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土工膜的防渗功能和设计原则
双击自动滚屏 发布者:广州土工布,土工膜 时间:2011-05-21 阅读:14144

一、防治作用及其应用举例
防渗是防止流体渗透流失的作用,也包括防止气体的挥发扩散。日常生活中要求防渗的事例很多,水利工程中要修建大量的挡水蓄水、引水和输水等建筑物,更有防渗、防漏的要求。在水利工程中常见的防渗工程可列举如下。
(1) 堤坝的防渗斜墙或心墙。
(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、海漫与护坦的防渗。
 (6) 隧道和堤坝内埋管的防渗。
 (7) 施工围堰的防渗。
图2-11是一些防渗结构的示意。
 以往的防渗材料大多为透水性低的粘土、沥青油毛毡和各种涂料,它们的用量大,施工复杂,还往往出现干裂等质量事故。土工合成材料为防渗材料增加了一种极有前途的品种,国内外的使用经验证明,土工膜用于防渗效果很好,质量轻,运输方便,施工简单,造价不高,只要使用得当,在绝大多数情况下,完全可以替代传统的防渗材料。但是,为了保证土工膜发挥其应有的防渗作用,应该注意一些关键性问题。
图2-11 坝工中利用土工膜防渗
 (1)土工膜材质。土工膜的原材料有多种,应该根据当地的气候条件等进行适当选择。例如在寒冷地带,应考虑土工膜在低温下会不会变脆破坏,是否会影响焊接质量;土质和水质中的某些化学成分会不会给膜材或粘结剂带来不良作用等。
(2)排水、排气问题。铺设土工膜后,由于种种原因,膜下有可能积气、积水,如不将它们排走,可能因受顶托而破坏。
(3)表面防护。聚合物制成的土工膜容易因日光紫外线照射而降解或破坏,故在储存、运输和施工等各个环节,都必须时时注意封盖遮阳,特别是在施工过程中,应尽量缩短其外露时间,原则上应随铺随用土覆盖。
二、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,要求按一定的结构形式铺设。原则上防渗结构应包括5层,如图2-12。
1.防护层
 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、风化浸蚀、冰冻破坏和遮蔽日光紫外线而设置。该层由透水的堆石、砌石或预制混凝土板构成,要求有一定厚度。
 2.上垫层
  上垫层是防护层和下卧土工膜之间的过渡层,由于防护层多是大块粗糙材料,如果直接置于土工膜上,很容易破坏土工膜,如果防护层的块体有移动,
图2-12 防渗结构
l—防护层;2—上垫层;3—土工膜;4—下垫层;5—支持层
更会伤害膜材,因此上垫层必须做好。上垫层可以采用透水性良好的砂砾料,厚度应不小于10cm,根据具体情况,有时也可采用无砂混凝土或沥青砂浆等;如果防渗材料采用的是复合土工膜,则膜两侧的非织造土工织物可以起保护膜的作用,不必另设垫层。
 3.土工膜
  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,铺在坡面上要考虑下滑的可能性。为此,在可能条件下,一般要求采用复合土工膜,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,也有地方将单膜加上纹路
图2-13 土工膜铺设形式
1—土工膜
以增加糙度;再有则是从铺设方式上着眼,例如按锯齿形、台阶形铺设,或在坡面上设戗台等(图2-13)。
4.下垫层
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,这时的下垫层由砾石、细砾和砂构成,三者之间的粒径应符合一定的层间关系。如果采用的是非织造土工织物复合膜,而且是用于碾压式土坝,则下垫层一般可以省去,因为非织造土工织物已经可以起到保护和排水排气作用,而且又增加了与土工膜的摩擦力。
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,在水压力作用下,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,则情况就会不同了。前人的试验研究证明,0.25mm厚的聚乙烯土工膜铺在级配良好的砂卵石层上,作用水头甚至达到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。除上述的下垫层外,支持层还可采用级配良好的压实土层,粒径应根据膜厚来选择。有学者建议,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。
