浅析坝基与坝体土工膜防渗施工技术

    马春生　焦守永

    摘要:土工膜防渗技术将塑料薄膜引入防渗水利工程中，达到降低工程造价的目的。本文简单介绍了土工膜防渗概况，以及坝基和坝体采用土工膜的防渗机理，并重点对其施工方法进行了分析。

    关键词: 土工膜；防渗机理；施工方法

    1 土工膜防渗概况

    土工薄膜是由高分子聚合物制成的透水性能甚小的材料，渗透系数小于为10-11cm/s。大量工程实践证明，土工膜是一种优质、经济、可靠的土工合成防渗材料，它施工方便迅速，有良好的隔水性、弹性和适应变形的能力，能承受一定的水头压力，有良好的耐老化能力，处于水下、土中的土工膜的耐久性尤为突出。近年来用于平原水库防渗的土工膜，其原材料主要是聚乙烯(PE膜)和聚氯乙烯(PVC膜)两种，其形式一般为单一土工膜或复合土工膜。其中复合膜在工程中较为普遍应用，它是将针刺土工膜与土工膜复合而成的整体性结构(结构型式常为一布一膜或二布一膜等)，具有土工膜平面排水的功能，以排出膜后渗透水及孔隙水，防止膜被水和气顶起而失稳，并加速膜下的软土排水固结，同时又改善了单一土工膜的工程性能，提高了其抗拉、顶破和穿刺强度及摩擦系数，另外，可避免或减少在运输、铺设过程中机械损伤防渗主膜。因此，复合土工膜是一种比较理想的水工防渗材料。

    土工膜作为一种良好的防渗材料，在平原水库中己被广泛地采用，用土工膜防渗，不仅可以减少渗漏，增加粉土及粉细砂坝体及坝基的稳定性，还可减少坝体土方工程量。主要应用以下两个方面:一是水库围坝坝基防渗，用于坝前水平铺膜防渗或垂直铺膜防渗。二是水库围坝坝体防渗，用于防渗斜墙或垂直防渗心墙。

    2 坝基垂直铺膜防渗

    2.1 防渗机理

    垂直铺膜防渗墙是利用专门的开沟造槽机械，在坝基或坝体中顺坝轴线方向形成一条连续的宽18-30cm窄槽，在槽内铺设塑料膜，然后回填松散干净的粉土完成作业，靠塑料薄膜的极低渗透性，形成连续完整的防渗体系，减少渗漏，保证渗流稳定，防止库区周边次生盐化。

    对于坝基透水性上层厚度不大(小于是12米)的情况，采用垂直防渗是经济和有效的，垂直铺膜位于坝体，可与坝体心墙式土工膜结合。垂直铺膜位于上游坝脚，可与坝坡斜墙式土工膜结合，形成封闭式的防渗结构。

    对于深厚的透水层中存在一层埋深不大、透水性较弱的土层，可以将其视为相对不透水层，这时仍可以用上述综合防渗形式，使垂直铺膜嵌入相对不透水层，以形成相对封闭的防渗结构。

    2.2施工方法

    2.2.1 施工设备

    垂直铺膜设备是保证工程施工质量的重要条件，按照垂直铺膜工艺要求，完成该工作需几种设备联合组装成大套。在工程实际施工中，根据地层条件及施工现场环境的不同，目前主要有往复水冲式和链条回转式两种设备。其共同特点是泥浆固壁，开槽与铺膜同步作业。

    (1)往复水冲锯刀式开槽机。靠开槽机劈杆的复位运动，利用水力冲割和刀割土体成槽，通过联动卷帘装置铺膜，适用于粉质壤土，铺膜深度一般不小于10m,槽宽18-30cm，机械动力90-120kw。

    (2)链条回转式开槽机。靠链条循环运动带动刮斗切割土体成槽，泥浆护壁，槽宽22-30cm，通过联动装置卷帘铺膜，最大铺膜深度15m，适用于不含较大块石及树根的各种土层，机械动力120kw。

    2.2.2 施工工艺

    根据坝基或坝体地层结构、各土层的渗透系数，以满足渗透稳定，渗漏量小，防止库区外围土壤盐碱化为基准，主要有悬挂式和封闭式两种防渗体系。

    (1)当坝基相对不透水层埋深较大时，经过做渗流试验稳定分析，可设计成悬挂式塑膜防渗帷幕。否则，采用其他措施相配合，满足了设计要求。

    (2)当相对不透水层埋深浅时，直接设计成封闭式塑膜防渗帷幕，塑膜插入不透水层0.5-0.8m。

    垂直铺膜的施工，主要有连续铺设和单幅铺设两种。两种方法均采用链条开槽机开槽、泥浆固壁、铺膜、回填粘土，所不同的是前者是连续下膜，接缝较少，后者则是采用人工或者简单机械将单幅塑膜置入槽中、回填粘土，然后继续第二个开槽、固壁、置膜、回填循环。

