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【摘 要】目前我区多进行病险水库除险加固工程，土工膜作为土石坝防渗材料，与其他建筑材料防渗相比，具有施工方便、造价低、工期短、不受雨季和冬季影响，节省工程量等优点，本文主要整理现有工程可用资料，列明工程设计所需参数，阐述土工膜的工程特性、土工膜的防渗设计及一些设计时应注意的一些问题。
【关键词】土工膜的特性；土工膜的防渗设计
Reservoir in addition to the insurance reinforce the soil work film in the engineering of application
Bai Sheng-gui
(Water conservancy water in Turpan electricity survey a design an institute for research Tulufan Xinjiang 838000)
【Abstract】Currently my area carry on disease more insurance reservoir in addition to insurance reinforce engineering, the soil work film be a ground dam to defend Shen material, with other building the material defend Shen to compare and have construction convenience, build price low, work period short, be free from raining season and winter influence, economical engineering quantity etc. advantage, this text main sorting the existing engineering can use data, the row clear engineering design the parameter need, elaborate soil work the engineering characteristic, soil work defend of film of the film Shen design and some design hour should attention of some problem.
【Key words】The characteristic of soil work film;The soil work film defend a Shen design
目前，为确保水库安全运行，我区积极投入对病险水库除险加固工程投资。本区中小型土石坝多由于六七十年代就当地材料新建均质土石坝、施工质量差，密实度不足、坝体现状单薄，且未设置防渗体，坝基未彻底清理，由于不均匀沉降局部出现剪切缝和缺乏管理维护等原因，现状多出现出逸比降大，出逸点位置高，坝后积水严重，危及坝体安全，需要采取必要的防渗措施，对坝体坝基进行防渗处理。
为节约投资，除险加固中多采用混凝土防渗、沥青混凝土防渗，钢筋混凝土防渗、土工膜防渗、坝前斜墙防渗和其他人工材料防渗等。土工膜及人工复合材料防渗可节省工程量，施工方便、造价低、工期短、不受降雨和冬季影响，是一种很好的防渗材料，目前土工膜防渗已应用到坝高90余米高度。
1. 土工膜的特性
土工膜是土工合成材料的一种，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、化学和水力学特性，其渗透系数一般在10-12～10-18cm/s,高密度聚乙烯薄板的渗透系数可以小于10-13 cm/s，在土工膜的单侧或两侧热合织物的复合材料称为复合土工膜。复合土工膜既可防止膜在受力时被石块棱角刺穿，也可替代砂砾石等材料起反滤和排水作用。复合土工膜适应坝体变形能力较强，作为坝体防渗材料，它可设于坝体上游面，也可设在坝体中央充当坝的防渗体。
在连续均匀的地基上，土工膜均匀受压时，其厚度可等于或小于土壤平均粒径的1／5；在中砂垫层上铺设0.1～0.2mm厚的土工膜，在200～300m水头作用下，可长期运用。
土工膜就其分子结构和制造工艺来说，应该说是不透水和不透气的，但是试验研究和工程实践证明，由于制造工艺上的种种原因，常用的土工膜不是绝对不透水的，或者只能说是相对不透水的。如果沿用达西渗透定律的概念，在水利工程中认为渗透系数K<10-10cm/s的粘土为不透水，则可以称为不透水的土工膜的渗透系数应为K<10-14cm/s，这是因为土工膜防渗体的厚度比粘土防渗体的厚度薄很多，在相同水头差作用下其水力梯度比后者大很多。
在于界面土体(或混凝土等其他材料)共同工作时，由于接触面的不平整，土体颗粒粗糙以及土体局部变形较大等方面的原因，在高水头作用下土工膜有可能被顶破、撕裂，从而失去或减弱其防渗性能，因而有必要进行相应的防渗漏试验。
根据有关对铺在不同及配的砂卵石支持层上的聚乙烯薄膜试验击穿水头，其成果列于表1，可以看出：颗粒级配愈好，耐水压性能愈强；颗粒愈细，耐水压力也愈强;厚度为0.25mm的聚乙烯土工膜在级配较好的砂卵石层上可承受200m水头。(见表1)
