）各公式分析

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土工膜在顶破时所要求薄膜的抗拉强度T均是随作用在薄膜上法向应力和颗粒粒径的增大而加大，呈线性变化，又与薄膜的伸长率平方根呈反比关系。而前苏联水工科学研究院所建议的计算公式直接与颗粒粒径有关，其它公式均以颗粒间的孔隙直径加以表示，各公式中的系数基本一致。

颗粒间孔隙直径的选取直接影响着土工薄膜内所产生的拉应力。

薄膜的伸长率ε随薄膜的原材料、配方及加工工艺的不同而不相同。一般说，伸长率高的薄膜其抗拉强度相对要低一些，而抗拉强度高的薄膜其伸长率要小一些。在设计计算时，伸长率的取值直接关系到所要求薄膜的抗拉强度，伸长率ε如何恰当选取，目前尚无定论。顾淦臣教授提出对单一土工膜选取=13%～20%，对复合土工膜取=6%以确定其抗拉强度，目前在工程设计中已应用多年，从工程运用情况看是成功的。

四、复合土工膜水平铺盖防渗设计

透水地基上的堤坝，其斜墙（心墙）与铺盖是一种应用较为普遍的联合防渗措施。复合土工膜常用结构有一布一膜，二布一膜等形式。采用复合土工膜作斜墙（心墙）与铺盖，主

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要在于复合土工膜的主膜渗透系数极小，常为10～10cm/s，起防渗截水作用，而织物既能起排水（气）又能起到弥补薄膜自身强度的不足和保护薄膜的作用。而且复合土工膜具有较大的弹性或塑性变形，可适应土体的沉降、胀缩或偶然的超载滑坡和渗漏所造成的过量位移和变形，为粘性土和混凝土所不及。

土工膜铺盖设计与粘土铺盖的基本相同，主要是根据透水地基的厚度、地层土渗透系数、坝前水深和地层土容许的渗透坡降等指标，通过水力学计算来确定垂直于堤坝轴线的合理长度。

根据规范，土工膜所需厚度应按作用水头，地层中可能存在裂隙的形状与大小，以及土工膜的抗拉强度和破坏应变等，借薄膜理论来估算，根据经验，对于中水头堤坝，要求厚度一般为0.5～0.6mm。土工膜铺盖长度也应按计算确定。

设计时应注意：①土工膜下应该设反滤层，以防止铺盖万一穿孔时造成地层土流失，采用非织造土织物的复合土工膜可以同时满足运行需要。②大面积铺盖下很可能会积水、积气，应根据具体情况采取工程措施，将它们排除。③注意铺盖和堤坝防渗体、与其连接的结构物以及岸坡的有效连接，以形成完整的封闭防渗体系。

在结构上，土工膜不宜直接与粒径较大的土石料接触，应根据需要在两面设置细粒垫层或一面设置垫层，一面设置保护层。铺设于堤坝、水闸地基上做防渗铺盖的土工膜，如果地基是壤土或砂土，经平整压实后，可直接在其上铺设土工膜；如果地基中含有卵砾石较多，可先铺设砂土或中粗砂垫层，碾压密实，然后在其上铺设土工膜。土工膜上应设置一定厚度的保护层，该层也应先铺砂土或中粗砂过渡层，然后是一般土石料或混凝土保护层。保护层在压实或施工过程中应防止土工膜的损坏。

在土工膜防渗层的结构中，如果采用复合土工膜，经过论证也可不设垫层而直接与粒径较大的土石料接触，使结构得以简化。 1．水平铺盖防渗长度计算

采用复合土工膜作斜墙（心墙）与铺盖联合防渗，复合土工膜应是一整体结构。虽具一定的柔性，但与透水地基接触时，不可能完全嵌入到下层介质的孔隙中，因此，其接触面上将存在较大的孔隙通道，沿接触面渗流的流速会逐渐增大，当渗透压力达到下层基土的临界水力坡降时，下层基土的颗粒即失去平衡，被水流从接触面上的孔隙通道中带走，形成接触冲刷破坏。为防止下层基土颗粒的冲刷破坏，则需要复合土工薄膜铺盖具有足够的长度，以减小铺盖下的渗透坡降，达到透水地基渗透稳定的目的，此时的铺盖长度称为铺盖极限长度。 根据上述分析，将斜墙与铺盖典型断面分为进口段、铺盖段和坝体段，计算模型如图10-11所示。 图10-11 斜墙与铺盖联合防渗典型断面 根据渗流分析，其各段的水头损失分别为：

