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堤防工程土工合成材料应用技术

目录

第三章 堤防系统的防渗、排渗和加固
第一节 防渗、排渗和加固在堤防中的应用
第二节 防渗、排渗和加固在水闸工程中的应用

　在前两章中已对土工合成材料的性质、功能、作用机理、使用原理和设计原则等作了全面的介绍，本章将对堤防系统中土工合成材料的设计和施工方面的一些问题作进一步叙述和讨论。这里所谓的“堤防系统”是指土堤和堤线上的涵闸(如破堤建闸等)及其相连的过水渠道，内容包括江河堤防的防渗和排渗、水闸的排渗和闸基的加固以及海堤的地基加固等。为了使读者易于理解有关原理，本章将列举一些应用实例。这些实例都是一些成功的工程实录，其中一些是早期应用的报导。按目前我国的应用水平来看，所报导的内容还有可以改进和提高的地方，因此当学习这些经验时，应结合工程实际情况和现有发展水平因地制宜地使用。

此外，应当说明，土工合成材料在上述的某些方面目前应用尚不普遍，如堤的防渗等，为此本章将引用一些类似的在低土坝中的应用实例作为参考，以期促进土工合成材料在堤防中应用。

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。

表3-1

国外坝工中使用土工膜的情况一览表

序号

工程名称

所在国家

开始使
用年度
（年）

坝科

最大挡水
水头或坝高
（m)

土工膜
材   料

土工膜厚度
（mm）
1 Sabetta 意大利 1959

　

33

 RI 2.0
2 Dobsina 斯洛文
尼亚		 1960 石料 10 PVC 0.9
3 Terzaghi 加拿大 1962 土料 55 PVC 0.76
4 Llano 哥斯达
利加		 1963 　 　 PVC 0.5
5 Toktogul围堰 吉尔吉斯斯坦 1964 土料 6 PE 0.2/0.4/0.6
6 Decoto 美国 1966 土料 10 RI 0.24
7 Miel 法国 1967 土料 15 RI 1.0
8 Rinconada 美国 1968 土料 12 RI 0.32
9 Kualapuu 美国 1969 土料 18 RI 0.8
10 Atbashinsk 吉尔吉斯斯坦 1970 土料 46.5 PE 0.6
11 Neris 法国 1970 石料 18 RI 1.5
12 Obecnice 捷克 1971 　 　 PVC 　
13 Zolina 西班牙 1972 土料 14 PUR 1.1
14 Altenwoerth围堰 奥地利 1973 砂粒料 10 PVC 0.6
15 Landsteju 捷克 1973 石料 27 PVC 1.1
16 Nurek围堰 独联体 1973 砂粒石 45 LDPE 0.6
17 Pond De Claix 法国 1973 土料 12 RI 2.0
18 Odiel 西班牙 1974 砂砾石 27 PE/PVC 1.5
19 AbwindenA围堰 奥地利 1975 石料 6 PVC 0.5
20 La Coche 法国 1975 石料 33 PVC 1.0
21 Herbes Blanches 法国 1975 土料 14 RI 1.0
22 Sugarloaf围堰 澳大利亚 1976 　 19 CSPE 　
23 Tvrdosin 斯洛文
尼亚		 1976

　

 　 PVC 　
24 Cotter 美国

1979

　

 坝高40 CSPE 0.9～1.5
25 Avoriaz 法国 1981

　

 14 HDPE 　
26 Tmarka 捷克 1981

　

