初論土工膜在水庫防滲工程設計中的應用

張曉波

【摘 要】目前我區(qū)多進行小水庫新建工程，土工膜作為土石壩防滲材料，與其他建筑材料防滲相比，具有施工方便、造價低、工期短、不受雨季和冬季影響，節(jié)省工程量等優(yōu)點，本文主要整理現(xiàn)有工程可用資料，列明工程設計所需參數(shù)，闡述土工膜的工程特性、土工膜的防滲設計及一些設計時應注意的一些問題。

【關鍵詞】土工膜；特性；防滲設計

【Abstract】Currently our region more small reservoir of new construction， embankment dam seepage geomembrane material as compared to other building materials impermeable， with construction convenient， low cost， short construction period， the impact is not the rainy season and winter， saving project amount， etc. This paper mainly finishing existing projects available， setting out the required engineering design parameters， elaborated engineering properties of geomembrane， impermeable geomembrane design and some of the design should pay attention to some problems.

【Key words】Geomembrane； properties； seepage design

1. 前言

（1）目前，本區(qū)中小型土石壩六七十年代多采用當?shù)夭牧闲陆ň|(zhì)土石壩、施工質(zhì)量差，密實度不足、壩體現(xiàn)狀單薄，且未設置防滲體，壩基未徹底清理，由于不均勻沉降局部出現(xiàn)剪切縫和缺乏管理維護等原因，現(xiàn)狀多出現(xiàn)出逸比降大，出逸點位置高，壩后積水嚴重，危及壩體安全，需要采取必要的防滲措施，對壩體壩基進行防滲處理。

（2）為節(jié)約投資，現(xiàn)在水庫防滲多采用混凝土防滲、瀝青混凝土防滲，鋼筋混凝土防滲、土工膜防滲、壩前斜墻防滲和其他人工材料防滲等。土工膜及人工復合材料防滲可節(jié)省工程量，施工方便、造價低、工期短、不受降雨和冬季影響，是一種很好的防滲材料，目前土工膜防滲已應用到壩高90余米高度。

2. 土工膜的特性

（1）土工膜是土工合成材料的一種，包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚化聚乙烯等。土工膜具有很好的物理、化學和水力學特性，其滲透系數(shù)一般在10-12～10-18cm/s，高密度聚乙烯薄板的滲透系數(shù)可以小于10-13 cm/s，在土工膜的單側(cè)或兩側(cè)熱合織物的復合材料稱為復合土工膜。復合土工膜既可防止膜在受力時被石塊棱角刺穿，也可替代砂礫石等材料起反濾和排水作用。復合土工膜適應壩體變形能力較強，作為壩體防滲材料，它可設于壩體上游面，也可設在壩體中央充當壩的防滲體。

（2）在連續(xù)均勻的地基上，土工膜均勻受壓時，其厚度可等于或小于土壤平均粒徑的1/5；在中砂墊層上鋪設0.1～0.2mm厚的土工膜，在200～300m水頭作用下，可長期運用。

（3）土工膜就其分子結(jié)構(gòu)和制造工藝來說，應該說是不透水和不透氣的，但是試驗研究和工程實踐證明，由于制造工藝上的種種原因，常用的土工膜不是絕對不透水的，或者只能說是相對不透水的。如果沿用達西滲透定律的概念，在水利工程中認為滲透系數(shù)K<10-10cm/s的粘土為不透水，則可以稱為不透水的土工膜的滲透系數(shù)應為K<10-14cm/s，這是因為土工膜防滲體的厚度比粘土防滲體的厚度薄很多，在相同水頭差作用下其水力梯度比后者大很多。

（4）在于界面土體（或混凝土等其他材料）共同工作時，由于接觸面的不平整，土體顆粒粗糙以及土體局部變形較大等方面的原因，在高水頭作用下土工膜有可能被頂破、撕裂，從而失去或減弱其防滲性能，因而有必要進行相應的防滲漏試驗。

（5）根據(jù)有關對鋪在不同及配的砂卵石支持層上的聚乙烯薄膜試驗擊穿水頭，其成果列于表1，可以看出：顆粒級配愈好，耐水壓性能愈強；顆粒愈細，耐水壓力也愈強；厚度為0.25mm的聚乙烯土工膜在級配較好的砂卵石層上可承受200m水頭。