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进口段： h00.44q0 (10-14) kfLbq0q1 铺盖段： h1 (10-15) TkfLd(q0q1q2) (10-16)

h2Tkf(H2)kd2 坝体段： h2式中：h0—进口水头损失；

q0—从铺盖前端进入到透水地基的单宽渗流量； kf—透水地基的渗透系数；

h1—渗透水流流经断面1到断面2的水头损失； T—透水地基的厚度；

q1—通过铺盖长度Lb的单宽渗流量；

h2—渗透水流流经坝体和坝基的水头损失； Ld—土石坝底宽； H2—下游水头；

kd—坝体的渗透系数；

q2—通过斜墙的单宽渗流量。 将其水头损失相加，经整理忽略微小项

ksk和b(ks和k b分别表示斜墙和铺盖所用复kdkf合土工膜的法向渗透系数)，最后可得铺盖极限长度（Lb）min和相对于铺盖极限长度时的单宽

渗流量qL为：

H1TLbminkqLd2Ldkfkd0.44TJf(TJfkfkdH2)2LdTJf2kfkd (10-17)

kfkf22[HT(0.44TL)J](TH)1 (10-18) bminf2kdkdsw1ng1nfJf0.181()d10 (10-19)

wLbminde式中：Jf—透水地基所能承受接触冲刷的渗透坡降，可用接触冲刷临界水力坡降公式

（10-19）计算；

—颗粒形状系数，砂粒=1.17； s、w—土和水的容重；

ng、nf—复合土工薄膜中的土工织物和透水地基的孔隙率； de、d10—透水地基的等值粒径和有效粒径。 2．铺盖的保护

在需要设置水平铺盖的堤坝中，采用土工膜作为铺盖材料已是一种优化的选择，它是一种有效的、经济合理的方法，但随之也带来一个土工膜铺盖保护的新问题。这个问题发生在两个阶段：第一个阶段是施工阶段，一定要防止施工人员和施工机械对土工膜可能产生的损伤；第二个阶段是铺设完毕后一直到运行期间，这个阶段要防止土工膜受阳光直接暴晒，人畜或施工机械在表面行走造成的损伤。要注意船艇在河、库中行驶可能带来的伤害。解决的办法有多种，例如禁止抛锚，设立浮筒让船艇停泊，或在土工膜表面覆盖一定厚度的河床透水料保护层，其厚度要求大于或等于1m，并且要与膜同时铺放。

土工膜铺盖下还存在一个排水排气问题，对此应结合工程具体情况进行解决。采用膜上加盖重的方法简便易行，能保持长期的效果。

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五、临水坡铺设土工膜的稳定性

土工膜是堤坝的一个组成部分，其总体布置、设置范围应遵循SDJ218-84《碾压式土石坝设计规范》的规定。对土工膜的设计验算主要有两个方面。

1．坝坡稳定分析。铺设倾斜土工膜防渗的堤坝，应验算保护层沿土工膜表面滑动的稳定性。对于保护层连同土工膜沿垫层表面的滑动，在竣工无水时也应验算。但蓄水后，作用于土工膜上的水压力传到垫层上，膜与垫层间的压力很大，不可能发生相对滑动。

保护层的稳定分析可按下列两种方法计算。 一是等薄膜保护层，如图10-12所示 图10-12 等厚薄膜保护层示意图 K(W水上W水下)cosf（W水上W水下）sinf (10-20) tg式中：W水上、W水下—保护层水面之上和水面之下部分的重量，分别由天然容重和浮容重计算； —上游坡角；

f—保护层材料与土工膜或土工织物的摩擦系数。

由于保护层透水性较好，其内部的自由水面可与坡外水位同步下降，因而式（10-20）也适用于水位骤降的情况。

二是厚楔形保护层。土工膜在厚保护层的情况下，如图10-13所示。保护层的稳定计算与通常的斜墙土坝保护层稳定计算相同。 图10-13 厚楔形体保护层示意图 下面介绍一种数学解法。

