堤防工程土工合成材料應用技術五

堤防工程土工合成材料應用技術(13)簡介：千百年來，在水利工程中，人們廣泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金屬材料，但它們都有一些固有的缺陷，例如性能單一，質量大，壽命不長，價格昂貴等，故不能全面滿足工程的特定需要。同時天然材料畢竟數量有限，而且不少天然植物材料如過分利用還會影響自然界的生態(tài)平衡，破壞.......關鍵字：堤防工程土工合成材料應用3.土工膜的選擇土工膜的選擇涉及兩個問題，一是選擇何種原材料的土工膜，二是選用何種形式的土工膜（單膜或復合膜）。（1）國內外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）兩種。工程選料時，主要根據以下幾個方面來選定合適的土工膜：①力學特性，上述兩種材料制成的土工膜的拉伸強度相差不大。由于土工膜只用于防滲而不作為加筋材料使用，故其拉伸強度不是選材的重要指標。但從另一方面來說，PVC膜因添加有塑化劑，使得其伸長率比PE膜的大一些，柔性較好，與砂粒接觸時可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，從而增加二者之間的摩擦系數。因此，PVC膜與砂之間的摩擦系數明顯大于PE膜與砂之間的摩擦系數，摩擦角平均至少大50～60。這是一個關鍵性的指標，會影響到膜與土體接觸面以及膜與其上保護層之間的滑動穩(wěn)定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三種：一是采用復合膜，因復合膜外層的土工織物與土料的摩擦系數較大，接近于PVC膜與土料的摩擦系數。二是對PE膜采用加糙措施，例如在土工膜的光滑表面上壓紋或噴涂加糙材料。三是改變水工建筑物的結構，如調整壩坡，加防滑槽或防滑檻等。另外，當PE膜的厚度從0.12mm增加到0.24mm時，其與粗砂的摩擦系數可以增加30％。②可連接性。土工膜無論出廠時幅有多寬，在實際使用時仍需將其幅與幅之間連接起來，以成為一個整體的防滲膜體。一般PE膜只能用加熱熔合的方式連接，而PVC膜除此之外，還可以采用特殊的粘合劑進行粘接。薄型土工膜由于不能用熱焊方法連接而必須用粘接法連接，因此只能選用PVC膜。③經濟性。目前兩種材料的價格大體相當，一般均在10000元/t左右，而PE的比重小于PVC的比重，所以同樣厚度的情況下每單位面積的價格PE膜要少一些。另外PVC膜出廠時的幅寬一般為1.5～2.0m，PE膜幅寬可達4～4.5M，相應地PE膜的接縫數量就比PVC膜的要少，因而搭接的用量就少一些，現(xiàn)場接縫的工作量也少一些。綜合這三個方面的優(yōu)缺點，再結合工程實際情況，可以對膜材作出合理的選擇。(2)選用單膜還是復合膜主要是從復合膜的作用和經濟性兩個方面綜合考慮來選定。復合膜的一個作用已如上述，可以增加與土料之間的摩擦系數，第二個作用是保護士工膜不受運輸和施工過程中外力的損害。復合膜的力學性能比單一膜有很大提高，其破壞應變雖不如單膜的大，但仍遠大于土體的破壞應變，因而有較強的適應各種情況的能力，例如重物沖擊，臨時性的局部荷載等等。