復(fù)合土工膜施工及質(zhì)量控制探析

馬新慧 北京碧鑫水務(wù)有限公司

通過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，在眾多科學(xué)家和工程師的共同努力下，復(fù)合土工膜的施工在河道防滲中形成了一套較為完整的工藝流程，如：施工和安裝復(fù)合土工膜、周邊錨固、連接及接頭質(zhì)量控制。文章針對(duì)國(guó)內(nèi)水利工程中復(fù)合土工膜防滲施工技術(shù)及質(zhì)量控制現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)例，著重介紹一些未解決的問(wèn)題及研究動(dòng)態(tài)。

一、項(xiàng)目背景

南泉水河橋?yàn)樵凭铀侣房缒先又饕獦蛄海O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，但上游均為土質(zhì)基礎(chǔ)，無(wú)防洪措施。為保證南泉水河橋上游防洪安全，對(duì)南泉水河橋進(jìn)行護(hù)砌。

根據(jù)要求，應(yīng)對(duì)南泉水河橋上游30m進(jìn)行護(hù)砌，但南泉水河橋?yàn)樾笨鐦?，因此以河道右岸橋墩為不利點(diǎn)進(jìn)行考慮。護(hù)砌范圍以南泉水河橋右岸橋墩為起點(diǎn)，漿砌石護(hù)砌10m，鉛絲石籠護(hù)砌40m。該工程結(jié)合南泉水河防洪調(diào)蓄工程一并實(shí)施。同時(shí)，為保證南泉水河橋下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全，河底暫不下挖，待以后條件允許在進(jìn)行相應(yīng)施工。

河底由人工進(jìn)行清理，高程控制在±15mm范圍內(nèi)，其后進(jìn)行原基碾壓及砂墊層鋪設(shè)。復(fù)合土工膜鋪設(shè)前將基層整平，基層表面無(wú)尖銳物，復(fù)合土工膜質(zhì)量檢驗(yàn)無(wú)破損、孔眼。采用人工鋪設(shè)，鋪設(shè)時(shí)適當(dāng)放松防滲膜，按規(guī)定順序分區(qū)分塊進(jìn)行。復(fù)合土工膜自然松弛與基層貼實(shí)，無(wú)褶皺、懸空現(xiàn)象。搭接面清除污垢、沙土、積水。施工過(guò)程中禁止穿硬底鞋在復(fù)合土工膜上踩踏，禁止尖銳物直接接觸，導(dǎo)致復(fù)合土工膜破損。河底鋪設(shè)復(fù)合土工膜接縫順?biāo)鞣较驗(yàn)楹附?，垂直水流方向?yàn)榇罱?，上游?fù)合土工膜位于下游復(fù)合土工膜上部，搭接長(zhǎng)度300mm。

二、復(fù)合土工膜的施工技術(shù)研究

為使防滲效果更好，復(fù)合土工膜的防滲結(jié)構(gòu)應(yīng)為5層。由下至上為支持層、下墊層、復(fù)合土工膜、上墊層和保護(hù)層（見(jiàn)圖1）?？蓪?fù)合土工膜兩側(cè)較厚的土工膜作為過(guò)濾層，既保護(hù)了土工膜，又減少了空氣排放，有利于土工膜的穩(wěn)定。對(duì)于河道而言，支持層材料可以是分級(jí)良好的壓實(shí)土層。上、下墊層可作為過(guò)渡，并可采用砂礫材料。保護(hù)層可防風(fēng)化、防腐等，并可由石材填料、石材砌塊或混凝土板組成。

圖1 土工膜防滲結(jié)構(gòu)示意

（一）水利工程中的應(yīng)用

在水利工程中復(fù)合土工膜的主要作用是防滲，包括土石壩、河道、圍堰、防洪堤等。復(fù)合土工膜防滲具有諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)工程以將其應(yīng)用于抽水蓄能電站及渣池滲透區(qū)。抽水蓄能電站上、下庫(kù)水頭差較大，容易造成庫(kù)區(qū)泄漏，尾礦庫(kù)地區(qū)經(jīng)常需要進(jìn)行防滲處理[1]。更有甚者，國(guó)外已經(jīng)成功地將復(fù)合土工膜用于壩體抗鹽堿腐蝕，從而解決了大壩多年來(lái)的腐蝕問(wèn)題。對(duì)于大壩而言，復(fù)合土工膜一般鋪筑于壩體中部及上游，壩體底部及庫(kù)區(qū)上游均鋪筑復(fù)式防滲土工膜。壩面上的復(fù)合土工膜可沿壩體軸向或高程鋪設(shè)。不同鋪設(shè)方向的土工膜適用于不同壩高和長(zhǎng)度。當(dāng)決定鋪設(shè)的具體方向時(shí)，還必須考慮壩坡、土工膜的寬度和盤(pán)管的長(zhǎng)度等因素[2]。