先假定滑动面为EBL，做铅垂线BB。计算出左右两土体EBBF和BLB的重量G1，G2。求出两块沿各自滑动面上的滑动力和抗滑力的水平分力。 BB线右侧滑动力的水平分力为：

Pa=G1sincos (7-21)

BB线右侧抗滑力的水平分力为：

2 Pn1=G1 cos f (7-22)

BB线左侧抗滑力的水平分力Pn2，即土体BBL作用在BB面上的被动土压力：

Pn2=G2tg(+)+cl cos (7-23) 则安全系数 KPn1Pn2 (7-24) Pa式中：、—图10-13所标角度； —保护层土石料的内摩擦角； c—保护层土石料的凝聚力；

f—土石料与土工膜之间的摩擦系数； l—BL的长度。

具体计算时，最危险的水位、B点的位置、角的数值均需假定，要多次试算。

如果保护层土石料的透水性较差，还应验算水位降落的情况。此种情况下，计算保护层的重量时，降落后坡外水位以下部分用浮容重；降前水位以上部分用天然容重；降前水位和降后水位之间的部分，计算滑动力时用饱和容重，计算抗滑力时用浮容重。

保护层土石料与土工膜之间的摩擦系数，可根据试验取得，也可参考有关资料。

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2．土工膜下排水能力的验算

堤坝坡面铺设土工膜后，其下仍将有一定渗流量，应及时充分排除，以避免孔隙水应力的产生。但迄今还没有较好的估算方法，一般是采用预防工程措施。例如膜下铺设薄砂层或采用复合土工膜，通过土工织物排水，若预计渗流量较大时，可采用较厚织物的复合土工膜和其它排水土工合成材料。

3．土工膜防渗性、厚度和缺陷的渗流分析

从表面上看土工膜是不透水的防渗材料，但实际上在压力作用下膜的孔隙大小可以变

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化，仍能够透水，只不过其渗透系数很小而已。一般认为渗透系数只能考虑10～10cm/s。这个数值较之粘土要小得多，而实际上我们更关心的是土工膜与土层接触时能承受多大的水头。当土工膜与粗粒土相接触时，由于土粒之间的孔隙较大，土工膜在上覆水压力作用下被迫向土孔隙中陷进，因而产生拉伸应变、承受拉应力。如果拉应力过大，土工膜被拉裂，则会产生漏水点，影响其防渗性能。

土工膜能承受多大的水头取决于土工膜的力学性能（极限拉伸强度、拉伸模量）、厚度、垫层土粒径大小和级配的情况。确定土工膜的防渗性有两类方法，一类是直接法，将拟用的土工膜在试验仪器中铺在实际使用的垫层土料上，然后施加水压力，直到土工膜破裂或施加的水压力超过工程最大水压力的安全倍数而不破裂为止。这类方法最为可靠，但工作量大，一般重要工程采用。另一类是间接法。这类方法有两种途径，一是通过公式计算；二是按规范规定的数值取用，对于堤防工程适用此法。现行规范要求土工膜的厚度一般不小于0.5mm，对低于30m，不得小于0.3mm,但目前国内土工膜产品的厚度一般均小于0.5mm。因此在选料时，经过论证，对于较小的工程可选用厚度为0.3mm左右的土工膜，但要特别注意施工质量，施工质量是土工膜防渗成败的关键之一。

土工膜的缺陷也是工程中可能发生和比较关心的一个方面，不论是由于生产制造，还是

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焊接或施工造成的漏水点，都会影响到土工膜的防渗效果。据国外对某工程28处共20万m

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土工膜的质量检测结果来看，平均每1万m中有26个漏水孔，其中15%是自身的孔眼，69%出现在焊缝处，由此可见焊接质量的重要性。而当严格控制施工质量时因焊接而产生的漏水

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孔的发生率可以降到平均1万m中仅有2.5个。

从渗流角度来说，如果膜中的孔其上下完全不受阻碍地敞开漏水，其漏水量是不小的，但实际上水的流动受到膜上保护层渗透性、膜两侧土工织物以及其下垫层或堤的土料渗透性的限制，要精确地估计其渗漏量是不容易的。但问题是要防止因漏水引起土体的渗透变形，因此，土工膜后的反滤层是十分重要的，不管土工膜有无破损，反滤层都应十分认真地做好。

