土工膜防渗设计

土工膜防渗设计土工膜及特性土工膜•土工膜一般分为沥青和聚合物(合成高聚物)两大类，也有采用天然橡胶制作的。为了适应工程应用中不同强度和变形的要求，两类中又有不加筋和加筋或组合之别。土工膜的主要特征是透水性极低。工程应用中更重视其防水(渗透性和透气性)、抗老化的能力及耐久性。同时土工膜有很好的不透水性，和很好的弹性和适应变形的能力，能承受不同的施工条件和工作应力，具有良好的耐老化性能。复合土工膜复合土工膜是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的制品。这类制品将各组合料的特性相组合，以满足工程的特定需要。复合土工膜的品种繁多，是今后一段时期发展的方向。其中复合土工膜是比较常用的一种土工膜合成材料。复合土工膜是将土工膜和土工织物(包括织造和非强造型)复合在一起的产品。应用较多的是针刺土工织物，其单位面积质量一般为200~600g/m2。复合土工膜有许多优点。例如，以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏;以非织造物复合，不仅对膜提供加筋和保护还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。土工膜的工程性质•防渗特性•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，或者只能说是如果沿用达西渗透定律的概念，在水利工程中渗透系数应为K1010cm/s的粘土为不透水土，则可称为不透水的土工织布的渗透系数应为K1014cm/s，这是因为土工织布防渗体的厚度比粘土防渗体的厚度薄的很多，在相同水头差作用下其水力梯度比后者大很多。土工膜的工程性质•所以，对一般的水利工程而言，渗透系数K1013~1015cm/s。质量满足要求的土工织布是可以认为满足不透水要求的。但是，如果用于防有毒液体或气体的渗漏，则应对土工织布的不透水性提出更高的要求。土工膜的工程性质•耐水压性能•作为防渗结构主体的上工织布，在工作时承受着较大的(有时甚至是巨大的)水压力，土工织布可能在支持层颗粒孔隙处被水压压破而击穿。一般来说，颗粒级配愈好，耐水压性能愈强;颗料愈细，耐水压力也愈强。颗粒级配愈好，耐水压性能愈强；颗粒愈细，耐水压力也愈强土工膜的工程性质•土工膜摩擦特性•当在斜坡上铺设土工织布时，土工织布与其他材料(包括土类)之间的摩擦特性，是设计上一个重要的控制指标。土工织布表面较为光滑，它与其他材料之间的摩擦角较土的摩擦角小，很容易沿界面产生滑动。根据一些研究成果，土工织布摩擦特性有以下4个特点①界面上的剪切应力与位移之间为非线性的关系，受所接触土料变形性的影响，在峰值点以前的应力与位移关系基本上符合双曲线关系。②界面的峰值摩擦阻力与正应力呈(通过原点)直线关系，其斜率为tand，d为土工织布与该材料的摩擦角。③摩擦角的大小与膜材料的界面特性有，光面膜与土之间的摩擦系数最小，经常是滑动的薄弱面。④在一般情况下，水下的摩擦角要比干燥时小2~5。在设计时，需要慎重考虑。土工膜土工织物与其他建筑物材料之间的摩擦系数土工膜防渗设计•土工膜防渗层结构•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。防渗面层结构土工膜防渗设计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。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。土工膜防渗坝体结构•砂卵石坝、堆石坝、砌石坝都可以用复合土工膜防渗。•三种主要的结构布置型式上游坡复合土工膜防渗复合土工膜铺盖和上游坡面防渗复合土工膜心墙土工膜防渗坝体结构•上游坡复合土工膜防渗•有两种不同情况，采用两种不同的结构布置:一是坝坡较平缓，复合土工膜靠摩擦力就能稳定，结构布置相当简单。