 20 HDPE 　
27 Codole 法国 1983 石料 28 PVC 2.0
28 Colibita 罗马尼亚 1983 石料 坝高47 PVC 0.8
29 Kyperrounda 塞浦路斯 1985 　 27 PVC 0.5/1.0
30 St。Justo 美国 1985 　 25 HDPE 1.0
31 Aubrac 法国 1986 土料 15 PVC 1.2
32 Barranco de Benijosr 西班牙 1986 　 16.5 PVC 1.2
33 Isanlu 尼日利亚 1986 石料 19 HDPE 3.5
34 Locone围堰 意大利 1986 　 13 异丁橡胶 1.5
35 Signal Buttes 美国 1986 土料 14 HDPE 　
36 Piano della
Rcooa围堰		 意大利 1987 砂砾石 9 PVC 1.5
37 Stillwater 美国 1987 　 坝高45 HDPE 2.5
38 Artik 亚美尼亚 1988 土料 18 LDPE 0.5
39 Bilancino围堰 意大利 1988 石料 15 PVC 1.2
40 Kuriyama 日本 1988 　 48.5 PVC 1.5
41 Cixerri2级 意大利 1989 土料 7 PVC 2.1
42 Cixerri3级 意大利 1989 土料 9 PVC 2.1
43 Jibiya 尼日利亚 1989 土料 22 PVC 2.1
44 Mihoesti 罗马尼亚 1989 土料 25 PVC 0.8
45 Pappadai梯级坝 意大利 1989 土料 9 PVC 2.1
46 Black Mountain 美国 1990 土料 　 PVC 1.14
47 Figari 法国 1990 　 35 PVC 2.0
48 Ajidaybiya 利比亚 1990 　 　 塑化HDPE 1.5
49 Benghazi 利比亚 1990 　 14 塑化HDPE 1.5
50 Cerro Do Lobo 葡萄牙 1990 石料 4 HDPE 1.5
51 Sirt 利比亚 1990 　 14.5 塑化HDPE 1.5
52 Sgmvoulos 塞浦路斯 1990 　 37 HDPE 2.5
53 Oblatos gorge 墨西哥

1992

 土料 14 CSPE 0.91
54 Pablo 美国

　

　

 　 HDPE-T 1.5
55 Bovilla 阿尔巴尼亚

1996

石料

 57 PVC 3.0

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。
表3-2

我国部分堤坝工程中使用土工膜情况表
序号

工程名称

所在省（市、自治区）

使用年份（年）

 最大挡水水头或坝高（m）

土工膜使
用部位

使用情况

土工膜类型
1 西北峪 陕西 1978 31 库区 修复 3×0.06单膜
2 滑子 北京 1984 8 斜墙和库区 修复 复合膜
3 放马峪 北京 1984 10 斜墙 修复 3×0.1单膜
4 大宁 北京 　 13.5 斜墙 新建 复合膜
5 罗坑 江西 1986 14.2 斜墙 修复 单膜0.16，0.18，0.22
6 先锋 四川 1987 坝高 33 斜墙 修复 3层0.12单膜
7 麦坑 江西 1987 9.75 斜墙 修复 单膜0.32
8 闽江 福建 1987 7.8 铺盖 修复 单膜0.24
9 李家箐 云南 1988 30.6 斜墙 新建 复合膜
10 黄尖山 江西 1988 14.6 斜墙 加固 单膜0.1，0.07
11 犁壁桥 福建 1988 7.5 斜墙 修复 复合膜
12 军山 江西 1988 19.6 斜墙 修复 复合膜
13 黑河 辽宁 1989 13.9 心墙 新建 复合膜
14 乱木 河北 1989 10 斜墙 加固 单膜0.8
15 白河301 吉林 1989 21.5 心墙 新建 3层0.4单膜
16 田村 广西 1990 41.9 心墙 新建 复合膜
17 水口围堰 福建 1990 26.5 心墙 新建 复合膜
18 新立 广东 1990 坝高 8 铺盖 修复 单膜
19 六甲 福建 1991 15.5

斜墙

 修复 单膜
20 三官塘 福建 1991 15.5

斜墙

 修复 单膜
21 小岭头 浙江 1991 坝高 36

斜墙

 新建 复合膜
22 田头 福建 1992 坝高 30 斜墙 修复 单膜
23 四扣 山东 1992 5 斜墙 新建 复合膜
24 切吉 青海 1992 坝高20 斜墙 加固 单膜1
25 甲日普 西藏 1992 坝高31.4 心墙 新建 复合膜
26 毛儿冲 湖北 1993 20 斜墙 修复 单膜0.22
27 温泉堡 河北 1993 46.3 碾压混凝
土坝表面		 新建 复合膜
28 松子坑坝群 广东 1994 28 斜墙和心墙 新建 复合膜
29 小青沟2号 辽宁 1995 20 斜墙 新建 复合膜
30 湾子 云南 1995 18 库区 修补 复合膜
31 万家寨围堰 山西
内蒙古		 1995 5.5 心墙 新建 复合膜
32 塘房庙 云南 1997 坝高52 斜墙 新建 复合膜
33 钟吕 江西 1998 51 斜墙 新建 复合膜
34 三峡二期围堰
防渗墙上部		 湖北 1999 13.2 斜墙、心墙 新建 复合膜
35 王甫洲 湖北 1999 10.0 斜墙、铺盖 新建 复合膜
36 红卫 广西 　 坝高30.2 斜墙 修复 复合膜
37 温泉 青海 　 坝高17.5 斜墙 新建 复合膜
38 伍沟 四川 　 10.5 斜墙 加固 复合膜
39 贡拜尔沟 新疆 　 28 铺盖 修复 复合膜
40 大渔山 新疆 　 　 地基垂直铺膜 修复 　
41 土坎 四川 　 13.3 斜墙 新建 膜+织物0.25
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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图3-1 水口工程上游围堰断面图（单位：m）

