土工合成材料 (4).ppt

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1、第5章 防渗作用5.1 概述5.1 概述 不透水的土工合成材料，如土工膜和土工合成材料膨润土垫（简称“GCL”）可用来布置在建筑物的表面或内部，用于防止液体或气体的渗透和渗漏，即起到防渗作用。与黏土、混凝土和沥青混凝土等传统防渗材料相比，土工合成材料防渗优点：n 防渗效果好n 适应建筑物变形能力强n 质地轻柔、施工便捷、造价低n 符合低碳环保、绿色和可持续发展的工程建设理念 土工膜于上世纪四十年代开始用于水工建筑物的防渗。美国垦务局对土工膜用于渠道防渗进行了大量研究后，于1957年发表了沥青薄膜渠道衬砌和用作渠道防渗材料的塑料薄膜的研究成果，此后大量塑料薄膜开始应用于灌溉渠道的防渗。上世纪六七

2、十年代开始，欧洲国家将PVC土工膜广泛用于水库防渗。5.1.1 土工膜防渗应用概况 国际大坝委员会（ICOLD）分别在1981年的第38期（Bulletin 38,ICOLD 1981）、1991年的第78期（Bulletin 78,ICOLD 1991）和2010年的第135期（Bulletin 135,ICOLD 2010）简报中，均以土工膜防渗作为专题进行了详细论述。据2010年ICOLD统计，全球范围共有约280座大坝采用了土工膜防渗，且近十年仍不断有新的土工膜防渗大坝建成。5.1 概述 我国将土工膜用于水工建筑物防渗也有较长的历史。1966年我国首次将土工膜用于79m高的桓仁混凝土单

3、支墩坝上游面防渗。此后，土工膜在我国开始广泛用于水工建筑物的防渗。但由于土工膜防渗在我国尚未形成成熟的技术和工艺，在土石坝防渗的案例中，大多数属被动采用。5.1.1 土工膜防渗应用概况 虽然当时缺乏成熟的技术和工艺，但是土工膜仍然因为其自身的防渗优势而在我国得到蓬勃发展，从水口、三峡、溪洛渡、向家坝、双江口等高坝大库工程的围堰，到田村、石砭峪、塘房庙、泰安抽水蓄能、仁宗海、黄河西霞院、华山沟以及在建的溧阳抽水蓄能等重大工程的大坝和库盘，均采用了土工膜防渗。近年来DL/T 5395-2007碾压式土石坝设计规范和NB/T 35027-2014水电工程土工膜防渗技术规范等规范的颁布，进一步推动了我

4、国土工膜防渗工程的发展。5.1 概述 GCL是在压实黏土衬垫（Compacted Clay Liner，简称CCL）的基础上发展而来的。二十世纪20年代，膨润土最早以颗粒和粉料形式，被用于密封池衬垫和夯实土坝中的防渗。5.1.2 GCL防渗应用概况 在水利工程中，GCL主要用于渠道、水库、土石坝、人工湖的防渗等方面。目前国内关于GCL的行业标准以及国家标准包括钠基膨润土防水毯（JG/T 193-2006）、生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范（CJJ113-2007）以及轨道交通工程用天然钠基膨润土防水毯（GB/T 35470-2017）等。5.1 概述5.2 防渗材料种类及工程性质5.2

5、防渗材料种类及工程性质 土工膜是以高分子聚合物为基础原料生产的防渗材料。制造土工膜的聚合物可分为如下四种类型：（1）塑料类，包括热塑性和部分结晶热塑性材料。如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、高密度聚乙烯（HDPE）、氯化聚乙烯（CPE）和热塑性弹性聚烯烃（TPO）等。（2）合成橡胶类。如丁基橡胶（IIR）、环氧丙烷橡胶（ECO）等。（3）混合类，由两种或以上的聚合物混合。如氯磺化聚乙烯（CSPE）、三元乙烯（乙烯/丙烯/二烯共聚物，EPDM）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EV A）等。（4）沥青和树脂。如改性沥青、环氧树脂等。目前我国工程中最常用的为PE和PVC两类土工膜。根据生产工艺和结构特征