只要整平坝坡面，铺复合土工膜，其表面用块石护坡或顶制混凝土板护坡。土工膜防渗坝体结构•上游坡复合土工膜防渗•一种是坝坡较陡，复合土工膜在斜坡上靠摩擦力不能维持稳定，要增加粘结力才行。这就需要用胶粘剂把复合上工膜胶粘在坝坡的固坡层上。对于不同的坝坡，可以选择不同的固坡层和胶粘剂。更陡的坝坡，可用锚杆将复合土工膜锚入坝体。锚杆穿过复合土工膜处，可用胶粘剂填补密实。堆石坝上游坡用复合土工膜防渗的坝断面和细部图示例。复合土工膜铺盖和上游坡面防渗在水库水位降落时，复合土工膜下面的渗透水向前端和末端排出，需要相当时间才能逐渐排出，所以膜下的水压力消散很慢。而水库水位降落较快。以致膜下的水压力大于膜上的水压力，会使复合土工膜被顶托漂起，尤其是铺盖中部，上托水压力远远大于膜上面的水压力。应该计算在水库水位下降的过程中，铺盖下各点的顶托压力过程。按照铺盖底部与顶部水压力差的最大值计算确定复合土工膜上应该压填砂卵石的厚度。这样算出的砂卵石厚度可能很厚。复合土工膜铺盖和上游坡面防渗•为了减小所填砂卵石厚度，可在复合土工膜某些部位装置逆止阀，当底部水压力大时，逆止阀向上排水。当顶部水压力大时，逆止阀闭合，不会向下漏水。在水库初蓄水时，原来干燥的库床砂砾石孔隙中气体会因水渗入而向上排出，会顶托复合土工膜使之漂浮，所以也需要逆止阀排气。为此，设置逆止阀是必需的。复合土工膜心墙•砂卵石坝、砂坝、堆石坝都可采用复合土工膜心墙防渗，结构简单。复合土工膜深埋坝内，使用寿命长，但不易检修。•心墙复合土工膜呈折线铺设的原因主要是施工方便;并且折线型松弛，更能适应坝体变形，不产生较大拉应变和拉应力。因为较大的拉应变和较高的拉应力会加速土工合成材料老化。围坝坝体防渗型式主要有心墙式和斜墙式心墙式防渗结构•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。•斜墙式防渗结构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。土工膜厚度计算铺在颗粒地层上的土工膜厚度计算一般有下列两种计算方法:1)前苏联经验公式1974年前苏联水工科学研究院在薄膜理论的基础上结合试验，得出计算薄膜应力的经验公式如下:•1987年前苏联出版的《土坝设计》中介绍聚合物膜厚度的计算公式为:•根据水压大小，用理论公式和前苏联经验公式计算出的薄膜厚度一般较薄，但在实际工程中，避免施工破损、水压击穿、地基变形撕裂土工膜等都要求土工膜有一定厚度，除耐水压力击破可用计算方法确定膜厚外，还没有考虑其他因素确定膜厚的方法，实际应用在工程中，需留有较大安全系数。•2)顾淦臣的薄膜理论公式•A、对正方形边界上的膜•B、对长条形缝边界上的膜式中T一单位宽度膜的拉应力(KN/ms)•￡一拉应变(伸长率%)•p一水压力荷载(KPa)•a一正方形膜的边长(m)•b一长条缝的宽度(m)•由上述公式作T-应力应变关系曲线，并作选用土工膜试验所得拉应力应变曲线，求得两曲线交点处的拉应力值，该拉应力与所选土工膜拉断时拉应力的比值(即应力安全系数)是否满足设计要求，一般规定安全系数为5。土工膜的施工•1.土工膜的连缝•焊接焊接方法有电热锲、热熔挤压、高温气焊等，其中电热锲焊接应用较广。土工膜的施工•焊接与焊接相比较，粘接工艺的应用理论研究较少，主要是对实践经验的总结。与焊接工艺相比，粘接工艺比较适合于平地或坡度较缓的施工场地，粘合后的重压易于施加，对于陡坡与直立壁，只能以木锤击打替代重压粘接工艺对环境要求相对严格，工艺环节较为复杂，质量控制与质量检查比焊接工艺难，然而粘接工艺在缺陷修补方面有优势土工膜的施工•土工膜的锚着周边锚着顶部连接土工膜的施工•周边锚着坝脚连接锚固示意图土工膜的施工土工膜的施工•对于水头较高、膜较厚或土工膜锚着附近部位可能发生较大位移的情况，膜与基岩或混凝土连接时，尽可能采用螺栓锚固，并在可能发生较大位移的相反方向留有膜与土体共同变形的余幅土工膜的施工•顶部链接土工膜的施工土工膜的施工