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％①，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，就是要注意水环境的变化，以及非汛期地下水位的升高。

①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.

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图3-3 悬挂式截潜工程示意图

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图3-2 防渗墙深度与堤后最大垂直出逸比降关系

　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，但要特别注意施工质量。例如以表3-2中湖北毛儿冲土坝用土工单膜修复补漏工程为例，所用的PVC膜的厚度只有0.22mm，接缝为粘接缝，水头达20m，从1993年到现在，经历了多年的汛期高水位的考验，防渗效果一直是良好的。可见土工膜防渗的成败关键之一是施工质量。

　(3) 土工膜的缺陷也是工程中可能发生和比较关心的一个方面，不论是由于生产制造，还是焊接或施工造成的漏水点，都会影响到土工膜的防渗效果。据国外对某工程28处共20万m2土工膜的质量检测结果来看，平均每1万m2中有26个漏水孔，其中15％是自身的孔眼，69％出现在焊缝处，由此可见焊接质量的重要性。而当严格控制施工质量时因焊接而产生的漏水孔的发生率可以降到平均l万m2中仅有2.5个。

从渗流角度来讲，如果膜中的孔其上下完全不受阻碍地敞开漏水，其漏水量是不小的，但实际上水的流动受到膜上保护层渗透性、膜两侧土工织物(对复合膜而言)以及其下垫层或堤的土料渗透性的限制，要精确地估计其渗漏量是不容易的。但问题是要防止因漏水引起土体的渗透变形，图3-4中给出土工膜中一小孔产生渗漏时的情况。图3-4(a)为流线分布图，超出浸润线则无渗流。图3-4(b)给出在b/Hs＝0.02和hW/Hs＝1的条件下平面状态的渗流等势线图，hω为1。从3-4(a)图中可以看到水通过小孔后开始以圆形(空间问题则以球形)的形状扩散，渗透面积迅速扩大，因而水头降低较快，但到一定距离后渗透面积稳定，水头下降减慢并维持一定的水力坡降，到最后仍保持一定的水头。如果多个漏水点的最后逸出水头叠加起来，则坝体下游的渗透水头是不可忽视的，必须采取反滤层措施。应当强调指出，土工膜后的反滤层是十分重要的，不管土工膜有无破损，反滤层都应十分认真地做好。

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图3-4 土工膜一漏水点的渗流情况

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

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图3-5 王甫洲土坝上游坡脚大样图(单位：cm)

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。

　6.铺盖的保护

　在需要设置水平铺盖的土堤中，采用土工膜作为铺盖材料已是一种优化的选择，它是一种有效的、经济的合理方法，但随之也带来一个土工膜铺盖保护的新问题。这个问题发生在两个阶段：第一个阶段是施工阶段，一定要防止施工人员和施工机械对土工膜可能产生的损伤；第二个阶段是铺设完毕后一直到运行期间，这个阶段要防止土工膜受阳光直接暴晒，人畜或施工机械在表面行走造成的损伤，要注意船艇在河中运行可能带来的伤害。解决的办法有多种，例如禁止抛锚，设立浮筒让船艇停泊，或在土工膜表面覆盖一定厚度的河床透水料保护层，其厚度起码在1m以上，并且要与膜同时铺放。