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当进行土工膜的定量渗流分析时可以把渗透系数很小（K1=1×10cm/s），厚度很薄(1mm)

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的土工膜，换算为1m厚的渗透系数K2=1×10cm/s的粘土层进行计算；同时考虑到土工膜中

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不可避免的缺陷，再将其渗透系数加大100倍，亦即按K2=1×10cm/s的1m厚的不透水材料进行渗流量和水头分布的数值计算，可以得到近似值。 六、临水坡铺设土工膜施工技术要点

一个完美的工程，除经济、设计合理之外，还必须精心的施工，因此，设计和施工是工程成功的两个方面，缺一不可。

防渗土工膜施工包括以下工序：准备工作、铺设、拼接、质量检查和回填土料。

1．准备工作。要求清除地面一切坚硬物，作好排渗设施，挖好锚固沟。准备好土工膜，尽量用宽幅膜，或先按要求尺寸焊接好，卷在钢管上，托运至现场备用。

2．在平地上铺放，借机械或人工展放，在坡面上借卷扬机从坡顶徐徐反滚至坡底，将其固定。铺放时应注意：尽可能在干燥和暖天气进行；铺放应留足够余幅，不可太紧，以便拼接和适应气温变化；应随铺随压重，防止风吹；接缝应与最大受力方向平行；发现损坏，应立即修补；铺设人员应穿软底鞋，以免破坏土工膜，并密切注意防火。

3．拼接质量检查。可以先作目测，即检查接缝有无疏漏，有无烫损，有无褶皱和是否拼接均匀。然后借助仪器现场检漏，应对全部焊缝进行检测，常用的有真空法和充气法。

真空法：利用吸盘、真空泵和真空机等设备。检测时将待测部位刷净，涂肥皂水，放上吸盘，压紧，抽真空至负压0.02～0.03MPa，关闭气泵。静观约30s，看吸盘顶部透明罩内有无肥皂水泡产生和真空度有无下降。如有，表示漏气，应及时修补。

充气法：焊缝为双条，两条焊缝之间留有约10mm的空腔。将待测段两端封死，插入气针，充气至0.05～0.20MPa（视膜厚选择），静观0.5min，观察真空表，如气压不下降，表

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明不漏，接缝合格，否则应及时修补。

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对较大工程，应取样检测，约1000m割取一部分接缝试样作强度拉伸试验，要求接缝强度不低于母体的80%，且试样断裂不得在接缝处，否则接缝质量不合格。

4．回填土料。铺膜后应及时回填，严禁土工膜较长时间外露。填土一般应大于30cm；冬季水位变动时，厚度应加大。如分期施工，应注意两期间膜的良好连接。

5．为确保薄膜起到应有的防渗作用，除要求薄膜自身不透水外，在施工中应处理好如下几个关键技术问题：

1）防渗薄膜与支撑材料间的接触。防渗薄膜与支承材料间的接触问题主要是接触面力求平整，不应出现尖状块石，以免薄膜被刺破丧失其防渗作用。若支承材料的粒径较大或层面存有尖锐物，则宜铺设细粒垫层以保薄膜不被损伤。

2）防渗薄膜自身的连接。防渗薄膜的连接方式可归纳为三种，即粘结法、焊接法以及硫化法，视防渗薄膜的原材料而选择。硫化法通常适用于弹性材料所制成的薄膜，如氯丁橡胶、丁基橡胶等。粘接法既适用于橡胶类、也适用于热塑性材料（如聚氯乙烯）所制成的土工薄膜，其粘结剂各不相同。焊接法它适用于橡胶类土工薄膜、聚氯乙烯土工薄膜，也适用于结晶热塑性材料制成的土工薄膜（即聚乙烯、聚丙烯）。因加热方法不同而分为多种型式，如高频热悍法、热熔挤压焊接法、高温气焊法等。