6、不同，可分为土工膜、复合土工膜和加筋土工膜。5.2.1 土工膜种类及工程性质5.2.1.1 土工膜种类 目前工程中最常用的为PE土工膜和PVC土工膜。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.1 土工膜种类（1）土工膜：把聚合物（聚乙烯、聚氯乙烯、聚异丁烯橡胶等）采用吹塑法、挤塑法或辊轧法制成均匀材质的等厚度薄膜，其厚度分别为0.20.5mm、0.254.0mm和0.252.0mm。根据表面构造不同，土工膜分为光面土工膜和糙面土工膜，糙面土工膜主要是用于铺设在斜坡上以增加其表面摩擦力。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.1 土工膜种类（2）复合土工膜：由聚合物膜与土工织物加热压合而成，或

7、者用胶粘剂将土工膜与土工织物粘合而成。土工织物可保护土工膜，防止被接触的碎石刺破，以及运输和铺设时的损伤。复合土工膜采用一布一膜或二膜一布结构。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.1 土工膜种类（3）加筋土工膜：为提高土工膜抗拉、抗顶破、抗撕裂强度，将聚合物与加筋材料（锦纶丝布、锦纶帆布、丙纶针刺织物等）压黏在一起，形成加筋土工膜。采用一层、二层、三层加筋，成为一布二胶、二布二胶、三布四胶的加筋土工膜。由于加筋后适应变形能力和施工性能欠佳，目前在水利水电等重要工程已很少使用。5.2.1.1 土工膜种类5.2 防渗材料种类及工程性质 土工膜的一般工程特性包括物理性能、力学性能、防渗性能和抗

8、老化性能等。大量工程实践表明，土工膜具有良好的不透水性、弹性和适应变形能力。处于水下和土中的土工膜，抗老化能力突出。5.2.1.2 土工膜的工程性质5.2 防渗材料种类及工程性质（1）物理性能 比重 土工膜的比重（或密度）取决于其制造材料，例如聚乙烯（PE）材质，可划分为低密度（LDPE）、中等密度（MDPE）和高密度（HDPE）等不同类别，其比重分别为：0.91-0.93、0.9260.940和0.9410.960。而纯PVC土工膜的比重为1.4，增加了增塑剂和抗老化剂后土工膜比重范围大致在1.201.35之间。厚度 土工膜厚度是主要的设计参数。设计厚度与防渗水头、垫层材料等密切相关，也与施

9、工条件（装备、工艺、工期）、运行条件（坝体变形、气温、水温）等有关。有些因素是可通过计算分析量化的，有些因素是难以量化的。在工程应用中，土工膜的主要功能是防渗与防扩散，这取决于防渗膜的厚度对于复合土工膜或一些糙面土工膜，需要采用测微计测定纯土工膜的厚度。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.2 土工膜的工程性质（2）力学性能 土工膜一般具有很高的抗拉强度及极限延伸率，但由于土工膜很薄，其撕裂强度和刺破强度较低。土工膜主要力学性能包括：n 拉伸强度和极限伸长率n 拼接拉伸强度和极限伸长率n 撕裂强度n 刺破强度n 液胀强度n 土工膜与其它材料之间的摩擦特性5.2 防渗材料种类及工程性质5.2

10、.1.2 土工膜的工程性质拉伸强度和极限伸长率拉伸强度与极限伸长率是防渗膜最基本的力学指标。在一定意义上，其也能反映出一些其他力学指标的优劣。与格栅等加筋材料不同，防渗膜在建筑物中主要靠自身变形以适应基础的位移，而不是约束基础的位移，所以理想的防渗膜应该是既具有较高的拉伸强度，以抵抗运输、施工、运行中所承受的外力，又具有适当的弹性模量，以适应建筑物运行中基础的较大位移。土工膜抗拉强度的测定方法有宽条拉伸法和窄条拉伸法。需特别注意，宽条法或窄条法拉伸试验结果只能作为产品优劣的横向对比，与工程实际中材料受力状态具有较大差别，工程设计中选用强度指标时要加以考虑。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.

