浅谈土工膜在水利水电工程中的应用

　　摘要：本文结合土工膜作用机理的主要应用领域，如应用于土石坝、混凝土坝、垂直防渗墙、渠道与水池及隧洞工程等方面的分析，对工程中设计方面应的考虑问题做出了相应的探讨，并做出了这方面工作的体会。
　　关键词：水利水电工程,土工膜,应用领域,设计,体会
　　1土工膜作用机理的主要应用领域
　　1.1混凝土坝工程
　　土工膜用于老混凝土坝上游坝面修理，也用于新建坝。前者是当老坝上游坝面长期运用，表面腐蚀，透水性增大时，以土工膜贴面起防渗作用；对于新建碾压混凝土坝，土工膜是作上游坝面的好材料。
　　1.2土石坝工程
　　土石坝工程中用土工膜的目的是防止坝体或坝基渗漏，既用于新坝，也用于旧坝修补和加高，包括:(1)用作上游斜墙；(2)双层衬砌，既作斜墙，又做上游铺盖；(3)建于透水地基上的坝，作双层衬砌铺盖，单层膜作斜墙；(4)单层铺盖；(5)铺盖部位下有软弱层或易于破坏的区域，铺盖用单层土工膜，其下以土工格栅或高强、高模量土工织物加筋土体；(6)以土工膜作垂直防渗；(7)贯穿坝体的垂直防渗墙，可用于新建坝或旧坝；(8)折线形防渗墙，在新建坝中随填土施工逐块焊接向上延伸；(9)旧坝加高时用作加高部分坝体的防渗墙；(10)对两种压缩性不同材料的坝体，在两种材料界面处的坝坡上用土工膜防止裂缝渗漏；(11)旧坝漏水，以土工膜作斜墙；(12)用土工膜修补地基漏洞等。
　　1.3渠道与水池
　　利用土工膜作为渠道与水池防渗衬砌的实例很多。有意义的是，美国垦务局曾在正过水的加州Coachella渠道上完成了300m长的土工膜衬砌铺设试验。试验用PVC土工膜厚0.75mm，其上粘有115g/㎡的针制土工织物，混凝士护面板就直接在它上面浇筑。每片土工膜尺寸为61m×17.9m，粘贴剂为四氢化呋喃。施工采用了特制的160t的挖掘平坡机和180t的水下铺设机，它们都配有履带，并安装在跨度为31.4m的横跨渠道的桁架上。
　　1.4垂直防渗墙
　　传统的地基垂直防渗措施是建造混凝土防渗墙。近年来国外有些工程已开始利用以聚合材料制造的称为地锁扳的板材插入地基内以替代连续墙，深度可达到15m或更深。
　　1.5隧洞工程
　　土工膜既用于无压隧洞，又用于有压隧洞。土工膜用于隧洞的作用主要为防渗，为了排除来自围岩裂隙的渗水，往往采用背面粘有针刺土工织物的复合土工膜。
　　2设计方面要考虑的问题
　　2.1土工膜厚度
　　强调土工膜要有一定厚度是基于下列考虑:(1)保证其有足够不透水、不透气性；(2)有抵抗破坏的能力，例如对HDPE膜，擦痕深至全厚的25%，屈服强度可能降低25%，破坏应变甚至减小7%至14%；(3)便于焊接,土工膜要求厚度应根据沉降等原因引起的变形量来计算，但还要考虑施工条件及偶然荷载等因素，通常厚度应不小于0.5mm，而且厚度的不均匀不宜超过±10%。
　　2.2接缝强度
　　一般说来，接缝强度总较土工膜本身的强度为低，尤其是在现场焊接，焊缝质量更难保证，故在焊接后应切样检测，检测方法有二种，即剪切试验与剥离试验，一般要求剪切强度应不低于原材料的80%。
　　2.3沟锚深度要求
　　用土工膜作边坡衬砌，当其向上延伸到坡顶时，通常的作法是在离坡边一定距离L处挖浅沟(深dj)，将膜埋入，并以原地土回填夯实，目的是防止土工膜下图1锚沟深度计算，坡顶土工膜上有时有覆盖土，有时不铺土Z这里要探讨的问题是针对具体条件，确定沟埋深度dr，长度L一般可不大于1m(无覆盖土时可以更短)，可以用简化的极限平衡法大致估算。
　　        
　　                            如图1所示，取安全系数为Fs，按∑FX=0，有
　　(1)
　　式中的T=σyt，其中Ry为土工膜屈服强度，t为其厚度；PA、PP分别为沟内作用于膜的主动、被动土压力；Fu、Fi分别为膜上与膜下的摩擦力；其它符号意义示于图1中,通过验算，一般取dr=1m已相当保守。
　　2.4覆盖土层稳定性
