土工材料在河堤防护工程中的应用
四川仲达工程材料有限公司 - 2012-03-25 - 行业动态(四川仲达工程材料有限公司www.sczd99.com,专业提供 边坡防护网,主动网,被动网,环形网,石笼网,格宾网,生态袋,公路护栏,缆索护栏,别墅围网工程,边坡工程,边坡绿化,河堤治理)
第一节 防渗、排渗和加固在堤防中的应用
一般来说，在堤防的主体和附属工程中，土工合成材料都有着能发挥第二章所提及的各种主要功能的场合。鉴于堤防的渗透控制原则仍是“上堵下排”，因此本节着重于土工合成材料的防渗、反滤和排水三个方面功能的应用，同时也叙及加筋加固功能。
一、堤防防渗
(一) 国内外应用情况
土工膜作为一种良好的防渗材料，目前在坝工中，特别是土石坝中已被广泛地采用，在混凝土坝或碾压式混凝土坝的修补中，作为防渗护面也逐渐增多，其使用量约为土工织物使用量的11％左右。然而在我国的堤防建设中，它的应用则刚刚才开始，如作为垂直防渗墙的墙体材料等，但可以预计，它在今后新建的堤防和已有堤防的加固中将会广泛地被使用。为了说明堤防防渗问题，借鉴一些坝工中的应用实例，或许是有益的。表3-1(见参考文献[3])和表3-2中分别给出了国内外坝工中采用土工膜防渗的工程情况。从中可以看出一些特点：①土工膜在坝工中的应用，从地域上看已很广泛，国内外已经普遍接受了这种新型的防渗材料和技术。许多工程实录都表明它的防渗效果良好、经济、施工方便，有推广使用价值。②国内在坝工中使用土工膜防渗虽然较晚(1978年开始，比国外晚19年)，但从土工膜承受20m以上水头的实例所占的百分数来看，已与国外相当，且国内也有土工膜承受超过50m水头的实例。这些都说明国内在坝工中使用土工膜的技术水平已逐渐接近国际先进水平。③关于土工膜的厚度目前有两种观点：一种主张用厚膜(膜厚＞1.0mm)，以欧洲国家为多；另一种观点是使用薄膜(膜厚＜1.0mm)，以美洲国家和我国的实例较多，这些坝的使用情况至今仍然良好，因而值得很好地总结经验。根据上述情况以及目前SL/T225―98和GB50290―98《土工合成材料应用技术规范》中所列入的土工膜在坝工中的防渗使用规定，都表明土工膜防渗技术在我国坝工中的应用已经渐趋成熟。这将为这项新技术和新材料在堤防中的推广应用提供良好的范例。
(二) 设计和施工中的几个问题
l.土工膜在堤防中铺设的范围和部位
土工膜在土堤中铺设的范围可从堤基开始，直到堤顶。土堤迎水面若设置铺盖，则铺盖长度应按渗流计算确定，或大于等于5倍水头。土工膜材料目前的挡水水头已达30～40m，因此可以完全满足一般江河堤防的要求。
| 注：PVC为聚氯乙烯，LDPE为低密度聚乙烯，HDPE为高密度聚乙烯，CSPE为氯磺化聚乙烯，RI为异丁橡胶，PUR为聚氨脂。
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| 土工膜的铺设部位，对新建的土堤，可以铺在堤的中间（即心墙）或迎水面（即斜墙），两种形式各有特点。心墙布置方式比较省料，但施工时要求堤身填筑与土工膜心墙同时上升，而且土工膜应做成锯齿形铺设（图3-1），以适应堤身的沉陷，因此施工比较复杂。斜墙式布置的优点是堤身填筑完成后才铺膜，施工干扰小，铺膜质量较易保证。因此，国内外新建的堤防工程中大都采用斜墙形式的结构。但对于已建堤防的修补和加固工程，由于迎水面有水，为避免水下施工，故采用堤内开槽铺膜方法施工，筑成心墙。当然，若迎水面无水，则用斜墙形式更为方便。
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2.土工膜防渗结构形式