土工膜铺盖下还存在一个排水排气问题，对此应结合工程具体情况进行解决。采用膜上加盖重的方法简便易行，能保持长期的效果。另外，也有一些工程采用了“逆止阀”结构，见图3-6。其工作原理是：当膜下水压力高于膜上外水压力时，图中铝盖板(4)便被顶起，地基中水压力得到消散；反之，铝盖板压住其下孔口，外水不得进入。但有的地方这种措施不很成功。

　7.施工中的注意事项

　防渗土工膜施工包括以下工序：准 备工作、铺设、拼接、质量检查和回填土料。

　(1)准备工作。要求清除地面一切尖硬物质，作好排渗设施，挖好锚固沟。准备好土工膜，尽量用宽幅膜，或先按要求尺寸焊拼好，卷在钢管上，妥运至现场备用。

　(2)在平地上铺放，借拖拉机或人工展放，在坡面上借卷扬机从坡顶徐徐反滚至坡底，将其固定。铺放时应注意：①尽可能在干燥和暖天气进行。②铺放应留足够余幅，不可太紧，以便拼接和适应气温变化。③应随铺随压重，防止风吹。④接缝应与最大受力方向平行。⑤发现损坏，应立即修补。⑥铺设人员应穿软底鞋，以免破坏土工膜，并密切注意防火。

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图3-6 逆止阀结构(单位：cm)
1—土工膜铺盖；2—土工织物排水（直径20cm）；3—焊接或胶结；4—铝盖板(直径30cm)；5—混凝土块(直径40cm)；6—尼龙绳；7—铝框

　(3)土工膜拼接有热熔焊法和胶粘法，大面积拼接一般用热熔法，局部拼接才用胶粘，应注意太薄的聚乙烯(PE)膜经加热要烧坏，故不能用热熔焊法。胶结法只适用于聚氯乙烯膜。用胶粘法时应注意粘结胶的耐久性，不能因长期浸水或遇水中化学物质而失效。大规模拼接前，应进行拼接试验。

　(4)拼接质量检查。可以先作目测检查，即检查缝有无疏漏，有无烫损，有无褶皱和是否均匀，然后借仪器检漏。例如两条焊缝间有约10mm空腔末焊，可以将待检段两端封死，往空腔内充气，静置一段后，观察其压力有无下降。如发现漏缝，应及时修补。

对较大工程，尚应取样检测，即割取部分接缝试样作拉伸试验，要求接缝强度不低于母体的80％。

(5)回填土料。铺膜后应及时回填，严禁膜较长时间外露。填土一般应不薄于30cm；冬季水位变动时，厚度应加大。如分期施工，应注意两期间膜的良好连接。

　　(6)防渗土工膜的周边和与结构物连接处应构成密闭系统，具体结构可按地基土质和结构物类型确定。

1)土质地基：土工膜直接埋入锚固沟内，填土并予压实，沟深可为2m，宽4m，如图3-7(a)。

　2)砂卵石地基：挖除部分砂卵石直达不透水层，浇混凝土底座，将膜埋人。对新鲜及微风化岩底座宽度应为水头的1/10～1/20；对半风化和全风化岩应为水头的1/5～1/10，所有裂缝都要填实，如图3-7(b)。如砂卵石太厚，无法控制不透水层或开挖不经济，可将土工膜向上游延伸，作成水平防渗铺盖。

　3)岩石地基：如图3-7(c)。

　　4)与结构物的连接：如与输水管、箱涵水闸等的连接，应根据具体条件确定，图3-7(d)是部分举例，一般应遵循以下原则，相邻两种材料的弹性模量不要相差过大；应平顺过渡；应为结构物可能产生的较大位移留有余幅。

　(三) 工程实例

　[实例3-1]湖北王甫洲工程

　　1.工程概况

汉江王甫洲水利水电枢纽位于湖北省老河口市近郊的王甫洲上。历史上该处曾发生过汉江改道的河道变迁。该枢纽是筑坝拦断汉江新老河道，并利用老河道河槽蓄水兴利的工程。它具有平原水库的特点，挡水建筑物(坝，堤)的高度不大，但围堤很长，所以是一个坝与堤组合起来的挡水建筑物。王甫洲工程最大坝高只有13m，但两岸围堤的长度达12.63km。由于王甫洲附近缺乏防渗可用的粘土料，经过充分论证，设计部门采用了堤身用砂砾石填筑，