一般情况下压力愈大、土粒愈粗，土工膜也愈容易被顶破。试验表明，同样的PE膜分别与细砂、中砂和粗砂相接触，其结果是：顶破的水压力分别为0.5MPa、0.4MPa和0.3MPa。当与粗砂接触，采用两层PE膜时其顶破水压力增加到0.6MPa。由此看出，土工膜不宜与较粗的土粒相接触，必要时应当用复合土工膜，以土工织物保护土工膜不被损害。
当在斜坡上铺设土工膜时，土工膜与其他材料(包括土类)之间的摩擦特性，是设计上一个很重要的控制指标。土工膜表面较为光滑，它与其他材料之间的摩擦角较土的摩擦角小，很容易沿斜面滑动，土工膜、土工织物、编织袋与其他建筑材料摩擦特性见表2：
2. 土工膜的防渗设计
土工膜防渗层结构包括：上游面防护层、上垫层、防渗土工膜、下垫层和支持层。有时也将下垫层和支持层和合在一起，统称为支承层，防护层和上垫层又统称为保护层。如图1所示。
支承层是保证防渗土工膜安全、稳定的重要组成结构，在设计时应尽量颗粒较细的材料构成下垫层，以确保防渗土工膜不会遭到穿刺或顶破破坏，形成渗漏通道。同时要求支持层与下垫层间必须满足渗透稳定的层间关系，以确保在防渗土工膜破坏时垫层的渗透稳定性。
防渗土工膜层是隔水防渗的主体结构。
保护层起到保护防渗土工膜的作用，由上游防护层（即护坡）和上垫层共同组成，作为土石坝的上游护坡，防止日晒雨淋、坝坡径流、水库风浪和人为活动对防渗土工膜的破坏。为保证其稳定性，设计时应强调保护层的透水性，已达到在库水位下降时（包括风浪作用时水位的下降），保护层内的水位达到同步下降，消除反向的渗透压力对保护层稳定性所带来的不利影响。近年来我一些除险加固工程普遍采用混凝土防浪护坡，因对其透水性要求认识不足，甚至将护坡板间缝用止水材料封堵，不允许其排水，易造成护坡失稳破坏。同时设排水孔的面板更能防止风浪掏涮引起的坝坡失稳。
低水头水库土工膜厚度一般取0.5mm，土工织物200g/m2。也可按照经验公式计算：
δ=pd1.03(σ/0.034)3E（d＜22mm ）
δ=pd0.32(σ/0.154)3E（22mm＜ d＜100mm）
式中：σ——防渗土工膜允许拉应力，Kg/cm2
E——在设计温度下防渗土工膜的弹性模量， Kg/cm2
p——防渗土工膜承受的水压力， t/m2
d——与防渗土工膜相接触的支撑材料的最大粒径，mm
δ——防渗土工膜厚度， mm。
土工膜作为防渗斜墙时稳定分析采用下式计算：
土工膜防渗土石坝抗滑稳定分析除考虑坝体稳定外还要考虑土工膜与上面保护层，土工膜与下面垫层的平面抗滑稳定性，水库水位降落时，滞留在膜下的水会反压土工膜，使土工膜发生隆起而滑动，因此，土工膜与下游粘土接触面必须设置排水，土工膜上游面也不能用粘土作为保护层。
土工膜作为坝前防渗斜墙时，可采用直接铺设和强力胶粘连，前者适用于坝坡平缓的土石坝，采用推土机整平坝上游面，人工铺设复合土工膜和垫层，最后浇注混凝土护坡，应注意预留复合土工膜光膜边（10~15cm）浇筑在混凝土阻滑墙内。当保护层透水性良好时，其稳定安全系数可按下式计算；
Fs=tgδ tgα （1）
式中： δ——上垫层与防渗土工膜之间的摩擦角
α——防渗土工膜的坡角。
渗流计算时，复合土工膜由于厚度薄，有限元分析时应按当量渗透系数处理，如薄膜实际厚度0.2mm，即取薄膜厚2m，当量渗透系数1×10-6cm/s,有限单元法分析结果表明，水头为10m的均质粉土坝，防渗塑膜可消杀水头30%，出逸比降减小1/4,渗流量可缩减1/2,因此铺设防渗土工膜后，改善了渗流情况，提高了蓄水能力。
【关键词】土工膜的特性；土工膜的防渗设计
Reservoir in addition to the insurance reinforce the soil work film in the engineering of application
Bai Sheng-gui
(Water conservancy water in Turpan electricity survey a design an institute for research Tulufan Xinjiang 838000)
【Abstract】Currently my area carry on disease more insurance reservoir in addition to insurance reinforce engineering, the soil work film be a ground dam to defend Shen material, with other building the material defend Shen to compare and have construction convenience, build price low, work period short, be free from raining season and winter influence, economical engineering quantity etc. advantage, this text main sorting the existing engineering can use data, the row clear engineering design the parameter need, elaborate soil work the engineering characteristic, soil work defend of film of the film Shen design and some design hour should attention of some problem.