11、1.2 土工膜的工程性质 拼接拉伸强度和极限伸长率土工膜防渗的面积一般较大，存在众多拼接接缝，一般接缝强度及其伸长率均低于母材，所以，接缝强度及其伸长率应该作为一项重要的设计指标。同时，该项指标也是对现场拼接施工质量控制的要求。根据现阶段的现场拼接工艺水平，要求拼接接缝的拉伸强度与极限伸长率分别不小于为母材的80%和75%。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.2 土工膜的工程性质撕裂强度撕裂强度体现防渗膜抵抗扩大破损裂口的能力，其指标值除了与材料质地及构造有关外，也与材料的厚度有关。土工膜的撕裂强度通常较低，可采用梯形撕裂试验和舌形撕裂试验等方法测试。刺破强度刺破强度体现防渗膜抵抗较尖锐

12、物体静力穿透的能力。该项指标除了与防渗膜自身材质有关外，还与防渗膜的厚度有关。一般情况下土工膜的刺破强度较低，在土工膜上或膜下铺设土工织物可以吸收部分能量，从而有效地提高土工膜的抗刺破性能。液胀强度液胀强度反映防渗膜在具有孔隙垫层上抵抗水压力顶胀破坏的能力。实际工程中，防渗膜下的颗粒垫层在较大颗粒之间存在孔隙、素混凝土垫层在水压力作用下随基础位移而开裂等情况都符合液体顶胀的机制。所以，液胀强度是一项重要的力学指标。需要指出的是，所谓液胀强度是在规定直径圆孔上防渗膜顶胀破坏时的水压力强度，还不能直接用来评判实际工程防渗膜的液胀安全与否，各工程可根据实际工况提出对应可能出现最大孔隙的顶胀破坏的水压

13、力强度。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.2 土工膜的工程性质土工膜与其它材料之间的摩擦特性土工膜的摩擦特性是指土工膜与土或其它材料接触时，接触面上抗剪切的性质。一般可通过界面直剪试验、拉拔试验和斜板试验测定。处于斜面上的防渗工程，在较低法向压力下的接触面摩擦强度优先采用斜板仪进行测试，处于土工膜锚固部位附近土工膜摩擦特性应采用拉拔试验方法。光面土工膜与土接触时摩擦系数较小；而在土工膜表面加糙或采用复合土工膜等可以解决界面摩擦角过小的问题。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.2 土工膜的工程性质土工膜、土工织物与土的摩擦角（）和黏聚力（kPa）（3）防渗性能用于防渗的土工膜应该是

14、不透水和不透气的，但由于制造上的不均匀性和缺陷，也存在一定的渗漏现象发生，不是绝对不透水的。因此，对其进行透水性测定时，可以测得渗透系数为10-1310-15m/s。如此低的渗透系数对于一般防渗工程而言是允许的，可以忽略不计。但对于有毒有害水、气的防渗工程而言，则是不允许的。因此，了解土工膜的防渗性能十分必要，尤其对于实际环境中水头长期作用下的土工膜防渗问题。无孔的土工膜是不渗水的，水通过分子弥散方式透过土工膜，因此不能用达西定律来描述水穿过土工膜的所谓“渗流”。土工膜的渗透性通常采用水-汽传输率试验（water-vapor transmission test，缩写为WVT试验）测定。WVT试

15、验的理论基础是Fick定律，其基本思路是用水汽作为传输介质（而非液态的水）“渗透”土工膜，通过测量一定时间段内穿过土工膜的水汽质量，换算成土工膜的等效渗透系数。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.2 土工膜的工程性质（4）抗老化性能土工膜的老化问题主要与聚合物的种类和特性以及土工膜的工作条件和周围环境有关。诱发土工膜老化的因素有光、氧、热、臭氧、NO2、SO2等化学物质以及各种酶和微生物等，它们会导致膜聚合物降解、化学键断裂、分子量减小或失去增塑剂和其他辅助成分，从而使力学性能衰减，使膜脆化，甚至开裂。土工膜在阳光下特别容易老化，暴露于大气的材料的拉伸强度明显比土中或水中的值要低很多；同