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图3-7 土工膜与结构物的连接方式
(a）与粘土地基的连接；(b) 与砂卵石地基的连接；
(c) 与岩石地基或混凝土的连接；(d) 与廊道顶部的连接
1—薄膜；2—钢筋；3—一期混凝土；4—二期混凝土；5—三期混凝土；6—一氯丁橡胶垫片；7—锚栓；8—混凝土；9—锚筋；10—回填粘土；11—廊道；12—过渡层；13—堆石；14—高密度聚乙烯；15—土工薄膜与土工织物组合层；16—五层薄膜

用复合土工膜斜墙作防渗的方案。因砂砾石地基较厚而堤的长度很大，故在堤前用复合土工膜铺盖延长渗径的防渗方案。该工程1988年5月开工，1999年4月堤坝完工。共计完成斜墙部位二布一膜的复合土工膜32.4万m2，铺盖部位一布一膜的复合土工膜75.4万m2。另外在混凝土护披接缝后面也铺了起反滤作用的7.22万m2的非织造土工织物。合计在围堤范围用了土工合成材料115万m2，是目前国内使用土工合成材料数量最大的堤坝工程，是水利部的示范工程。围堤的断面见图3-8。

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图3-8 王甫洲围堤断面图(单位：cm)

2.复合土工膜的选择

(1) 选材试验研究。生产土工膜的厂家很多，产品性能各异，对大型工程在大量使用土工膜前很有必要对产品进行调研和检验工作。为此专门立项进行了试验研究，共检测了6个厂家的13种复合土工膜(其中PE膜10种，PVC膜3种)，3种PE单膜，以及长、短纤维非织造型土工织物，完成了物理性能、力学性能、水力学性能和接缝特性的多项试验。为设计选材提供了依据，最后决定用PE复合膜，织物材料为纯新涤纶针刺非织造土工织物。

(2) 土工膜的指标。斜墙用二布一膜的复合土工膜，规格为200/0.5/200，铺盖用一布一膜，规格为200/0.5，幅宽均为4m，主要控制指标见表3-3。

图3-3

主要控制指标表
项目

单位

一布一膜

二布一膜

备注
单位面积质量（布）

g/m2

 200 200 　
厚度（膜）（2kPa压力下） mm 0.5 0.5 　
抗拉强度 纵向 kN/m ≥10 ≥16

5cm试样折算
横向 kN/m ≥8 ≥12.8 　
极限延伸度 纵向 % ≥60 ≥60 　
横向 % ≥60 ≥60 　

撕裂强度

 kN ≥0.3 ≥0.5 　
CBR顶破强度 kN ≥2.0 ≥3.0 　

(3) 施工前的准备工作。为了把工作做好，施工前进行了三项工作。

　1)土工膜施工人员上岗前培训。土工膜施工是一项新工艺，为了确保质量、监理单位举办了上岗前培训班。由厂家派出工程师和有经验的操作手作为老师。培训班从理论到实践学习了“复合土工膜的特性”、“土工膜的施工工艺和操作规程”等，进行了实际操作训练，通过了笔试和现场实际操作考试，施工中持证上岗。

2)制定质量管理办法。复合土工膜质量管理包括工厂制作、运输、仓储、工地临时存放、现场铺设、连接以及保护等较多环节。工程根据国家有关规程，遵照设计要求和施工条件认真制定了《汉江王甫洲水利枢纽老河道两岸围堤防渗与护坡工程施工质量管理办法》，监理工程师据此进行质量控制和单元工程质量评定。管理办法要求施工单位必须建立健全质量保证体系，要从单元工程施工各工序着手，严格推行“三检制”，上道工序不合格不得进行下道工序施工。

　3)土工膜质量检测和检查。包括抽样检测和现场检查，约2万～2.5万m2批样随机抽取4m2。王甫洲工程使用的土工膜已抽查68个样品，其中有2个批次样品不合格，进行了退货处理。

　现场检查是第二道关口。土工膜在现场焊接前均对外观质量进行检查，主要看膜面有无熔点、漏点，厂家接头是否牢固；布是否均匀；留边处是否平整无褶皱等，发现质量问题应经处理后方可使用。对严重质量问题，如留边褶皱较多，厂家膜接缝焊接不牢，留边布比膜短不易缝合等，由监理工程师认证后进行了退货处理，以保证所有用于工程的土工膜全部为合格产品。