據長江科學院為三峽工程所做的研究表明，復合土工膜的強度和防滲性能要優(yōu)于單一膜和土工織物兩者簡單疊加的性能，其優(yōu)良的程度與膜和織物之間復合的緊密程度密切相關，因此復合膜的設計不能簡單地參照膜和織物各別的性能指標直接套用。第三個作用是復合土工膜具有反濾排水功能。由于土工膜不可避免地總會有一些缺陷，如生產過程造成的不均勻性，或施工中機械刺破形成的漏洞等等，此時膜一側的土工織物能夠起到反濾排水作用，從而維護了保護層的穩(wěn)定。如復合土工膜是鋪在透水性不強的壩體表層，則膜下的土工織物可以迅速消除庫水位驟降時在膜后形成的水位差，避免土工膜被水壓力頂起的危險。要達到這種排水作用的必要條件是土工織物要與壩后的排水通道相連接。我國的堤壩建設在1993年以前大多采用單膜或多層單膜，這和當時復合膜尚處在研制階段，未大規(guī)模生產有關。1994年后大多數工程都采用了復合土工膜。但從已往采用單膜的土石壩防滲效果，以及SL/T225—98規(guī)范中對土工膜類型的規(guī)定上看，單膜對低水頭的小型水庫防滲效果良好，仍然是一種具有競爭力的膜材。當然，在有條件的情況下復合膜有著更為優(yōu)越的工程特性，但工程造價也會相應地有所增加。4.土工膜的防滲性、厚度和缺陷的滲流分析(1)從表面上看土工膜是一片密不透水的材料，但實際上在壓力作用下膜的孔隙大小可以變化，仍能夠透水，只不過其滲透系數很小而已。一般來說滲透系數取為1×10-12cm/s是穩(wěn)妥的。這個數值較之粘土要小得多，這就是為什么土工膜用作防滲材料的原因。實際工程中更關心的是土工膜與土層接觸時能承受多大的水頭。當土工膜與粗粒土相接觸時，由于土粒之間的孔隙較大，土工膜在上覆水壓力作用下被迫向土孔隙中陷進，因而產生拉伸應變、承受拉應力。如拉應力過大，土工膜被拉裂，則會產生漏水點，影響其防滲性能。(2)土工膜能承受多大的水頭取決于土工膜的力學性能(極限拉伸強度，拉伸模量)、厚度和墊層土(如土粒大小和級配)的情況。確定土工膜的防滲性有兩類辦法，一類是直接法，即將擬用的土工膜在試驗儀器中鋪在實際使用的墊層土料上，然后施加水壓力，直到土工膜破裂或施加的水壓力超過工程最大水壓力一個安全倍數而不破裂為止。這類方法最為可靠，但工作量大，一般重要的工程才采用。對低水頭的堤防工程似無必要。另一類是間接法。這類方法有兩種途徑，一是通過公式計算；二是按規(guī)范規(guī)定的數值取用，對于堤防工程適用此法?，F(xiàn)行規(guī)范要求土工膜的厚度不小于0.5mm，但目前國內土工膜產品的厚度一般均小于0.5mm。因此在選料時，經過論證，對于較小的工程也可選用厚度為0.3mm左右的土工膜，但要特別注意施工質量。例如以表3-2中湖北毛兒沖土壩用土工單膜修復補漏工程為例，所用的PVC膜的厚度只有0.22mm，接縫為粘接縫，水頭達20m，從1993年到現(xiàn)在，經歷了多年的汛期高水位的考驗，防滲效果一直是良好的?？梢娡凉つし罎B的成敗關鍵之一是施工質量。(3)土工膜的缺陷也是工程中可能發(fā)生和比較關心的一個方面，不論是由于生產制造，還是焊接或施工造成的漏水點，都會影響到土工膜的防滲效果。