所有连接缝的抗渗性能及力学性能均应进行检查，以防脱缝而渗漏。 3）防渗薄膜与周边边界的连接。

防渗薄膜与周边边界必须严密结合，可在地基和岸边开挖锚固槽。

对于相对不透水的粘土地基，可开挖粘土槽，把土工膜埋入粘土槽内。图10-14表示在粘土地基上开挖粘土槽进行连接。 图10-14 粘土槽示意图 如果地基是厚度不大的砂卵石透水地基，则应将砂卵石层挖掉，并挖到半风化岩或微风化岩，然后浇筑混凝土底座，将土工膜固定在混凝土内。锚固槽混凝土座的底宽，对新鲜或微风化岩面应为挡水水头的1/10～1/20；对半风化岩面或全风化岩面应为挡水水头的1/5～1/10，并要填塞裂隙和进行固结灌浆。也可开挖截水槽直达基岩或相对不透水层，槽内回填粘土，土工膜埋入其中。粘土槽的尺寸和土工膜埋入长度根据渗透要求确定，回填粘土与槽周边应紧密结合，如图10-15所示。如图10-16表示透水层厚度不大的相对不透水地基，开挖混凝土防渗齿槽，把土工膜浇筑在混凝土中。对于岩石地基，可以采用图10-16所示的方法，也可采用图10-17所示的方法把土工膜锚固于混凝土表面。 图10-15 浅层砂卵石地基下有基岩的锚固图 图10-16浅层砂卵石地基下基岩混凝土防渗齿槽 图10-17土工膜锚固于混凝土表面形式 24 对于地基是深厚的砂卵石透水层，可在混凝土防渗墙或灌浆帷幕顶部浇筑混凝土座，把土工膜浇在其中，如图10-18所示。此种情况也可不用垂直防渗，而采用土工膜铺盖进行防渗。铺盖部位的地面必须平整，并铺过渡层，厚约30cm，最大粒径为20mm。薄膜铺盖上同样铺设过渡层，随后加设盖压保护层。薄膜周边应与两岸岸坡不透水层严密结合。

图10-18 深厚砂卵石地基土工膜连接形式

薄膜嵌入混凝土的长度根据薄膜与混凝土的允许接触渗透坡降确定。聚氯乙烯和丁基橡胶可用粘合剂或溶化剂很好地粘着于混凝土面上，故嵌入长度适当可短些。聚乙烯薄膜不能粘着于混凝土面，其允许接触渗透坡降由试验确定，嵌入混凝土的长度至少为0.8m。 与结构物的连接，如与输水管、箱涵、水闸等的连接，应根据具体条件确定。一般应遵循以下原则：相邻两种材料的弹性模量不要相差过大，应平顺过渡。

铺设土工膜时，不能拉得太紧，要均匀地留有褶皱，以适应堤坝和地基变形。土工膜铺好后，应尽快铺设保护层，不使其长时间暴露。 七、工程实例

1．长江耙铺大堤中家墩堤段防渗工程

1）地形条件。长江耙铺大堤中家墩堤段位于耙铺大堤的中段，坐落于长江冲积形成的一级阶地上，距长江500m左右，阶面高程20～21m，地形平坦。堤外铺盖取土形成沿堤展布的凹地，一般较原始地面低1～2m，高程多在19m左右。堤内填筑堤和修筑铁路路基取土后亦形成沿堤线展布的洼地，普遍有积水，距堤脚70～100m，距压浸台脚一般15～70m不等。1999年度防渗工程堤段长2.44km，两段堤线均较为顺直，堤外滩地宽约500m，堤内外地面高程20～23m，内外侧30～100m范围内因大堤填筑取土，形成较多渊塘。本堤段堤顶高程25.9～26.4m，堤身高4～7m，堤顶宽8～10m。

2)地质条件。堤身填土主要为粘土、壤土，堤身多为逐年加高培厚而成。堤基均为第四系全新统早期冲积层，表层为黄色粘土、壤土、砂壤土不等厚互层，厚2～10m，中部为灰黑、灰色含有机质粘土、夹少量壤土、砂壤土透镜体，厚23～30m，下部粉细砂、砂砾石夹粘土层，厚度数十厘米至16m不等，向上游方向变厚。基岩为二叠系的灰岩和白垩～第三系的粉砂岩。