16、时延伸率也有较大幅度的降低。因此对于非抗老化土工膜在施工期和运行期需采用保护层加以保护。结晶型聚合物土工膜（如HDPE）不易老化，而非结晶型热塑性聚合物（如PVC）易老化，但添加抗老化剂后抗老化性能可显著提高；薄膜比厚膜容易老化，在允许条件下应优先选择厚的土工膜。目前国际上已出现可裸露防渗50-100年的抗老化PVC土工膜。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.1.2 土工膜的工程性质土工合成材料膨润土垫（GCL），又称钠基膨润土防水毯，是一种以钠基膨润土为主要原料，与一层或多层土工合成材料结合而成的毯状防渗材料。GCL一般是由两层土工织物或土工膜中间夹一层薄薄的膨润土用织物纤维缝合、针刺，或

17、者用粘结剂粘合而成。也有的GCL产品只有一层土工膜，其上用粘结剂粘合上一层薄薄的膨润土。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.2.1 GCL种类5.2.2 GCL种类及工程性质我国的行业标准钠基膨润土防水毯（JG/T 193-2006）将GCL分为三类（见图5-1）：（1）针刺法钠基膨润土防水毯，是由两层土工布包裹钠基膨润土颗粒针刺而成，其中一层土工布为涤纶或丙纶短纤针刺非织造土工织物，另一层为聚丙烯扁丝编织土工布。用GCL-NP表示。（2）针刺覆膜法钠基膨润土防水毯，是在针刺法钠基膨润土防水毯的非织造土工布外表面上复合一层高密度聚乙烯薄膜。用GCL-OF表示。（3）胶粘法钠基膨润土防水毯，是

18、用胶粘剂把膨润土颗粒粘结到高密度聚乙烯板上，压缩生产的一种钠基膨润土防水毯。用GCL-AH表示。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.2.1 GCL种类（1）针刺法GCL（2）针刺覆膜法GCL（3）胶粘法GCL5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.2.1 GCL种类GCL按膨润土的类型可分为天然钠基膨润土GCL、人工钠化钠基膨润土GCL和改性膨润土GCL。其中，人工钠化钠基膨润土是由钙基膨润土人工钠化而成；改性的膨润土包括有机膨润土、耐盐碱膨润土等。图5-1 GCL分类（根据JG/T 193-2006）GCL作为防渗层的有效性主要取决于以下三个方面：一是GCL作为一种防渗材料本身的渗透性能；二

19、是GCL在有液体渗过的过程中，对液体中有害物质的吸附能力。因为GCL中膨润土在液体渗透过程中，对其中有害物质的吸附能力在特定的环境工程中显得尤为重要；三是GCL自身的强度大小，如果GCL发生拉伸或剪切破坏，则会导致防渗系统的失效。钠基膨润土防水毯（JG/T 193-2006）规定的GCL物理力学性能指标如表5-2所示。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.2.2 GCL的工程性质表5-2 标准JG/T 193-2006中GCL物理力学性能指标 5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.2.2 GCL的工程性质对GCL的胀缩性、防渗性、吸附有害物质的能力以及耐久性作简要介绍。胀缩性：GCL内的膨润土

20、在吸水时会强烈膨胀，失水时会显著收缩。膨胀时在膨胀力驱使下膨润土具有渗透到裂纹内部的能力，展现很强的自我修复能力，使其能持久发挥防渗作用。同时也要注意，如果GCL在安装前或安装时遇到水，则会使膨润土发生水化反应而膨胀，可能导致土工织物脱落，从而使防渗系统的整体性受到破坏。防渗性：由于GCL中的膨润土吸水膨胀，能够形成均匀密实的胶体系统，从而具有优良的防渗性能，同时部分膨润土颗粒在膨胀压力作用下可进入周围土体或混凝土的裂隙中，进一步保证了防渗系统的抗渗性能。研究表明，GCL即使在拉伸、局部下陷与冻融循环等不利工况下湿水均可以保持极低的渗透系数。但是当液体中含有浓度较高的金属离子时，GCL的防渗性