【Key words】The characteristic of soil work film;The soil work film defend a Shen design
目前，为确保水库安全运行，我区积极投入对病险水库除险加固工程投资。本区中小型土石坝多由于六七十年代就当地材料新建均质土石坝、施工质量差，密实度不足、坝体现状单薄，且未设置防渗体，坝基未彻底清理，由于不均匀沉降局部出现剪切缝和缺乏管理维护等原因，现状多出现出逸比降大，出逸点位置高，坝后积水严重，危及坝体安全，需要采取必要的防渗措施，对坝体坝基进行防渗处理。
为节约投资，除险加固中多采用混凝土防渗、沥青混凝土防渗，钢筋混凝土防渗、土工膜防渗、坝前斜墙防渗和其他人工材料防渗等。土工膜及人工复合材料防渗可节省工程量，施工方便、造价低、工期短、不受降雨和冬季影响，是一种很好的防渗材料，目前土工膜防渗已应用到坝高90余米高度。
1. 土工膜的特性
土工膜是土工合成材料的一种，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、化学和水力学特性，其渗透系数一般在10-12～10-18cm/s,高密度聚乙烯薄板的渗透系数可以小于10-13 cm/s，在土工膜的单侧或两侧热合织物的复合材料称为复合土工膜。复合土工膜既可防止膜在受力时被石块棱角刺穿，也可替代砂砾石等材料起反滤和排水作用。复合土工膜适应坝体变形能力较强，作为坝体防渗材料，它可设于坝体上游面，也可设在坝体中央充当坝的防渗体。
在连续均匀的地基上，土工膜均匀受压时，其厚度可等于或小于土壤平均粒径的1／5；在中砂垫层上铺设0.1～0.2mm厚的土工膜，在200～300m水头作用下，可长期运用。
土工膜就其分子结构和制造工艺来说，应该说是不透水和不透气的，但是试验研究和工程实践证明，由于制造工艺上的种种原因，常用的土工膜不是绝对不透水的，或者只能说是相对不透水的。如果沿用达西渗透定律的概念，在水利工程中认为渗透系数K<10-10cm/s的粘土为不透水，则可以称为不透水的土工膜的渗透系数应为K<10-14cm/s，这是因为土工膜防渗体的厚度比粘土防渗体的厚度薄很多，在相同水头差作用下其水力梯度比后者大很多。
在于界面土体(或混凝土等其他材料)共同工作时，由于接触面的不平整，土体颗粒粗糙以及土体局部变形较大等方面的原因，在高水头作用下土工膜有可能被顶破、撕裂，从而失去或减弱其防渗性能，因而有必要进行相应的防渗漏试验。
根据有关对铺在不同及配的砂卵石支持层上的聚乙烯薄膜试验击穿水头，其成果列于表1，可以看出：颗粒级配愈好，耐水压性能愈强；颗粒愈细，耐水压力也愈强;厚度为0.25mm的聚乙烯土工膜在级配较好的砂卵石层上可承受200m水头。(见表1)
一般情况下压力愈大、土粒愈粗，土工膜也愈容易被顶破。试验表明，同样的PE膜分别与细砂、中砂和粗砂相接触，其结果是：顶破的水压力分别为0.5MPa、0.4MPa和0.3MPa。当与粗砂接触，采用两层PE膜时其顶破水压力增加到0.6MPa。由此看出，土工膜不宜与较粗的土粒相接触，必要时应当用复合土工膜，以土工织物保护土工膜不被损害。