3)工程设计。中家墩堤段防渗工程长度为1.3km，由塑性混凝土防渗墙、粘土平台及复合土工膜组成。

防渗墙轴线布置在达标后的堤外脚约3m处，墙底高程9.56～15.8m，墙深6.6～12.5m，

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防渗墙厚25cm，墙顶浇筑200混凝土锁口梁，梁顶填筑宽8m、厚1m的粘土平台。复合土工

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膜采用一布一膜（PE），主膜厚度0.3mm，土工膜重量为150g/m，渗透系数k=10～10cm/s，伸长率30%。复合土工膜顺堤坡铺设，底部嵌固在防渗墙锁口梁内，顶部铺至平台顶面以上1m并嵌入堤身0.5m，土工膜接缝采用自身粘接，粘接后的复合土工膜强度不降低，遇水浸泡后粘接强度不低于设计强度。

护坡一般坡度为1：3，局部1：2.5。自设计枯水位护至滩肩。护坡厚度为0.5m，其中干砌块石厚0.3m，碎石垫层和粗砂垫层厚各0.1m。坡面每隔90m设一条0.4m×0.6m浆砌排水沟，上部与滩顶排水沟相连。护坡顶部采用宽0.8m，厚0.5m的浆砌块石封顶，并设置宽5m，向内呈1：10坡度的便道，便道与滩池之间设置顶沟，拦截滩面渍水并通过坡面浆砌排水沟排入江中，顶沟底宽0.4m，深1.0m，见图10-19所示。 图10-19 长江耙铺大堤中家墩堤坝断面图 4)复合土工膜铺设。每次采购复合土工膜的性能指标均应通过试验检测，确保达到设计要求。

复合土工膜铺设过程中，为了缓解膜体受力条件，适应堤基变形变位，沿铺设轴线每隔100m左右设一伸缩节，在复合土工膜与其它防渗体接头部位附近及铺设拐角、折线等处亦需设置伸缩节。

复合土工膜铺设一般采用波浪形松弛铺设型式，随堤基填筑时协调施工，对于复合土工

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膜两侧的填料严格控制粒径组成，一般采用粘土，不允许内含尖角碎石或块石，以防刺破膜体。

复合土工膜一次粘接长度控制在50m左右，以便于人工搬运、铺设，加工好的复合土工膜沿防渗墙轴线方向卷成卷存放，以便于施工，减少作业场地。

现场粘接时，根据天气气候条件，采取不同的施工措施。晴天勤揩擦，防止尘土和杂物落到粘接面上；阴雨天需架雨棚；已粘好的复合土工膜用雨布盖好，防止受损；已拼接好的复合土工膜预留边接口，应用薄膜保护好，防止接口复合土工膜被污染。

复合土工膜与底部连接。在防渗墙顶部现浇200#素混凝土帽，混凝土帽中预埋嵌固复合土工膜。防渗墙墙体附近复合土工膜折叠10～20cm，以适应地基可能产生的不均匀变形。已施工好的复合土工膜接头妥善保护，避免人为因素或机械破坏。伸缩节底部连接时，在其接头边界上另贴宽20cm复合土工膜条带加强结构，以防漏水。

复合土工膜与上部连接。其上部与浆砌块石封顶平台相接，施工时堤顶浆砌块石封顶按设计施工。复合土工膜铺设采用自下而上顺序进行，当上部连接施工时，首先完成该部位复合土工膜底部与垂直防渗墙连接施工。

复合土工膜自身粘接，接缝宽度一般为10cm，并保证最小粘接宽度不小于8cm。施工时将刨木或夹板垫在复合土工膜下部，摊平膜体，在接口处用电吹风吹去灰尘后涂抹粘接剂，根据粘接剂的性能进行粘接，并不断用棉纱擦压，粘接好后用砂浆压18h以上。 2．济南鹊山调蓄水库工程土坝土工膜防渗