在土工膜与堤身或堤基接触处应加一定的垫层(过渡层)或反滤层，尤其对于膜与粗粒料直接接触的情况，应防止粗粒的尖角刺破土工膜，影响其防渗性能。若防渗膜选用复合土工膜材料(膜的侧面为非织造织物)，则反滤层可以简化。对于已有的堤防加固的情况，由于铺反滤层较困难，可以直接选用复有较厚的非织造土工织物的复合土工膜作为反滤层，以便利施工。但应强调指出，不管什么情况下，反滤层是必不可少的。还应指出，心墙式与斜墙式的选用还与堤基地层结构及其渗透性有关。关于堤基的地层结构，一般可分为单层结构、双层结构和多层结构三种。单层结构是指从地表往下至基岩基本上是同一类土，粘性土的单层结构均质地层不会发生渗透变形，而均质的砂性土单层结构在靠近背水坡的地面易发生渗透变形，远离堤段的地方则是安全的，这种地层在大江大河上比较少见。双层结构(常称二元结构)是指地层大致由两种土层组成，上层透水性较弱，其下为较厚的透水性较强的土层，当地层受深泓切割直接与江水连通时，往往是最容易出现渗透失稳状态的。这种“二元结构”在长江、黄河等大江大河上比较常见，是一种在我国颇具代表性的堤基地层结构。多层结构往往是弱、较强、弱、较强、强透水层的组合，即在深度上有弱透水层与透水地层相间，而深部则往往是砂卵石等强透水层，这种地层也比较常见。对于不同的地层形式，在堤防防渗措施上有明显的不同特点。①对于堤基透水性土层厚度不大(10m左右)的情况，采用心墙防渗是有效和可靠的，因为土工膜心墙可以从堤身穿过透水地层直接与不透水土层相连，形成封闭式的防渗结构，保证背水坡不发生渗透破坏。②对于透水性土层比较深厚的地基，心墙达不到不透水土层，故只能形成“悬挂式”的防渗结构。然而研究和经验已经表明，这种“悬挂式”防渗体系的防渗效果不佳，因此不宜采用。例如长江科学院对湖北荆江大堤的垂直防渗深度分析表明，对于“二元结构”，上层透水性弱，下层透水性强的情况，防渗墙进入地层的深度h1小于0.8倍的地层总厚度(h2)时，堤后最大出逸比降J垂仅降低0.02～0.3， J水平降低0.01～0.05，相当于削减渗透水头10％～20％(荆南长江干堤加固工程可行性研究阶段渗流控制措施专题研究报告。长江委长江科学院，1998：12.)，如图3-2。这时就应采用土工膜斜墙加铺盖或者其他专门研究的防渗结构了。③近年，在堤防建设中还遇到渗透性各异的另一种多层地基结构的情况，其特点是在深厚的透水层中存在一层相对不透水的土层，埋深也不大，这时仍可以用心墙的形式，使其达到相对不透水土层，以形成“半封闭”的防渗结构(图3-3)。在采用心墙式的防渗结构时，还有一个实际问题，要注意水环境的变化，以及非汛期地下水位的升高。
3.土工膜的选择
土工膜的选择涉及两个问题，一是选择何种原材料的土工膜，二是选用何种形式的土工膜（单膜或复合膜）。
(1)国内外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）两种。工程选料时，主要根据以下几个方面来选定合适的土工膜：①力学特性，上述两种材料制成的土工膜的拉伸强度相差不大。由于土工膜只用于防渗而不作为加筋材料使用，故其拉伸强度不是选材的重要指标。但从另一方面来说， PVC膜因添加有塑化剂，使得其伸长率比PE膜的大一些，柔性较好，与砂粒接触时可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，从而增加二者之间的摩擦系数。因此，PVC膜与砂之间的摩擦系数明显大于PE膜与砂之间的摩擦系数，摩擦角平均至少大50～60。