3.土工膜的施工

(1) 清基处理与垫层施工。地基表面应按设计要求清理干净，除去树木、草根和腐殖土以及乱石堆、坟墓、其他杂物，并回填井、塘、洞穴。达到平整度要求后，对砂基进行碾压密实，经监理工程师验收合格方可铺膜。围堤砂砾石斜墙先按设计断面削坡，清理坡面杂草，除去石块、树枝、铁丝等尖锐物，然后铺垫厚度不小于10cm的中细砂，适当洒水，并用拍板或滚筒整平。

　(2) 土工膜铺设工艺。土工膜在厂家生产时按设计要求的长度裁断，这样在铺设时没有水平接缝，只有幅边的接缝。斜墙土工膜从上到下铺设，水平铺盖自坡脚向外铺设。铺膜时注意张弛适度，要求土工膜与垫层结合面务必吻合平整，避免人为和施工机械的损伤。

(3) 焊接工艺。第一幅土工膜铺好后，将需焊接的边翻叠，(宽度约60cm)，第二幅反向铺在第一幅膜上，调整两幅膜焊接边缘走向，使之有约10cm搭接，以利焊接机运行。对留边不齐的需进行修剪，膜有褶皱处需展平，以免影响焊接质量。

PE膜采用ZPR一210V型或改进型自动爬行热合焊机连接。该机由两块电烙铁供热，胶带轮通过耐热胶带施工，滚压塑膜，焊成两条粗为10mm的焊线，两线净距16mm。焊接施工时需3～4人配合。焊机操作人员应随时观察焊接质量，根据环境温度的变化调整焊接温度和行走速度，一般温度调到250～300℃，速度1～2m/min。每道焊缝完成后，随即进行外观检查，看两条焊缝是否清晰、透明，无夹渣、气泡、漏点、熔点或焊缝跑边等。另外可用0.05～0.1MPa压力水针在双焊缝间注入彩色水，稳定1分钟不漏为质量合格。如发现有漏焊、溶点等现象，立即用塑料枪(或电吹风)进行补焊。焊接质量需经施工单位质检员自检合格，监理工程师复检确认后，方可缝织物。

　织物的缝合采用GH9—2手提封包机，用高强维涤纶丝线。缝合施工时也需3人配合。缝合时针距在6mm左右，连接面要求松紧适度，自然平顺，确保膜与织物联合受力。

　土工膜连接完成，将第二幅翻回铺设好。再依次循环施工。二布一膜连接施工程序为：铺膜一焊膜一缝底层布一翻面铺好一缝上层布。二布一膜与一布一膜在斜墙坡脚处进行横向连接。

(4) 工膜端部固定。水平铺盖首端土工膜(长140cm)埋于倒梯形槽内(上口为125cm，下口为50cm，高为50cm)，用混凝土回填固端。为适应地基变形，在土工膜入槽前，设100cm折叠层。在混凝土固端外500cm范围内回填厚100cm的砂砾石层保护。铺盖土工膜与斜墙土工膜采用直接焊接的方式连接，在其上加混凝土压重保护。堤顶接高度为220cm混凝土防浪墙，斜墙顶的土工膜包裹在防浪墙内作为固定端，包裹长度为150cm。为防止因斜坡变形引起的损坏，土工膜在斜墙顶处还设100cm折叠层。

(5) 土工膜应变观测。为了监测土工膜在施工过程中及此后的受力情况，在老河道左、右围堤段各选定了一个观测断面(0十293.7和 l十624，如图3-9)布置土工膜应变计，共30支(右岸12支，左岸18支)，对防水土工膜因施工加载受力后产生的应变参数进行原位监测。从1998年12月8日开始至1999年5月的观测资料如图3-10。测试结果显示，土工膜因施工加载受力产生的拉伸应变，最小值为1.7％(ST—3)；最大值为2.85％(ST—19)，这个应变量级对于土工膜的工作状态是安全可靠的。各测点的应变沿时间轴的变化规律也基本一致。

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图3-9 应变计在防水土工膜上的平面布设图(单位：cm)

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图3-10 防水土工膜应变测试曲线(1999．5)