據國外對某工程28處共20萬m2土工膜的質量檢測結果來看，平均每1萬m2中有26個漏水孔，其中15％是自身的孔眼，69％出現(xiàn)在焊縫處，由此可見焊接質量的重要性。而當嚴格控制施工質量時因焊接而產生的漏水孔的發(fā)生率可以降到平均l萬m2中僅有2.5個。討次站從滲流角度來昂講，如果膜中慰的孔其上下完簽全不受阻礙地閘敞開漏水，其絹漏水量是不小修的，但實際上克水的流動受到計膜上保護層滲撥透性、膜兩側斑土工織練物栽(貞對復合膜而常言或)窄以及其下墊層界或堤的土料滲澆透性的限制，權要精確地估計疾其滲漏量是不拐容易的。但問跨題是要防止因忌漏水引起土體霉的滲透變形，督圖虹3-透4僚中給出土工膜勿中一小孔產生上滲漏時的情況紛。渴圖配3-4(a端)黨為流線分布圖驅，超出浸潤線帥則無滲流。挖圖撤3-4(b布)肌給出私在如b/H扎s柜＝警0.0規(guī)2蠟和論h證W定/H個s寨＝堤1換的條件下平面踩狀態(tài)的滲流等凍勢線圖僻，絮h艦ω捏為鄭1紐。逆從殖3-4(a越)駱圖中可以看到柏水通過小孔后艙開始以圓澆形踢(廉空間問題則以室球甘形河)數的形狀擴散，焰滲透面積迅速蓮擴大，因而水榴頭降低較快，第但到一定距離市后滲透面積穩(wěn)汗定，水頭下降坡減慢并維持一巖定的水力坡降洗，到最后仍保鳥持一定的水頭曉。如果多個漏歲水點的最后逸備出水頭疊加起殼來，則壩體下富游的滲透水頭止是不可忽視的或，必須采取反鉤濾層措施。應尖當強調指出，壺土工膜后的反肉濾層是十分重車要的，不管土唉工膜有無破損吧，反濾層都應唯十分認真地做襯好。驅圖役3-4園泥土工膜一漏水襲點的滲流情況當進行土工膜的定量滲流分析時，可以把滲透系數很小(Km＝l×10-2cm/s)，厚度很薄(1mm)的土工膜，換算為1m厚的滲透系數Ks為l×10-9cm/s的粘土層進行計算；同時考慮到土工膜中不可避免的缺陷，再將其滲透系數加大100倍，亦即按Ks＝10-7cm/s的lm厚的不透水材料進行滲流量和水頭分布的數值計算，可以得到近似值。5.斜墻式土工膜的穩(wěn)定性斜墻式土工膜的失穩(wěn)情況除第二章中列舉的兩種以外，還可能有以下兩種，即土工膜上的表面保護層被水壓力頂起失穩(wěn)和土工膜受其下水壓力的作用而被拉斷或被頂起失穩(wěn)。三灘橋(1)嗽軋第一種失穩(wěn)情兵況主要和保護銳層的滲透性有周關。當保護層青是透水的，且流其坡角與土工手膜鋪設墊層的軍坡角相同時，載一般都利用通吼常的斜坡穩(wěn)定毫分析網法晨(優(yōu)見第二緩章磚)三。但若保護層背透水性不組良伶(娃如現(xiàn)澆混凝土桶板動等才)仆，庫水位下降公時，容易在保挑護層上下形成陸水位差．到一店定程度后，就布可能造成面板誠的抬動而失穩(wěn)扒。此時的關鍵渣問題在于如何元使保護層下的柱透水墊層與底捧部排水通道連度通，以迅速消莖散保護層下的去滯覽留水。如王甫喘洲工矛程救(警圖繼3-5誘)炕，其現(xiàn)澆混凝豐土面板下的透賞水墊層下部有塑排水通道，當額庫水位變化時誠，透水層中的劈水位也隨之變定化，水位差有撕限，故不會影活響到膜上保護漆層的穩(wěn)定性。垃據估算，船1m受水頭就足以把擴250mm割的混凝土艷圖三3-5暗能王甫洲土壩上劍游坡腳大樣國圖恐(看單位泉：糧cm)板推動上抬，造成失穩(wěn)。