1）工程概况。济南市引黄供水鹊山调蓄水库位于黄河北展区末端，属黄河下游冲积平原。东临黄河大堤，南靠原津浦铁路，北靠黄河北展宽大堤，平面上呈三角形，库区内地势平缓，地面高程一般为23.5～24.5m，东部和南部略高，最低处位于大吴排水闸出口，高程为22.4m。在库区周围，北展堤堤顶高程32.6～34.0m，高出地面9m，黄河大堤堤顶高程约36m，临河滩面29m，高出背河地面3～5m，津浦铁路路堤堤顶高程约26m，高出地面2～3m。工程区位于黄河冲积平原，上部为全新统冲积层，为灰黄色砂壤土，局部夹中细砂或粘土透镜体，最大厚度可达20m以上；下部为上更新统，为灰绿色、褐黄色壤土、粘土、砂壤土，富含钙质结核，呈硬塑状。全新统冲积物遍布整个平原区，其中沼泽地和苇地内为静水沉积，在勘探深度内为黄色、褐黄色砂壤土、壤土和粘土，可塑或软塑状。库区浅部地层主要分为两大层，即上部是砂壤土为主的河流冲积层，沉积时间短，粘粒含量低，透水性相对较大，为该区的主要透水层，其厚度一般为3～5m，地下水埋深2.5m左右，在库区东部该层厚度较大，且分布有较厚的粉砂层，水量较为丰富，下部为壤土为主的河湖相沉积层，其透水性较弱，且水平方向连续性好，为相对隔水层。所以，库区浅部地下水主要为孔隙潜水，含水层主要为砂壤土层和局部的粉砂、粗砂层。

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2）工程设计。鹊山水库设计总库容为4600万m，属中型平原水库工程，坝体为碾压式均质土坝。围坝长11.637km，坝顶高程32.24m，设计库水位30.4m，最大设计水深8.0m，坝前水深5.4～6.4m，最大坝高9.2m。

坝体及坝基防渗措施。由于库区内粘土储量少，且用量大，需远距离调运，施工期较长，投资多，因此，经分析研究，坝体采用SJN-2复合土工膜作防渗材料，设计规格性能见表10-3。

表10-3 SJN-2复合土工膜规格性能表 单重 2(g/m) 500 梯形撕裂 (KN) 0.23 断裂强度 (KN/5cm) 0.40 断裂伸长率 (%) 40 CBR顶度 (KN) 1.5 抗渗强度 (MPa) 0.60 圆球顶度强度 (KN) 0.07 渗透系数 (cm/s) 5×10 -11 根据围坝地质勘探资料及库区水文地质条件，坝基的垂直防渗确定为沿水库围坝上游坝脚铺设0.4mm厚的单层聚乙烯宽幅土工膜，设计规格和性能见表10-4。垂直铺塑最大深度为18m，最小深度为6m，坝基垂直防渗顶部与坝坡的复合土工膜焊接，见图10-20。

表10-4 聚乙烯薄膜规格性能表 厚度 (mm) 0.4 幅宽 (m) 8.0 抗拉强度 (MPa) >8～18 拉断时伸长率 使用温度范围 (%) (℃) 280～450 -20～35 密度 3(g/cm) 0.91～0.93 直角撕裂强度 (MPa) 4.0 26

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、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，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

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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8×10cm/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

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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9.4km，总

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库容349.3万m。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

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道内渗水尤为严重，几乎成为“水帘洞”。据测量，水库的最高日漏水量达1.5万m。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。

2．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

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不小于1cm；随坝高不同，防水层选用400～600g/m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107胶的水泥胶粘结。复合

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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

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坝面防渗体面积4200m，高程自180.6m至161.5m。由于水库的运用要求，加固工程在未放

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空水库情况下进行，目前还有约1800m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

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172.5m，堵漏前的1995年相同水位的大坝渗水量为5000m/d，而堵漏后的1997年最大值为

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2000m/d，大坝漏水量减少60%。从现象上看，经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。握持试验试样夹持面积（长×宽）为50mm×25mm，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

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水力比降）时的渗透速率。一般土工膜的渗透系数值小于1×10cm/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。

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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，另一方面是它自身内在的弱点，两者相辅相成。老化的内在因素主要表现是高聚物化学结构、链结构和物理结构上的弱点：

（1）化学结构上的弱点，主要是一些高聚物原子间的内在结合力不好，与原子结合的不牢固，或一些基因、链受到外界因素的作用而引起老化； （2）链结构上包括分子量、分子量分布和聚合度等；