评论：

　(1) 该工程在大量使用土工膜前进行了专门的选材试验，保证了质量。

　(2) 严格控制了施工过程的每一个环节，如清基，铺膜、焊接、固定等，保证工程的施工质量是成功的关键所在。

　　(3) 使用的土工合成材料品种包括了两种规格复合膜和一种土工织物，膜(或织物)之间的连接方式包括了焊接、搭接及缝合，是一个较为典型的土工合成材料应用实例。

(4) 土工膜防渗比用传统的粘土防渗节省了很大投资（经计算约1500万元)，而且不用征地，施工方法简便，工期短，加速了工程进度，社会和经济效益非常明显。

[实例3-2]太湖大堤

　太湖大堤的淤湖段过去是用块石与砂石堆筑起来的，防渗能力很差，渗漏问题较为严重，多年来一直未能解决。为了解决长期存在的渗漏问题，增强其抗洪能力，当地的水利部门于1992年采用铺复合土工膜并在其上设置铰链式混凝土块护坡的综合方法加以处理。其中土工膜不仅铺在堤身的迎水坡，同时在湖底也铺设了一段复合膜铺盖，见图3-11。使用多年效果良好，堤的背水坡不再有渗水现象出现。

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图3-11 太湖大堤土工膜处理断面 (单位：标高为m；尺寸为cm)

　[实例3-3]　河北省温泉堡水库

　土工膜也常用在混凝土坝的防渗上。河北省的温泉堡水库为一新建的碾压混凝土拱坝，坝高47m。坝上游表面下部16.5m范围内贴有一布一膜的复合膜，承受水头约46.37m。膜为厚1.5mm的PVC膜、布为100g/m2的聚脂无纺织物。施工时先将复合膜的光滑面贴在模板表面，然后浇注坝表层的混凝土，水泥浆渗入无纺织物，凝结后复合膜便牢固地粘合在坝的表面。国外也有类似的工程实例，坝表面裸露的复合土工膜经历10年的运行，仍能发挥应有的效果。

　土工膜不但在永久性坝工中应用有着满意的效果，更可以广泛地应用于临时性建筑物上，如挡水围堰。水口水电站的上下游围堰中用土工膜作为部分防渗心墙(图3-1)。三峡工程第二期上下游围堰采用双混凝土防渗墙的防渗设计，在墙的上部再接一段复合土工膜，以承担最上部分的防渗任务，承受的最大水头是13.2m，见图3-12。所用复合土工膜为二布一膜，膜厚0.5mm，两侧无纺织物的单位面积质量为350g/m2。

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图3-12 三峡二期围堰低双墙方案

　桩膜围堰是一种简易的能装卸重复使用的围堰，既经济又方便。图3-13中给出河北省新安镇闸维修过程中建立的简易轻便桩模围堰，最大挡水深度为3m。此外，这种结构也可用于管涌抢险时“养水盆”的挡水(见第五章所述)。

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图3-13 桩膜围堰

　　二、堤防排渗

　(一) 反滤层

　　土工合成材料中的非织造型土工织物是一种很好的反滤材料，既可挡土又能排水。它可布置在堤防中所有需要设置过滤层的部位，亦即渗流逸出部位和相邻土层土粒级配大小相差较大的界面。关于土工织物作为反滤层的机理和设计原则，第二章中已有叙述。总的说来，土工织物作为反滤层有三个基本要求，即保土性、透水性、防堵性，可以利用第二章中所提供的准则来进行判断和评价。但使用时要根据具体工程情况综合考虑，如双向水流条件下计算公式中的系数应取小值，等等。

　由于堤防建设中采用土工织物作反滤层的实例不是很多，因此，本节内举一个小型均质土坝的实例。它的反滤层设计方法，对堤防将有参考价值。

　[实例3-4]吉林杨大城水库

杨大城水库大坝为均质土坝。水库蓄水后由于坝后排渗沟施工质量差、没有发挥正常功用、导致坝体浸润线抬高、坝后地下水位上升，300余亩农田沼泽化，人畜行动时下陷。经多种方案比较，确定用暗管排水方案，采用了内径为60cm的钢筋混凝土花管。对管周围不同过滤材料(砂砾料和土工织物)的效果进行了比较，因砂砾料需要进行人工配料和长距离的运输，故选用了土工织物。所采用的无纺土工织物的单位面积质量为400g/m2， O95为0.062mm，平均厚度为4.34mm，拉伸强度为9.2kN/m。测定了压力(P)与织物的渗透系数(K)的关系，成果列于表3-4。