解決問題的關鍵是采取措施令透水層的水位基本上與庫水位同步下降。(2)第二種失穩(wěn)情況的安全系數一般要大一些，因為土工膜在堤頂都要錨固在錨固溝內并有一定的壓重，如果土工膜要滑動就會產生一個抗滑動的錨固力，這個力是不出現(xiàn)在計算中的，因此成為一個隱含的安全儲備。一些工程實踐中將土工膜在堤壩頂折疊一定的長度，其用意是給土工膜一個可以伸延的變形余度，以便適應堤壩的變形。但實際上，由于土工膜拉斷時的破壞應變比土的破壞應變大得多，只要土體不產生破壞，土體中的土工膜不至于形成過大的位移而拉斷。但若堤壩的結構比較特殊，如內有剛性的混凝土或鋼的結構物，則要注意其與土工膜接觸處膜的破裂可能性；在混凝土防滲墻上接土工膜的防滲體系中要特別注意兩者連接處的安全，防止土體、剛性墻和土工膜三者之間因變形不協(xié)調引起的土工膜被拉斷。另一方面，由于無論新建或加固的堤壩表面土工膜下面的透水下墊層一般不設排向下游的滲流出路，因此在庫水位下降時膜下的水壓力要大于膜上的水壓力，這個壓差足夠大時既可以把土工膜頂起，同時也削弱了膜與下墊層之間的有效正應力，從而減少其抗滑摩擦力，有可能導致膜沿下墊層滑動。當然在一般情況下，外水位的下降并不是很快，而膜又不是密不透水的，未能形成較大的壓差，故目前還未見這種失穩(wěn)的報導，但這個問題還是應當在設計中考慮的。6.鋪蓋的保護在需要設置水平鋪蓋的土堤中，采用土工膜作為鋪蓋材料已是一種優(yōu)化的選擇，它是一種有效的、經濟的合理方法，但隨之也帶來一個土工膜鋪蓋保護的新問題。這個問題發(fā)生在兩個階段：第一個階段是施工階段，一定要防止施工人員和施工機械對土工膜可能產生的損傷；第二個階段是鋪設完畢后一直到運行期間，這個階段要防止土工膜受陽光直接暴曬，人畜或施工機械在表面行走造成的損傷，要注意船艇在河中運行可能帶來的傷害。解決的辦法有多種，例如禁止拋錨，設立浮筒讓船艇停泊，或在土工膜表面覆蓋一定厚度的河床透水料保護層，其厚度起碼在1m以上，并且要與膜同時鋪放。姑宿戶土工膜鋪蓋下移還存在一個排債水排氣問題，促對此應結合工頌程具體情況進載行解決。采用質膜上加蓋重的心方法簡便易行兼，能保持長期頃的效果。另外桂，也有一些工固程采用箱了它“背逆止炸閥繡”留結構，見健圖想3-異6浩。其工作原理癢是：當膜下水暫壓力高于膜上近外水壓力時，纖圖中鋁蓋很板后(4柜)描便被頂起，地拖基中水壓力得層到消散；反之曾，鋁蓋板壓住憶其下孔口，外茄水不得進入。晌但有的地方這氣種措施不很成覺功。報詞兔7灣.盞施工中的注意謹事暈項散芬有獅防滲土工膜施榆工包括以下工膏序：爬準丸雖備工作、鋪設鼓、拼接、質量息檢查和回填土廈料。疏奏拴(1桌)習準備工作。要各求清除地面一趨切尖硬物質，壺作好排滲設施歉，挖好錨固溝殖。準備好土工庫膜，盡量用寬瓦幅膜，或先按嘴要求尺寸焊拼做好，卷在鋼管盼上，妥運至現(xiàn)令場備用。蜻杰練(2怨)俘在平地上鋪放墾，借拖拉機或仗人工展放，在溜坡面上借卷揚洗機從坡頂徐徐挨反滾至坡底，內將其固定。鋪每放時應注意罷：秩①柳盡可能在干燥偏和暖天氣進行標。今②沒鋪放應留足夠睛余幅，不可太翁緊，以便拼接巴和適應氣溫變踢化悔。羨③惡應隨鋪隨壓重它，防止風吹席。梳④講接縫應與最大購受力方向平行挨。暑⑤欲發(fā)現(xiàn)損壞，應喇立即修補存。諸⑥笛鋪設人員應穿戀軟底鞋，以免僵破壞土工膜，握并密切注意防牙火。摔圖照3-6江順逆止閥結婆構犯(嗚單位拜：行cm)