21、能会降低。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.2.2 GCL的工程性质吸附有害物质的能力：在渗透过程中，GCL中的膨润土对溶液中的有机分子和阴、阳离子具有吸附能力，而且膨润土的水化液对GCL的吸附能力有一定影响。一般规律是：在渗透开始阶段，GCL对离子和有机分子或物质的吸附能力比较强且随饱和状态增大而增大，但到达饱和状态后其吸附能力开始下降，进而丧失。耐久性能：因为膨润土是天然无机物，时间的变化和周边物质的影响对其化学性质的影响很小，并且不易发生老化和腐蚀现象，因此可以永久保持其防水能力。5.2 防渗材料种类及工程性质5.2.2.2 GCL的工程性质5.3 防渗设计与计算方法 土工合成材料防

22、渗结构布置一般根据工程总体布置的要求和工程区水文气象、地形地质等自然条件来研究确定。常用的防渗结构布置类型包括：水平防渗、斜面防渗、垂直防渗和其他复杂形状防渗布置。水平防渗的布置型式一般用在水库库底、人工湖、蓄水池和渠道的底部防渗；斜面防渗的布置型式一般用在土石坝、堆石坝和围堰上游面防渗、渠道内侧渠坡防渗、水库库岸防渗、堤防和路基坡面防渗；垂直防渗的布置型式常用在混凝土坝上游面防渗、土石坝和土石围堰心墙防渗、水库和堤防的地基垂直防渗等；其他复杂防渗布置型式常用于各种断面形状的隧道、蓄水池防渗等。工程常见的防渗布置形式如图5-2所示。5.3 防渗设计与计算方法5.3.1 防渗结构布置工程常见的防

23、渗布置形式：（a）渠道防渗衬砌（b)水库库盘防渗5.3 防渗设计与计算方法5.3.1 防渗结构布置工程常见的防渗布置形式：（c）堆石坝上游面防渗（d)土石坝心墙防渗5.3 防渗设计与计算方法5.3.1 防渗结构布置工程常见的防渗布置形式：5.3 防渗设计与计算方法5.3.1 防渗结构布置（e）混凝土坝上游面防渗（f）路基防渗工程常见的防渗布置形式：5.3 防渗设计与计算方法5.3.1 防渗结构布置（g）地基垂直防渗布置（h）隧道防渗衬砌图5-2 常用土工合成材料防渗布置型式土工合成材料防渗结构一般包括三部分：防渗层、支持层和保护层。根据不同工程防渗要求和使用条件，可采用：单层防渗结构、多层防渗

24、结构和组合防渗结构。单层防渗结构是最常用的防渗结构型式，一般包括支持层、防渗层（防渗膜或GCL）、保护层；在垂直心墙防渗中，采用反滤层、垫层和土工膜组成防渗结构。对于大多数水利水电工程防渗，蓄水量较大，且拦蓄的为无污染的清水，因而允许有一定的渗漏量，采用单层防渗结构（如图5-3）即能满足要求。图5-3 水平单层防渗结构5.3 防渗设计与计算方法5.3.2 防渗结构设计5.3.2.1 防渗结构组成5.3 防渗设计与计算方法5.3.2 防渗结构设计 在防渗等级较高的工程中，也常采用多层防渗结构，如不允许发生渗漏的废水池和蒸发塘防渗。多层防渗结构如图5-4所示，可采用两层或更多层土工膜或GCL作为防