当在斜坡上铺设土工膜时，土工膜与其他材料(包括土类)之间的摩擦特性，是设计上一个很重要的控制指标。土工膜表面较为光滑，它与其他材料之间的摩擦角较土的摩擦角小，很容易沿斜面滑动，土工膜、土工织物、编织袋与其他建筑材料摩擦特性见表2：
2. 土工膜的防渗设计
土工膜防渗层结构包括：上游面防护层、上垫层、防渗土工膜、下垫层和支持层。有时也将下垫层和支持层和合在一起，统称为支承层，防护层和上垫层又统称为保护层。如图1所示。
支承层是保证防渗土工膜安全、稳定的重要组成结构，在设计时应尽量颗粒较细的材料构成下垫层，以确保防渗土工膜不会遭到穿刺或顶破破坏，形成渗漏通道。同时要求支持层与下垫层间必须满足渗透稳定的层间关系，以确保在防渗土工膜破坏时垫层的渗透稳定性。
防渗土工膜层是隔水防渗的主体结构。
保护层起到保护防渗土工膜的作用，由上游防护层（即护坡）和上垫层共同组成，作为土石坝的上游护坡，防止日晒雨淋、坝坡径流、水库风浪和人为活动对防渗土工膜的破坏。为保证其稳定性，设计时应强调保护层的透水性，已达到在库水位下降时（包括风浪作用时水位的下降），保护层内的水位达到同步下降，消除反向的渗透压力对保护层稳定性所带来的不利影响。近年来我一些除险加固工程普遍采用混凝土防浪护坡，因对其透水性要求认识不足，甚至将护坡板间缝用止水材料封堵，不允许其排水，易造成护坡失稳破坏。同时设排水孔的面板更能防止风浪掏涮引起的坝坡失稳。
低水头水库土工膜厚度一般取0.5mm，土工织物200g/m2。也可按照经验公式计算：
δ=pd1.03(σ/0.034)3E（d＜22mm ）
δ=pd0.32(σ/0.154)3E（22mm＜ d＜100mm）
式中：σ——防渗土工膜允许拉应力，Kg/cm2
E——在设计温度下防渗土工膜的弹性模量， Kg/cm2
p——防渗土工膜承受的水压力， t/m2
d——与防渗土工膜相接触的支撑材料的最大粒径，mm
δ——防渗土工膜厚度， mm。
土工膜作为防渗斜墙时稳定分析采用下式计算：
土工膜防渗土石坝抗滑稳定分析除考虑坝体稳定外还要考虑土工膜与上面保护层，土工膜与下面垫层的平面抗滑稳定性，水库水位降落时，滞留在膜下的水会反压土工膜，使土工膜发生隆起而滑动，因此，土工膜与下游粘土接触面必须设置排水，土工膜上游面也不能用粘土作为保护层。
土工膜作为坝前防渗斜墙时，可采用直接铺设和强力胶粘连，前者适用于坝坡平缓的土石坝，采用推土机整平坝上游面，人工铺设复合土工膜和垫层，最后浇注混凝土护坡，应注意预留复合土工膜光膜边（10~15cm）浇筑在混凝土阻滑墙内。当保护层透水性良好时，其稳定安全系数可按下式计算；
Fs=tgδ tgα （1）
式中： δ——上垫层与防渗土工膜之间的摩擦角
α——防渗土工膜的坡角。
渗流计算时，复合土工膜由于厚度薄，有限元分析时应按当量渗透系数处理，如薄膜实际厚度0.2mm，即取薄膜厚2m，当量渗透系数1×10-6cm/s,有限单元法分析结果表明，水头为10m的均质粉土坝，防渗塑膜可消杀水头30%，出逸比降减小1/4,渗流量可缩减1/2,因此铺设防渗土工膜后，改善了渗流情况，提高了蓄水能力。