（6）一般情況下壓力愈大、土粒愈粗，土工膜也愈容易被頂破。試驗表明，同樣的PE膜分別與細砂、中砂和粗砂相接觸，其結(jié)果是：頂破的水壓力分別為0.5MPa、0.4MPa和0.3MPa。當與粗砂接觸，采用兩層PE膜時其頂破水壓力增加到0.6MPa。由此看出，土工膜不宜與較粗的土粒相接觸，必要時應當用復合土工膜，以土工織物保護土工膜不被損害。

（7）當在斜坡上鋪設土工膜時，土工膜與其他材料（包括土類）之間的摩擦特性，是設計上一個很重要的控制指標。土工膜表面較為光滑，它與其他材料之間的摩擦角較土的摩擦角小，很容易沿斜面滑動，土工膜、土工織物、編織袋與其他建筑材料摩擦特性見表2。

3.土工膜的防滲設計

3.1 土工膜防滲層結(jié)構(gòu)包括：上游面防護層、上墊層、防滲土工膜、下墊層和支持層。有時也將下墊層和支持層和合在一起，統(tǒng)稱為支承層，防護層和上墊層又統(tǒng)稱為保護層。如圖1 所示。

3.2 支承層是保證防滲土工膜安全、穩(wěn)定的重要組成結(jié)構(gòu)，在設計時應盡量顆粒較細的材料構(gòu)成下墊層，以確保防滲土工膜不會遭到穿刺或頂破破壞，形成滲漏通道。同時要求支持層與下墊層間必須滿足滲透穩(wěn)定的層間關系，以確保在防滲土工膜破壞時墊層的滲透穩(wěn)定性。

3.3 防滲土工膜層是隔水防滲的主體結(jié)構(gòu)。

3.3.1 保護層起到保護防滲土工膜的作用，由上游防護層（即護坡）和上墊層共同組成，作為土石壩的上游護坡，防止日曬雨淋、壩坡徑流、水庫風浪和人為活動對防滲土工膜的破壞。為保證其穩(wěn)定性，設計時應強調(diào)保護層的透水性，已達到在庫水位下降時（包括風浪作用時水位的下降），保護層內(nèi)的水位達到同步下降，消除反向的滲透壓力對保護層穩(wěn)定性所帶來的不利影響。近年來我一些除險加固工程普遍采用混凝土防浪護坡，因?qū)ζ渫杆砸笳J識不足，甚至將護坡板間縫用止水材料封堵，不允許其排水，易造成護坡失穩(wěn)破壞。同時設排水孔的面板更能防止風浪掏涮引起的壩坡失穩(wěn)。

3.3.2 低水頭水庫土工膜厚度一般取0.5mm，土工織物200g/m2。也可按照經(jīng)驗公式計算：

3.4 土工膜作為防滲斜墻時穩(wěn)定分析采用下式計算：

3.4.1 土工膜防滲土石壩抗滑穩(wěn)定分析除考慮壩體穩(wěn)定外還要考慮土工膜與上面保護層，土工膜與下面墊層的平面抗滑穩(wěn)定性，水庫水位降落時，滯留在膜下的水會反壓土工膜，使土工膜發(fā)生隆起而滑動，因此，土工膜與下游粘土接觸面必須設置排水，土工膜上游面也不能用粘土作為保護層。

3.4.2 土工膜作為壩前防滲斜墻時，可采用直接鋪設和強力膠粘連，前者適用于壩坡平緩的土石壩，采用推土機整平壩上游面，人工鋪設復合土工膜和墊層，最后澆注混凝土護坡，應注意預留復合土工膜光膜邊（10～15cm）澆筑在混凝土阻滑墻內(nèi)。當保護層透水性良好時，其穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計算；

3.4.3 滲流計算時，復合土工膜由于厚度薄，有限元分析時應按當量滲透系數(shù)處理，如薄膜實際厚度0.2mm，即取薄膜厚2m，當量滲透系數(shù)1×10-6cm/s，有限單元法分析結(jié)果表明，水頭為10m的均質(zhì)粉土壩，防滲塑膜可消殺水頭30%，出逸比降減小1/4，滲流量可縮減1/2，因此鋪設防滲土工膜后，改善了滲流情況，提高了蓄水能力。

[文章編號]1619-2737（2015）07-29-005