这是一个关键性的指标，会影响到膜与土体接触面以及膜与其上保护层之间的滑动稳定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三种：一是采用复合膜，因复合膜外层的土工织物与土料的摩擦系数较大，接近于PVC膜与土料的摩擦系数。二是对PE膜采用加糙措施，例如在土工膜的光滑表面上压纹或喷涂加糙材料。三是改变水工建筑物的结构，如调整坝坡，加防滑槽或防滑槛等。另外，当PE膜的厚度从0.12mm增加到0.24mm时，其与粗砂的摩擦系数可以增加30％。②可连接性。土工膜无论出厂时幅有多宽，在实际使用时仍需将其幅与幅之间连接起来，以成为一个整体的防渗膜体。一般PE膜只能用加热熔合的方式连接，而PVC膜除此之外，还可以采用特殊的粘合剂进行粘接。薄型土工膜由于不能用热焊方法连接而必须用粘接法连接，因此只能选用PVC膜。③经济性。目前两种材料的价格大体相当，一般均在10000元/t左右，而PE的比重小于PVC的比重，所以同样厚度的情况下每单位面积的价格PE膜要少一些。另外PVC膜出厂时的幅宽一般为1.5～ 2.0m， PE膜幅宽可达4～4.5M，相应地PE膜的接缝数量就比PVC膜的要少，因而搭接的用量就少一些，现场接缝的工作量也少一些。综合这三个方面的优缺点，再结合工程实际情况，可以对膜材作出合理的选择。
(2)选用单膜还是复合膜主要是从复合膜的作用和经济性两个方面综合考虑来选定。复合膜的一个作用已如上述，可以增加与土料之间的摩擦系数，第二个作用是保护士工膜不受运输和施工过程中外力的损害。复合膜的力学性能比单一膜有很大提高，其破坏应变虽不如单膜的大，但仍远大于土体的破坏应变，因而有较强的适应各种情况的能力，例如重物冲击，临时性的局部荷载等等。据长江科学院为三峡工程所做的研究表明，复合土工膜的强度和防渗性能要优于单一膜和土工织物两者简单叠加的性能，其优良的程度与膜和织物之间复合的紧密程度密切相关，因此复合膜的设计不能简单地参照膜和织物各别的性能指标直接套用。第三个作用是复合土工膜具有反滤排水功能。由于土工膜不可避免地总会有一些缺陷，如生产过程造成的不均匀性，或施工中机械刺破形成的漏洞等等，此时膜一侧的土工织物能够起到反滤排水作用，从而维护了保护层的稳定。如复合土工膜是铺在透水性不强的坝体表层，则膜下的土工织物可以迅速消除库水位骤降时在膜后形成的水位差，避免土工膜被水压力顶起的危险。要达到这种排水作用的必要条件是土工织物要与坝后的排水通道相连接。
我国的堤坝建设在1993年以前大多采用单膜或多层单膜，这和当时复合膜尚处在研制阶段，未大规模生产有关。1994年后大多数工程都采用了复合土工膜。但从已往采用单膜的土石坝防渗效果，以及SL/T225―98规范中对土工膜类型的规定上看，单膜对低水头的小型水库防渗效果良好，仍然是一种具有竞争力的膜材。当然，在有条件的情况下复合膜有着更为优越的工程特性，但工程造价也会相应地有所增加。
4.土工膜的防渗性、厚度和缺陷的渗流分析
(1) 从表面上看土工膜是一片密不透水的材料，但实际上在压力作用下膜的孔隙大小可以变化，仍能够透水，只不过其渗透系数很小而已。一般来说渗透系数取为1×10-12cm/s是稳妥的。这个数值较之粘土要小得多，这就是为什么土工膜用作防渗材料的原因。实际工程中更关心的是土工膜与土层接触时能承受多大的水头。当土工膜与粗粒土相接触时，由于土粒之间的孔隙较大，土工膜在上覆水压力作用下被迫向土孔隙中陷进，因而产生拉伸应变、承受拉应力。如拉应力过大，土工膜被拉裂，则会产生漏水点，影响其防渗性能。