    3坝体土工膜防渗工程

    3.1防渗形式

    如果筑坝土料不满足防渗要求(渗透系数大于10-5厘米/秒)，则需要进行坝体防渗设计。围坝坝体防渗型式主要有心墙式和斜墙式。

    3.1.1 心墙式防渗结构

    土工膜一般置于坝体内部，下接基础垂直防渗。该防渗型式优点为:土工膜用量较省。缺点为:由于施工时要求坝体填筑与土工膜心墙铺设连接同时上升，而且土工膜应做成锯齿形铺设，以适应堤坝的沉陷，施工较复杂，土工膜施工受坝体填筑影响，相互存在干扰。

    3.1.2 斜墙式防渗结构

    是在坝体填筑完成后在上游坡面铺设土工膜。该防渗型式优点为:土工膜施工与坝体填筑互不干扰，土工膜施工速度快，而且具备检修条件。缺点为:土工膜用量较大，上游坝坡专门设置土工膜保护层及相应护坡结构，工程量较心墙式大。适合新建或加固工程。

    3.2铺设位置及其范围确定

    土工膜的铺设部位，对新建工程，可以铺设在围坝中间(即心墙)或临水面(即斜墙)，两种形式各有特点。由于平原水库多为年调节蓄水库，供水保证率高，这就要求上游坝坡满足检修条件，另外，平故里水库一般建在压缩性较高的软土地基上，坝基沉陷量大(据统计，一般为0.8-1.5米)为避免由于坝基沉陷而造成心墙式土工膜的扭曲变形甚至撕裂破坏，新建的平原水库工程大多采用斜墙式防渗型式的结构。斜墙式布置的优点是堤坝填筑完成后才铺膜，施工干扰小，铺膜质量较易保证。

    土工膜在坝面中铺设的范围可从坝基开始，直到坝顶，若坝基采用垂直铺膜或水平铺膜铺盖防渗，则坝坡土工膜应与垂直铺膜或水平铺膜连接，连接方式一般为焊接。土工膜斜墙式坝体防渗另外最大的优点是可以和不同的垂直防渗进行连接，也可以和其它形式的水平铺盖(如塑膜铺盖、粘土铺盖)进行连接，联合形成完整的防渗体系。

    3.3材料选择

    选用单膜还是复合土工膜主要是从复合土工膜的作用和经济两个方面综合考虑来选定。复合土工膜相比单膜具有的优点为:一是可以增加与土料之间的摩擦系数，二是保护土工膜不受运输和施工过程中外力的损害，三是复合土工膜具有反滤排水功能。由于土工膜不可避免地发生缺陷渗漏，可利用膜丫则的土工膜能起到反滤排水作用，从而确保了保护层的稳定。若复合土工膜是铺设在透水性弱的围坝临水面，则膜下的土工膜可以迅速消除库水位骤降时在膜后形成的孔隙水应力，避免土工膜被水应力顶起的危险。一般心墙式垂直防渗大多采用单膜或多层单膜，斜墙式临水面铺设的土工膜大多采用复合土工膜。设计时，可根据铺设位置和经济条件确定。

    3.4 结构型式

    斜墙式防渗体自上而下一般分为:保护层、垫层、土工膜防渗层、反滤排水层、支持层。

    保护层:即面层护坡，其护砌型式和护砌厚度应根据规范规定，按照风浪要素进行设计。垫层:是保护层与土工膜之间的过滤层，应根据所采用的保护层和防渗土工膜种类，按土石坝设计要求进行，一般采用透水性良好的砂砾料或土工膜，若防渗薄膜选用复合土工膜材料，可不必另设垫层。土工膜防渗层:土工膜的厚度很薄，容易遭破坏，为了有效保护和提高其在坡面上的稳定性，及时消除库水位骤降时在膜后形成的孔隙水压力，以避免水压力顶托土工膜，斜墙式临水面铺設的土工膜大多采用复合土工膜(二布一膜)。土工膜除要求有可靠的防渗性能外，还应该能承受一定的施工压应力和使用期间结构物沉降等引起的应力，故也有强度要求，土工膜的强度与其厚度直接有关，可通过理论计算或工程实践经验来确定。反滤排水层:铺在土工膜之下，其作用一是排除积水、积气，确保土工膜的稳定，二是保护土工膜，使其不受支持层的破坏。对于碾压式土石坝，一般采用复合膜，即膜与坝面之间铺设土工布，可以起到排水及保护作用。支持层:土工膜是柔性材料，必须铺设在可靠的支持层上，平原水库一般为碾压式土坝，压实度较大，可不设支持层。坝坡削整平后，直接铺设复合膜。

    参考文献

    [1]岑威钧，复合土工膜防渗土坝坝坡的抗滑稳定性研究，土石坝工程，2002

    [2]沈长松，复合士工膜厚度计算方法研究，河海大学学报，2004.