　　土工膜上有覆盖土层时，土体由于重力易于下滑，覆盖土有等厚度与变厚度之分，其稳定性核算易于按极限平衡条件求解。
　　2.4.1等厚度覆盖土层
　　等厚度覆盖土层稳定安全系数Fs按定义为
　　(2)
　　式中的δ为填土与土工膜的摩擦角。
　　2.4.2不等厚度覆盖土层
　　图2(b)为作用于土层的力系，在分析稳定性时可将整个土层分为主动楔和抗力楔，然后按楔体平衡原理核算其安全系数F,具体方法为:(1)由已知土料的内摩擦角φ和δ求取不同安全系数Fs时的相应值φ/Fs和δ/Fs；(2)对主动楔，以土楔重WA、膜面反力FA(与坡面法线呈δ/Fs角)绘制力平衡多边形(令作用于垂直面mn上的反力EA平行于坡面)，可以得到两楔界面上的反力EA；(3)对抗力楔，以其重量WNB来自主
　　
　　
　　图2覆盖土层稳定性核算
　　
　　动楔的EA和楔底反力FNB(作用方向与楔底法线呈φ/Fs角)，同样绘平衡力三角形，但发现，为使该三角形封闭，界面反力尚缺△E(△E=ENB-EA)；(4)针对每一假定的Fs，可按上述步骤求得相应的△E；(5)绘制Fs～△E曲线，则相应于△E=0的Fs即为覆盖土层的抗滑安全系数。
　　2.5边坡的整体稳定性
　　以土工膜作衬砌的边坡也需要校核其整体稳定性。假设滑坡沿圆弧，则可能的滑弧位置如图3中的(Ⅰ)至(Ⅳ)。显然图3中的(Ⅰ)、(Ⅱ)两种情况与土工膜无关，可以直接采用人们熟知的条分法或稳定数法验算；对于(Ⅲ)与(Ⅳ)，如果膜上有覆盖土，膜中会存在拉力，而滑弧如要切断土工膜，将受到拉力抵抗，故在稳定验算中，拉力T将参加到抗滑力矩中，有助于提高稳定性,写成计算式则为
　　(3)
　　式中的T为土工膜中拉力，T=σYt，其中σY为土工膜的屈服强度，t为土工膜厚度；X为拉力T对滑动圆心的力臂，其最大值等于滑动圆弧半径R。
　　                         
　　                                                图3衬砌边坡稳定核算
　　可见这里滑弧上部土工膜为土坡稳定提供了一个抗滑力矩增量TX，而滑弧底部土工膜的拉力则对抗滑无明显作用Z如果采用的是土工膜与土工织物组合材料，则土工织物中的拉力当然也应包括在T值之中。
　　3结论与体会
　　通过以往土工膜的应用实践可知，选用土工膜材料时，除了应使其满足正常荷载下的强度和变形要求的力学性质外，特别要注意以下各种因素:
　　(1)温度，即耐高、低温的能力，温度长期过高，会产生明显蠕变，过低将会使材料变脆，同时难以保证焊缝质量，通常认为应保证土工膜在45℃和-25℃范围内能正常工作；
　　(2)化学抗力，当土工膜与含酸、碱、盐及重金属离子的流体或固体废料长期接触时，可能产生不同程度的化学反应，尤其是对焊缝材料，应通过相应试验来论证膜料的抗力；
　　(3)排气保护，如果土工膜衬砌下土体中或固体废料中会有气体产生，应设法将其排除，为此，最好采用土工膜和针刺土工织物粘贴的组合材料，土工织物具有输气功能，这种材料还兼有保护土工膜和增加其表面摩擦的作用；
　　(4)施工和风力荷载。
　　设计中应考虑使用土工膜的具体条件:
　　(1)对堆石坝，在块石间可能存在较大孔隙，混凝土坝表面虽较平滑，但有施工缝与伸缩缝及碾压混凝土坝的表面一般不光滑，有较大孔隙与缝隙，在高水压力作用下，土工膜可能引起过大变形，宜采用加筋土工膜或上述土工膜与土工织物的组合材料，且应通过相应试验来论证；
　　(2)需要考虑不均匀沉降对土工膜变形的影响；
　　(3)应注意土工膜的表层保护，对于缓坡，可采用薄混疑土板；对于陡坡，可以采用喷浆，同时以土工格栅加筋，对于垂直坡，一般可不要保护；
　　(4)土工膜表面摩擦系数较低，HDPE的效益比(土工膜与砂土摩擦角的正切对砂土本身内摩擦正切的比值)约为0.58，PVC的可达0.88，设计中应验算土工膜在斜坡上的稳定性和膜上覆盖土层的稳定性，最好是采用两面均贴有针刺土工织物的组合土工膜，对于陡坡，土工膜的上端应埋入坡顶沟槽内。