外露土工膜防滲在碾壓混凝土壩的研究與思考

徐騫騫 孟慶祥

(1.中廣核能源開發(fā)有限公司，廣東深圳 518000; 2.河海大學巖土工程研究所，江蘇南京 210000)

0 引言

土工膜在碾壓混凝土壩上游防滲層的應用最早可以追溯到1984年。國際大壩委員會收集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明土工膜防滲可以作為永久的方法使用，可以保證碾壓混凝土壩的安全運行。土工膜系統(tǒng)所提供的優(yōu)勢，促進了其在全球使用。采用最先進的技術土工膜可以安裝在很多系統(tǒng)中，包括暴露的系統(tǒng)、覆蓋系統(tǒng)或者永久嵌入混凝土板作為防滲設施。

國際大壩委員會根據(jù)世界各地收集的性能數(shù)據(jù)，土工膜認為永久的方法給予不透水和所有類型的大壩的安全運行，包括大型碾壓混凝土壩。新的國際大壩委員會的數(shù)據(jù)公告顯示世界各地超過280座大壩使用土工膜作為防水設備。2007年世界有37座在建的碾壓混凝土壩采用土工膜防滲系統(tǒng)。

目前，很多碾壓混凝土壩開始最大限度地發(fā)揮土工膜防滲的優(yōu)勢，開始使用外露型土工膜作為碾壓混凝土壩的上游防滲，如在偏遠荒漠建設的Taishir碾壓混凝土壩就采用這種形式，該地區(qū)溫度變化很大，年變化幅度從-50℃～+40℃。

1 外露土工膜防滲系統(tǒng)

目前，在現(xiàn)代水利工程中土工膜防滲應用十分廣泛，國內外現(xiàn)有的幾種土工膜與襯砌系統(tǒng)已經(jīng)開始普遍應用于民用建筑物的防水。根據(jù)國內外設計經(jīng)驗，采用塑料薄膜的各種系統(tǒng)可以進行如下的一些分類，研究中考慮了薄膜耐久性、老化以及后期的維護運行等問題。

對于碾壓混凝土重力壩(RCC重力壩)而言，外露式土工膜防滲系統(tǒng)已經(jīng)試用于大壩壩身的垂直護面，像金屬板、噴混凝土、噴土工膜瀝青襯砌等等方法。針對土工膜的材料，目前主要包括以下幾種：綠磺化聚乙烯、高密度聚乙烯、氯—磺酸鹽聚乙烯(CPE)、丁基合成橡膠(橡膠)、聚氯乙烯、瀝青土工膜和聚丙烯(CPP)［1］。

土工膜在土石壩中的應用比較早，最早可以追溯到20世紀50年代末。目前該領域最大的企業(yè)是美國的卡皮公司，該公司的外露土工膜防滲系統(tǒng)在水利工程中的應用已經(jīng)超過40年，也是全世界外露式土工膜防滲應用最廣泛地系統(tǒng)之一，世界不同的地區(qū)大約有50座從幾米到幾百米的大壩都使用該系統(tǒng)進行建設和修復。

2 相關研究回顧

國內外很多學者對外露型土工膜的應用開展了研究。下面選用國外的相關研究做一個簡單的概述。

Bob L.Whitfield著重介紹了相當獨特的應用土工合成材料的水庫蓄水壩。這種特殊的設計采用了一個非常低的水泥含量的多孔碾壓混凝土，根據(jù)當?shù)氐牟牧瞎蛱娲ㄖ牧铣杀镜淖顚嵱煤妥罱?jīng)濟的設計選擇，該項目仍在建設中，包括約74 220 m3碾壓混凝土(97 000 m3)的約6 420 m2(69 100 ft2)土工膜［2］。

A.Scuero和G.Vaschetti以蒙古國的Taishir為例介紹了外露型土工膜防滲在碾壓混凝土壩(RCC壩)上游防滲的作用，著重介紹了土工膜防滲系統(tǒng)在溫差很大的環(huán)境中如何安裝，保證防滲系統(tǒng)的有效性。A.Scuero和G.Vaschetti還研究了外露土工膜防滲在大壩修復中的作用，表明PVC土工膜長期的高性能安裝可以在寒冷的氣候條件下有效地修復水壩，并且安裝時間短。在Midtbotnvatn較低的舊大壩的一部分，安裝該系統(tǒng)后泄漏從550 L/s減少到1.5 L/s。在瓦爾德克，安裝同一系統(tǒng)可以取得類似成功的表現(xiàn)［3］。