襖1招—寒土工膜鋪蓋崇；徒2哥—貍土工織物排水徑（直徑死20cm倚）芬；規(guī)3?！岷附踊蚰z結神；噴4悟—雁鋁蓋憲板渾(吉直徑問30cm難)縮；作5哥—娛混凝土譽塊炎(廈直徑雖40cm惑)提；掛6去—壓尼龍繩錦；漁7刷—虛鋁連框吵殃愚黃(3可)側土工膜拼接有喘熱熔焊法和膠羞粘法，大面積透拼接一般用熱劇熔法，局部拼誕接才用膠粘，芹應注意太薄的愚聚乙批烯吸(PE豎)站膜經加熱要燒桃壞，故不能用迅熱熔焊法。膠嶄結法只適用于戀聚氯乙烯膜。堵用膠粘法時應設注意粘結膠的流耐久性，不能資因長期浸水或符遇水中化學物命質而失效。大爹規(guī)模拼接前，怕應進行拼接試翼驗。膨拴配(4敬)菌拼接質量檢查新?？梢韵茸髂砍脺y檢查，即檢晌查縫有無疏漏議，有無燙損，錘有無褶皺和是置否均勻，然后鉛借儀器檢漏。屯例如兩條焊縫犁間有約驅10mm汁空腔末焊，可遵以將待檢段兩省端封死，往空魄腔內充氣，靜虛置一段后，觀饑察其壓力有無事下降。如發(fā)現(xiàn)爹漏縫，應及時新修補。季口廚對較大工程，脫尚應取樣檢測森，即割取部分飄接縫試樣作拉羞伸試驗，要求巾接縫強度不低饞于母體喜的貨8練0?。ァｉ]喇妙(5握)菠回填土料。鋪斑膜后應及時回竟填，嚴禁膜較幻長時間外露。股填土一般應不饒薄于泰30cm司；冬季水位變充動時，厚度應露加大。如分期移施工，應注意辭兩期間膜的良令好連接。綠朗樂(6師)輛防滲土工膜的孩周邊和與結構腸物連接處應構砌成密閉系統(tǒng)，嶺具體結構可按羊地基土質和結附構物類型確定職。煙槐壘1繭)昌土質地基：土狡工膜直接埋入樣錨固溝內，填嘆土并予壓實，生溝深可為席2m伐，寬晨4m芝，如蓋圖宰3-7(a鋼)崗。采匙鞋2確)模砂卵石地基：顯挖除部分砂卵冊石直達不透水豆層，澆混凝土菠底座，將膜埋手人。對新鮮及稍微風化巖底座少寬度應為水頭斷的窯1/1徐0辮～姐1/2膜0別；對半風化和放全風化巖應為影水頭斷的末1/企5掀～忠1/1譯0截，所有裂縫都蘿要填實，如宏圖乏3-7(b瞎)疾。如砂卵石太到厚，無法控制漢不透水層或開屋挖不經濟，可膝將土工膜向上嘆游延伸，作成狂水平防滲鋪蓋云。花裂沖3趣)霧巖石地基：如漲圖旨3-7(c主)奉?？辜逄?然)筒與結構物的連藥接：如與輸水曬管、箱涵水閘億等的連接，應吐根據具體條件罷確定，缺圖虎3-7(d管)邀是部分舉例，寬一般應遵循以奔下原則，相鄰擱兩種材料的彈嗚性模量不要相縫差過大；應平焦順過渡；應為朋結構物可能產湯生的較大位移闊留有余幅。結狂且(譯三競)昂岸工程實例虛隙擇[跳實酒例息3-1壽]餃膝按湖北王甫洲工仍程牙葛融1樸.捎工程概況三央險漢江王甫洲水懷利水電樞紐位般于湖北省老河風口市近郊的王喘甫洲上。歷史滴上該處曾發(fā)生坡過漢江改道的桃河道變遷。該串樞紐是筑壩攔超斷漢江新老河歇道，并利用老擴河道河槽蓄水潛興利的工程。芒它具有平原水斜庫的特點，擋典水建筑施物廢(用壩，肥堤螞)竭的高度不大，包但圍堤很長，左所以是一個壩械