（二）復(fù)合土工膜的連接

因?yàn)橛薪涌p，鋪設(shè)的復(fù)合土工膜沒(méi)有形成防滲裝置，結(jié)合層的質(zhì)量直接影響防滲系統(tǒng)的整體抗拉強(qiáng)度和滲透性，也關(guān)系到工程建成后的運(yùn)行效果。綜合復(fù)合土工膜在河道防滲工程中的應(yīng)用，其接縫連接方式可分為焊接連接方式、硫化連接方式。

1.焊接法

土工膜焊接法是一種廣泛應(yīng)用的復(fù)合連接法，適用于大多數(shù)熱塑性非晶態(tài)復(fù)合土工膜和熱塑性結(jié)晶復(fù)合土工膜[3]。根據(jù)接頭結(jié)構(gòu)的方便程度以及復(fù)合土工膜材料本身的特點(diǎn)，焊縫的形狀包括搭接焊縫（見(jiàn)圖2（a）和圖2（b））。

圖2 接縫形式示意

在這些材料中，搭接焊縫應(yīng)用最廣泛。通過(guò)抽樣和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合抗剪強(qiáng)度只有基材的20%-40%。為解決上述問(wèn)題，專家提出了采用 KS熱熔膠粘結(jié)薄膜、布料、布料和布料的相關(guān)加固方法。測(cè)試結(jié)果表明，加固效果顯著，接頭強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

按加熱方式的不同，有熱楔焊、熱熔擠出焊、高頻熱焊、高溫氣焊等焊接方式。各種焊接方法的基本原理基本相同：接頭處的復(fù)合土工膜是通過(guò)熱源熔化，熔化形成后再施加擠壓。最后將連接的復(fù)合土工膜融合為一體。熱楔焊焊接技術(shù)目前在中國(guó)廣泛應(yīng)用。

需要指出的是，大多數(shù)復(fù)合土工膜采用雙縫焊接，在兩縫之間留出空隙，并按規(guī)定的間距焊接和密封。腔體的作用是促進(jìn)后續(xù)充氣，檢查焊接質(zhì)量。另外，熱楔焊法和上述高溫氣焊法均可進(jìn)行雙縫焊以形成充氣檢查腔。

2.粘接法

與 PVC復(fù)合膜連接相似，除焊接外，還可采用粘接薄膜。連接工藝的應(yīng)用范圍比焊接工藝要小。接合法可以用來(lái)接如PVC 等非晶體的熱塑性復(fù)合土工膜，但一般不能用來(lái)接熱塑性晶體復(fù)合土工膜。然而，對(duì)于由無(wú)定型熱塑性材料（如聚氯乙烯（PVC）、氯化聚乙烯（CPE）和氯磺化聚乙烯（CSPE））制成的復(fù)合土工膜而言，使用粘結(jié)方法進(jìn)行粘結(jié)連接仍有較大的優(yōu)勢(shì)。連接方法包括溶劑法和粘結(jié)法。粘合劑可使復(fù)合土工膜在結(jié)合區(qū)內(nèi)融合成一體，粘合劑可將復(fù)合土工膜粘合成一體。雖然綁定原理不同，但是它們的構(gòu)造方法是相同的。兩個(gè)復(fù)合土工膜表面均涂有溶劑或粘結(jié)劑，用滾筒連接壓緊，也可放置沙袋作進(jìn)一步壓實(shí)。

3.硫化法

在復(fù)合土工膜的連接中，常采用合成橡膠或天然橡膠進(jìn)行硫化處理。其原理是對(duì)接合部位的橡膠復(fù)合土工膜和從接合面插入的橡膠板進(jìn)行硫化處理，使接合牢固（見(jiàn)圖3）。

圖3 硫化法示意

因?yàn)榱蚧磻?yīng)必須在特定的環(huán)境和條件下進(jìn)行，各種連接主要在工廠的硫化室中進(jìn)行。可采用硫化夾具對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)少量接縫進(jìn)行硫化處理。

（三）施工過(guò)程中應(yīng)注意的若干細(xì)節(jié)

軟質(zhì)重物（如沙袋）可用于在覆蓋保護(hù)層之前將土工膜傾斜，以防止土工膜受到強(qiáng)風(fēng)的損害。

三、復(fù)合土工膜的施工質(zhì)量控制

（一）性能指標(biāo)的抽樣檢測(cè)

各種水利工程對(duì)復(fù)合土工膜的要求及相應(yīng)的力學(xué)性能要求各不相同。選擇復(fù)合土工膜時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目和要求，并在復(fù)合土工膜到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)相關(guān)的性能指標(biāo)進(jìn)行抽樣檢測(cè)。

1.抽樣檢測(cè)數(shù)量

具體的試樣量可根據(jù)以下原則確定：如果復(fù)合土工膜卷數(shù)少于50卷，則至少去除2個(gè)卷數(shù)；如果復(fù)合土工膜卷數(shù)少于50卷，則至少去除3個(gè)卷數(shù)。