(2) 土工膜能承受多大的水头取决于土工膜的力学性能(极限拉伸强度，拉伸模量)、厚度和垫层土(如土粒大小和级配)的情况。确定土工膜的防渗性有两类办法，一类是直接法，即将拟用的土工膜在试验仪器中铺在实际使用的垫层土料上，然后施加水压力，直到土工膜破裂或施加的水压力超过工程最大水压力一个安全倍数而不破裂为止。这类方法最为可靠，但工作量大，一般重要的工程才采用。对低水头的堤防工程似无必要。另一类是间接法。这类方法有两种途径，一是通过公式计算；二是按规范规定的数值取用，对于堤防工程适用此法。现行规范要求土工膜的厚度不小于0.5mm，但目前国内土工膜产品的厚度一般均小于0.5mm。因此在选料时，经过论证，对于较小的工程也可选用厚度为0.3mm左右的土工膜，但要特别注意
| 当进行土工膜的定量渗流分析时，可以把渗透系数很小(Km＝l×10-2cm/s)，厚度很薄(1mm)的土工膜，换算为1m厚的渗透系数Ks为l×10-9cm/s的粘土层进行计算；同时考虑到土工膜中不可避免的缺陷，再将其渗透系数加大100倍，亦即按Ks＝10-7cm/s的lm厚的不透水材料进行渗流量和水头分布的数值计算，可以得到近似值。 5.斜墙式土工膜的稳定性 斜墙式土工膜的失稳情况除第二章中列举的两种以外，还可能有以下两种，即土工膜上的表面保护层被水压力顶起失稳和土工膜受其下水压力的作用而被拉断或被顶起失稳。 (1) 第一种失稳情况主要和保护层的渗透性有关。当保护层是透水的，且其坡角与土工膜铺设垫层的坡角相同时，一般都利用通常的斜坡稳定分析法(见第二章)。但若保护层透水性不良(如现浇混凝土板等)，库水位下降时，容易在保护层上下形成水位差．到一定程度后，就可能造成面板的抬动而失稳。此时的关键问题在于如何使保护层下的透水垫层与底部排水通道连通，以迅速消散保护层下的滞留水。如王甫洲工程(图3-5)，其现浇混凝土面板下的透水垫层下部有排水通道，当库水位变化时，透水层中的水位也随之变化，水位差有限，故不会影响到膜上保护层的稳定性。据估算，1m水头就足以把250mm的混凝土板推动上抬，造成失稳。解决问题的关键是采取措施令透水层的水位基本上与库水位同步下降。
(2) 第二种失稳情况的安全系数一般要大一些，因为土工膜在堤顶都要锚固在锚固沟内并有一定的压重，如果土工膜要滑动就会产生一个抗滑动的锚固力，这个力是不出现在计算中的，因此成为一个隐含的安全储备。一些工程实践中将土工膜在堤坝顶折叠一定的长度，其用意是给土工膜一个可以伸延的变形余度，以便适应堤坝的变形。但实际上，由于土工膜拉断时的破坏应变比土的破坏应变大得多，只要土体不产生破坏，土体中的土工膜不至于形成过大的位移而拉断。但若堤坝的结构比较特殊，如内有刚性的混凝土或钢的结构物，则要注意其与土工膜接触处膜的破裂可能性；在混凝土防渗墙上接土工膜的防渗体系中要特别注意两者连接处的安全，防止土体、刚性墙和土工膜三者之间因变形不协调引起的土工膜被拉断。另一方面，由于无论新建或加固的堤坝表面土工膜下面的透水下垫层一般不设排向下游的渗流出路，因此在库水位下降时膜下的水压力要大于膜上的水压力，这个压差足够大时既可以把土工膜顶起，同时也削弱了膜与下垫层之间的有效正应力，从而减少其抗滑摩擦力，有可能导致膜沿下垫层滑动。当然在一般情况下，外水位的下降并不是很快，而膜又不是密不透水的，未能形成较大的压差，故目前还未见这种失稳的报导，但这个问题还是应当在设计中考虑的。
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