 如果是碾压式土石坝,由于其坝面平整,又有较大密实度,可以不专门设置支持层。
三、设计要点
(一) 堤坝的防渗
 土工膜仅是土石坝的一个组成部分,其总体布置、设置范围与高程等应遵循SDJ218—84《碾压式土石坝设计规范》的规定。针对土工膜的核算有两方面。
1.稳定性验算
心墙土工膜不存在滑动失稳问题,对于斜墙稳定目前主要验算两种失稳情况。
 (1) 土工膜以上的防护层、上垫层连同膜本身沿下垫层或支持层面的滑动。这种情况一般不致发生,因为膜上端要求固定于坝顶,加之膜下下垫层要求透水,不致产生过高的孔隙水压力使接触面强度降低。这种形式的破坏可不考虑。
(2) 土工膜以上防护层和上垫层沿土工膜表面的滑动。这种情况的抗滑稳定验算一般采用土力学中的极限平衡法。由于土坡有不同工况,验算需要按正常运行(即水位保持不变,堤坝内有稳定渗流和非常情况(通常指外水位由某水位快速下降到某一低水位)进行。对于非常情况,还有上垫层材料是透水和不透水之分,后一情况是当该层与膜的交界面处存在过高的孔隙水压力,使强度显著下降造成的,这是验算中的一种最危险的控制工况。
 2.土工膜下的排水能力的验算
前面已经提及,堤坝坡面铺土工膜后,其下仍将会有一定的渗流量,应该及时充分排除,以避免孔隙水压力的产生。但是,对此迄今还没有较好的估算方法,最好是采取防预措施较为稳妥。例如采用非织造土工织物复合土工膜,通过织物排水,就是一种方便途径。若预计来水量较大,则不妨用较厚的织物复合,甚至在膜下再铺薄砂层。
 以上两种验算的具体方法可以参考有关规范。
 (二) 堤坝前的水平防渗铺盖
 土石堤坝建在透水地基上,当地基厚度过大,采用其他方式防止地基渗流不经济或不可能时,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,以增加渗流路径,减小渗透坡降,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,故以往常用的材料为粘性土。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,只要正确应用,就能收到良好的效果。
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,以及膜材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,不过,大量的工程经验表明,长度取为坝前水深的5倍左右即可,太长了效果不大。
 应指出: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,采用非织造土工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,应根据具体情况设排放措施,将它们排除,例如在膜下建纵横排放沟或采用专门的排放设备(如逆止阀)。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系统。
与建铺盖类似,土工膜也可用于库区防渗。使用时,将其妥善地铺在需要堵漏的部位。
 (三) 地基垂直防渗墙
 垂直防渗墙是在透水地基内造孔或挖槽,以透水性极低的材料填入建成的连续墙。我国堤坝中以往常用的混凝土防渗墙厚度为0.6~1.3m,目前在堤防工程中的墙厚已减至0.3m,甚至更薄。建造这样的防渗墙,除需要造孔设备外,还要有浇注混凝土的专用机具,施工比较复杂。我国现在已经用土工膜完成多处垂直防渗墙工程。
修建防渗墙的土工合成材料可以采用土工膜、复合土工膜或防水塑料板。国外采用打钢板桩的技术和设备来插入高密度聚乙烯板,板的两侧附有锁口,用以将两块板连接在一起。锁口中的间隙则放人密封条,遇水后密封条膨胀,充满间隙,可以做到基本不漏水。安装时由震动打桩机实施,板前端有一铁靴,保护膜板的插入,深度可达40m。若采用插入土工膜,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。
 造墙的基本步骤是:首先用高压水冲,或链斗或液压式锯槽机开槽,以泥浆护槽壁,将与槽深相当的整卷土工膜铺入槽内,倒转轴卷,使土工膜展开,相邻两幅之间用搭接的方式连接;及时进行膜两侧的填土,并在槽底回填粘土,厚度不少于1m,目的是密封,以防止水从下部绕渗;接着填一般土,待其下沉稳定后,往槽内继续填土压实;最后待土工膜出槽后,立即将其与建筑物连接,不得外露。应当注意在与建筑物连接处土工膜应留有足够的富裕,以防建筑物变形时拉断土工膜。
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