2.抽樣檢測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明，需對(duì)復(fù)合土工膜的力學(xué)性能得到了充分的了解。密度、彈性模量、斷裂拉伸應(yīng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、滲透性系數(shù)等是需要測(cè)試的主要性能指標(biāo)。測(cè)試指標(biāo)要有代表性、針對(duì)性，能反映復(fù)合土工膜的物理、力學(xué)性能，符合技術(shù)要求和實(shí)際情況。

3.連接試驗(yàn)

為了提高復(fù)合土工膜的連接質(zhì)量和效率，在復(fù)合土工膜正式連接之前，應(yīng)通過(guò)連接試驗(yàn)確定相關(guān)參數(shù)。針對(duì)目前河道防滲工藝中的復(fù)合土工膜多為焊接連接形式，本文主要介紹焊接試驗(yàn)。對(duì)接頭質(zhì)量有影響的主要因素有焊接溫度、焊機(jī)移動(dòng)速度、焊縫重疊寬度。試驗(yàn)采用控制變量法，既可設(shè)定兩個(gè)參數(shù)，又可改變其余參數(shù)。對(duì)試件進(jìn)行焊接后的拉伸試驗(yàn)，比較其力學(xué)性能，確定復(fù)合土工膜制作時(shí)的最佳焊接溫度、焊機(jī)運(yùn)行速度及焊縫重疊寬度。

（二）連接質(zhì)量檢測(cè)

1.無(wú)損檢測(cè)

非破壞檢測(cè)是對(duì)復(fù)合土工膜接頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的一種方法。目前國(guó)內(nèi)廣泛采用的無(wú)損檢測(cè)方法有目測(cè)、充氣、真空罐、電火花、超聲波等。《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T231-1998）規(guī)范中推薦采用充氣方式。

2.有損檢測(cè)

相對(duì)于非破壞試驗(yàn)，破壞試驗(yàn)可用于進(jìn)一步測(cè)試連接強(qiáng)度和評(píng)價(jià)復(fù)合土工膜連接質(zhì)量。目前大多數(shù)破壞性試驗(yàn)方法都參照了國(guó)外的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要有剪切試驗(yàn)（或拉伸試驗(yàn)）試驗(yàn)和縫合試驗(yàn)。

四、土工膜施工技術(shù)與質(zhì)量控制研究趨勢(shì)

（一）消除周邊錨固處“夾具效應(yīng)”

在剛性建筑物如波浪墻、防滲墻、岸坡和巖基等處，常出現(xiàn)土工膜宏觀缺陷。不適當(dāng)?shù)腻^固設(shè)計(jì)將導(dǎo)致“錨固效應(yīng)”。以往，消除錨固效應(yīng)最常用的方法之一是創(chuàng)建伸縮縫。人們認(rèn)為，當(dāng)薄膜被拉伸和變形時(shí)，會(huì)發(fā)生膨脹和收縮，從而節(jié)約能量，補(bǔ)償材料變形，從而消除夾緊效應(yīng)。但通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)這種方法很難實(shí)現(xiàn)。舒張期伸縮縫未開(kāi)啟，但將膜片及膜片壓緊。排除周?chē)^固部位“錨固效應(yīng)”的觀點(diǎn)是明確的，即有效的將幾何變形取代了材料變形。當(dāng)大多數(shù)常用方法都失敗時(shí)，就需要開(kāi)發(fā)一個(gè)新的有效方法。

（二）復(fù)合土工膜連接及檢測(cè)智能化

由于我國(guó)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，復(fù)合土工膜的基材性能已達(dá)到工程要求，而連接件的性能直接影響到其整體性和滲透性。應(yīng)重視土工膜研制過(guò)程中的質(zhì)量控制措施。一般而言，雖然現(xiàn)階段比較成熟的各種連接方式可以滿足工程需要，但連接工作規(guī)模較大，連接效率不高。具體來(lái)說(shuō)，這主要是連接方法，連接過(guò)程需要大量人力。為此，有必要研制一種既能機(jī)械化連接又能實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋的設(shè)備，即能實(shí)現(xiàn)復(fù)合土工膜連接與智能檢測(cè)的設(shè)備。這樣不但可以加快施工速度，還可以檢測(cè)連接質(zhì)量，并提供實(shí)時(shí)反饋，就不需要在下一階段重復(fù)的檢查和維修工作，而有效地完成連接和檢查工作。

五、結(jié)語(yǔ)

復(fù)合土工膜是一種新型的防滲材料，具有優(yōu)良的防滲性能，對(duì)變形的適應(yīng)性強(qiáng)，構(gòu)造方便快捷，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于水利工程。但是，我們也要清醒地看到還有很多問(wèn)題需要解決，例如施工過(guò)程中復(fù)合土工膜的鋪設(shè)、連接，以及在項(xiàng)目完成后運(yùn)營(yíng)方面的維護(hù)也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。在解決上述技術(shù)問(wèn)題的同時(shí)，還需要加深對(duì)復(fù)合土工膜性能的了解，推廣專業(yè)施工技術(shù)團(tuán)隊(duì)的維護(hù)和培訓(xùn)，以及復(fù)合土工膜在水利工程中防滲的應(yīng)用，也是重要任務(wù)之一。