Tarbox，G.S.Rogers等人介紹了外露型土工膜防滲系統(tǒng)使用的經(jīng)驗。美國最高的碾壓混凝土壩(奧利文海恩壩)上游壩面采用的外露土工膜系統(tǒng)進行防滲得到非常成功的實踐。Tarbox，G.S.Rogers等人針對該系統(tǒng)在工程中的設計和施工情況，對取得的寶貴的經(jīng)驗進行了詳細展示［4］。

梅斌和金志玉以一個渠道工程為例，展示了外露式土工膜灌溉渠道防滲施工［5］。在HDPE土工膜中添加了碳黑，可以在紫外線的照射下延緩老化，根據(jù)國外的工程試驗，使用壽命可以達到15年以上，因此外露式土工膜可以在灌溉渠道防滲改造中推廣應用。

3 外露土工膜防滲系統(tǒng)的優(yōu)勢

根據(jù)國內外的相關經(jīng)驗，采用外露土工膜防滲與傳統(tǒng)的設計相比具有明顯優(yōu)勢，可以實現(xiàn)抗震性能的提高、減少滲透壓力和內部揚壓力以及優(yōu)化填筑等。

3.1 提高抗震性

在地震荷載作用下，普通的混凝土重力壩或者碾壓混凝土重力壩會經(jīng)常出現(xiàn)一些細微裂縫以及臨時或者永久性質的位移。采用外露式薄膜使壩體具有顯著的延伸性，從而可以保證大壩在地震后護面系統(tǒng)能夠保持較好的完整，從而減少由于壩體裂縫造成的滲水。

3.2 降低壩體滲水和揚壓力

由于地震、風化等因素，混凝土經(jīng)常會不可避免地發(fā)生開裂。從而形成了水流的滲透通道。采用外露土工膜防滲可以解決這些常見的滲透問題。外露式土工膜防滲可以給大壩上游面提供連續(xù)保護，從而減少通過收縮縫和意外的裂縫導致的大壩滲水。此外，我們看到在RCC壩的施工中安裝預制垂直排水管比較困難，在實際施工中往往需要按照簡化的施工方案，這就導致了壩體內部的揚壓力可能比較大。采用外露土工膜防滲護面可以消除通過大壩的滲流，從而降低壩體揚壓力。

3.3 碾壓混凝土壩填筑的優(yōu)化

碾壓混凝土壩(RCC壩)為了實現(xiàn)快速施工，設計的基本準則是簡化“澆筑層”，從而實現(xiàn)快速高效的填筑。但是一些必需的工序如安裝箅水、局部采用普通混凝土、設置廊道以及埋設管道等都會導致壩體填筑的終端。采用外露式土工膜防滲可以通過將排水裝置移至壩外來簡化或者根本不用考慮這些工序，從而實現(xiàn)了施工的優(yōu)化和工期的縮短。

4 結語

根據(jù)國內外相關研究，可得出以下主要結論，同時也產生了一些思考：

1)外露型土工膜防滲具有明顯的優(yōu)勢：首先，外露土工膜防滲系統(tǒng)費用低、效果好;其次，可以明顯地提高壩體安全性;最后，簡化施工工序，從而縮短工期以及降低成本。此外，外露型土工膜適用于多種情況，如高寒和高溫地區(qū)、老化水工建筑物的工程修復活動中。

2)外露型土工膜防滲中外露部分的處理是一個難題。我們知道土工膜最忌諱的就是紫外線的直接照射，在水中由于水的作用，土工膜的耐久性可以保證，并且在壩底的部分也便于安裝，但是上部露出部分便是一個問題。如何保證露出部分不受環(huán)境的侵蝕與破壞以及提高露出部分土工膜的耐久性是一個值得思考的問題。

3)我國自主外露型土工膜防滲系統(tǒng)的開發(fā)。眾所周知，外露型土工膜防滲系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，但是我國這方面的技術采用的還不多。該技術目前被一些國外企業(yè)壟斷，如卡皮公司，世界上很多碾壓混凝土重力壩采用的外露型土工膜防滲都是使用該公司的專利。因此，我國開發(fā)自主的技術并加以推廣具有重要的意義。

［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滲施工［J］.浙江水利科技，2009，161(1)：50-52.