（3）物理结构上主要是聚合物的结晶度，结晶度大的聚合物有较好的热稳定性。 （4）影响材料耐久性的还有物理因素、化学与生物侵蚀、干湿作用、冻能变化和机械度等。老化的外界因素，如物理因素，包括光、热、电和高能辐射等，其中主要的是光和热，太阳光的紫外线会引起高分子聚合物的光化学反应，使高分子产生断链或交联，分子量下降而老化。热会使高分子材料发生分解或热氧化反应，引起或促进老化。化学因素，包括氧、臭氧、水（湿气）、化学介质（酸、碱、盐雾等）、腐蚀性气体（NH3、HCL、SO2等）等，其中氧的因素较为主要。生物因素，微生物主要是霉菌；昆虫和海洋吸附生物的作用。在上述外界因素中，以日照紫外线的影响最重要。

各种原材料抗紫外线的能力以聚丙烯和聚酰胺最差，聚脂最佳，聚乙烯、聚氯乙烯介乎其间，颜色浅的比深的差。由于老化是从表层逐渐向内部发展，故产品厚的较薄的耐老化。 2．延缓老化的措施

了解了高分子聚合物产生老化的内在和外界因素，从而可以采用对应措施，减缓老化过程。通常采用下列方法：

（1）物理防护，如涂漆、镀金属及用防老化剂溶液浸涂等方法。

（2）改进聚合、后整理及成理加工工艺。由于聚合物在聚合过程中将产生不稳定结构、杂质、催化剂残留物、低分子量聚合物等老化弱点，因此需改进聚合工艺，尽量减少这些老化弱点，以提高聚合物的稳定性，延缓老化过程。

（3）改性，改性就是用共聚、共混、接技、嵌段、增强等方法改善高分子聚合物的性能，使纤维的性能得到全面大幅度的提高，以适应不同的需要。

（4）在运输过程土工膜成品应有较好避光隔热、避氧作用的包装或覆盖。储藏时应放置在室内，避免光、氧、热的作用，露天存放最多不超过15d。

（5）在原材料中加入防老化剂，抑制光、热、氧等外界因素对材料的作用，如掺适量的抗氧剂、光稳定剂和深色碳黑等。由于老化的过程是高聚物在外界条件影响下产生游离基，随后带来链断裂和铰链，因此，防老化就必须抑制游离基的链式反应。要抑制这种反应，可添加一种稳定剂（防老化剂），使游离基消灭或使活泼的游离基变为比较稳定的游离基，从而使链式反应中断。目前使用的防老化剂有以下四种：①游离基链式反应抑制剂；②过氧化物分解剂；③紫外线吸收剂；④与卤化氢作用的稳定剂。上述四类防老化剂通常不是单独使用，而是使两种以上的化合物组合起来，发挥其“协同效应”，这样所起的稳定效果就更显著。

（6）在工程中采用防护措施，如尽量缩短材料在日光中的暴露时间，用粘土（要求厚度在30cm以上）或深水覆盖等。老化破坏程度常以材料的某物理力学量的变化率来反映，例如材料抗拉强度的损失或延伸率的变化等。 四、土工膜使用技术探讨

1．土工膜的使用虽然已很广泛，但如何“用对”、“用好”并进而“用精”，却还有工作要做。所谓“用对”就是使用的场合和部位要正确，所选的材料要对路。所谓“用好”就是

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要使所选的材料物尽其用，能发挥其最大的效能。要做到“用好”应抓住三个环节，即①合理的设计；②精心的施工；③经常的维护。至于“用精”则要求在使用中有发展、有心得、有创新。

目前我国的使用现状大体上还是仿照外国的经验，可以说还处于一个初级阶段。

2．土工膜在工程中使用已经很多，对使用工程经常性检查维护做得不够，对工作状况进行原位观测更为少见。对使用经验进行总结，提高到理性的高度，还做得很少，理论大大落后于实践的状况尚未从根本上改变。根据土工膜的工作机理、材料特性、工程的边界条件和破坏模式，针对使用土工膜的建筑物的设计计算和分析方法还有待于进一步研究。

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