表3-4

不同压力(P)下织物的渗透系数测值(单位：m/s)
压力（kPa） 0 4.9 9.8 29.4
沿织物平面 2.2×10-3 4.29×10-4 3.18×10-4 1.56×10-4
垂直织物平面 4.96×10-5 4.26×10-5 3.9×10-5 3.08×10-5
压力（kPa） 49 98 147
沿织物平面 1.18×10-4 2.58×10-5 1.09×10-5
垂直织物平面 2.58×10-5 2.10×10-5 1.76×10-5

从表中数值的变化可以看出：织物的渗透系数K随着压力的增加而减小，其厚度随压力的增加而明显地减少，所以沿着土工织物平面的渗透系数降低得更多一些。对织物和被保护士料一起进行了8组淤堵试验，每次试验持续20多天。试验结果表明土和织物一起的渗透系数是随时间而减小的，但有一个稳定的趋势。试验结束后测定了织物试样的质量和垂直织物平面的渗透系数，其成果见表3-5。从表中数据可以看出大多数土工织物没有或仅截留很少量的土粒，故织物的渗透系数变化不大。只有截留土粒较多的土工织物的渗透系数才有明显的减小，但仍保持70％的数值。同时利用一些著名的保土准则对土d85＝0.08mm和织物O90＝0.062mm的情况进行了检验。检验结果为所采用的土工织物均能满足要求，而且试验结果表明能保持渗流畅通，故拟用的土工织物是合格可用的。施工时土工织物外包于排水管，仅在管顶与织物之间有一层卵石以增加渗透效果，织物滤层的造价仅为砂砾滤层的13.7％，用工也仅有后者的9％。竣工时测压管水位比开工前的平均水位下降了0.4m左右，3个月后平均降低了近1m。整个坝体浸润线大幅度地下降，暗管出水清澈透明，坝后大片沼泽地已能行人通车，运行4年以来(到1990年)情况一直良好。

表3-5

织物淤堵试验前后质量及渗透性能比较表

土样
编号

 织物
面积（cm2）		 试验前织
物质量
（g）		 试验后织
物质量
（g）		 试验前、
后质量差
（g）		 试验前织
物渗透系数（m/s）		 试验后织物渗透系数（m/s）
1-1 30 1.24 1.35 0.11 6.59×10-5 4.53×10-5
1-2 30 1.31 1.58 0.27 6.59×10-5 4.46×10-5
1-3 30

　

 1.23 　 6.59×10-5 4.91×10-5
2-1 30 1.49 1.49 0 6.50×10-5 5.88×10-5
2-2 30 1.32 1.32 0 6.59×10-5 6.15×10-5
3-1 30 1.37 1.37 0 6.59×10-5 6.40×10-5
3-2 30 1.35 1.37 0.02 6.59×10-5 6.16×10-5
3-3 30 1.37 1.39 0.02 6.59×10-5 5.78×10-5

　评论：

　(1) 针对该工程进行的不同压力下土工织物渗透试验以及土工织物和被保护士料的淤堵试验获得了很有价值的资料。

　(2) 类似于杨大城水库，在坝外坡坡面下部或坡脚处有散浸、管涌等现象的工程是很多，目前有一些工程用土工织物贴坡的办法加以过滤处理也是很成功的。例如湖南金鸡山水库蓄水后坝外坡下部有散浸、管涌，库外坝脚成为沼泽，危及坝体安全，1988年采用土工织物贴坡的办法进行处理(图3-14)。处理后从测压管中观测到下游浸润线下降很快，无壅水现象，说明收到了预期的效果。

[实例3-5]　水渠边坡反滤层

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图3-14 贴坡式反滤

某抽水蓄能电站的上、下库进出口渠道两侧边坡为风化砾质砂土，坡高约60m，坡度为1：2.5。渠内水位升降的幅度和频率都较大。边坡的保护层下采用土工织物过滤，这就带来一个在双向水流作用下的土工织物反滤效果的问题。

　边坡土质为一种含大量砾的砾质砂，不均匀系数达40～50，这种土容易产生潜蚀(内部管涌)，属易管涌土。曾选择了3种规格的非织造土工织物(等效孔径0.06～0.