25、渗材料，防渗层之间应设置排水层，以减小作用于第二层防渗层上的水压力。必要时排水层可加设排水管、土工席垫、土工网等。排水层厚度选择应满足排水能力要求，并考虑排水层施工时机械设备不损伤下层防渗材料。绝大多数情况下，两层防渗已经足够，加设第三层防渗只是增加一个安全储备。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.1 防渗结构组成图5-4 多层防渗结构型式组合防渗结构如图5-5所示，是由1层土工膜和1层低渗透性材料（常用黏土）组合而成的防渗结构。比如，在堆石坝心墙防渗中，可用土工膜与砾质黏土组合作为防渗心墙，此时，土工膜与低渗透性材料之间不应设排水层。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.1 防渗结构组成图

26、5-5 组合防渗结构型式 防渗层指防渗结构中阻止液体或气体运移和渗漏的土工膜或GCL，是防渗结构中的主体。对于最常用的土工膜防渗层，其防渗类型选择和厚度选择是防渗设计中最为关键的环节。（1）土工膜类型选择 目前我国防渗工程最为常用为PE膜和PVC膜，在具体选型设计中应根据工程的使用年限、工作环境、施工条件选择合适的土工膜类型。不同类型工程防渗土工膜类型选择可参考土工合成材料防渗排水防护设计施工指南（中国水利水电出版社，2020年）。从防渗性能角度考虑，各种土工膜差别并不大。但从物理力学性能考量，对于坝高50m以下的中低坝、围堰、水库和渠道等较低水头防渗工程，PE膜和PVC膜都适用，但对于50m

27、以上的中高坝，防渗土工膜类型选择至关重要。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.2 防渗层（1）土工膜类型选择 据国际大坝委员会统计，截止2006年，全球共167座大型土石坝和81座混凝土坝采用土工膜防渗。这些大坝防渗所采用土工膜类型分布如表5-3和表5-4所示。由这两表可知，在国际上大坝防渗采用PVC土工膜的最多。表5-3 167座土石坝防渗土工膜类型统计表5-4 81座混凝土坝防渗土工膜类型统计5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.2 防渗层对于50m以上的中高坝，国内、外优选PVC膜，主要考虑以下因素。弹性变形性能：PVC膜具有更好地弹性变形能力，在长期往复水荷载作用下，更能适应高土石坝

28、体和地基的复杂变形，更有利于防渗膜自身运行安全。柔软性能：（a）施工期易于铺设、拼接和锚固；（b）运行时不易产生附加变形。抗老化性能：PVC膜裸露防渗的服役周期也由50a增加到100a。抗损伤性能：对于厚度1mm以下的膜，可根据生产企业复合工艺的可靠性选用一布一膜或两布一膜型复合土工膜；对于厚度1mm及以上的膜，就当前的复合工艺水平而言，应选择一布一膜型复合土工膜。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.2 防渗层（2）防渗膜厚度选择根据我国土工合成材料应用技术规范（GBT 50290-2014），在使用土工膜进行防渗的水利水电工程中，对于3级以上防渗工程，膜厚不应小于0.5mm；对于一般工程，

29、膜厚不应小于0.3mm。仅从防渗的角度分析，由于土工膜的渗透系数极小，很薄的土工膜就能满足防渗要求。从水压力作用下的强度分析，采用本章5.3.5节的厚度校核方法计算，所得到的土工膜厚度比规范规定的小得多，因此设计中需要人为放大安全系数。但应该放大多少倍并无科学的依据，仅采用理论分析计算土工膜的厚度是不合理的。故土工膜厚度设计应参照已建实际工程的经验，以挡水水头为主要因素选择防渗膜厚度，然后采用本章5.3.5节的厚度计算和校核方法进行安全复合比较合适。不同类型防渗工程土工膜厚度选择可参考土工合成材料防渗排水防护设计施工指南（中国水利水电出版社，2020年）。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.

30、2 防渗层支持层，即防渗层的垫层，主要为防渗层提供一个坚实、平整、能排除渗水、自滤的支撑面，在巨大水压力作用下不塌陷、不裂错，避免土工膜承受较大的顶胀变形而发生破坏或缩短生命周期。土工膜的垫层分为接触和非接触两种垫层，接触垫层对平整度要求高，其下面为非接触垫层。防渗膜为复合膜时，通常要求防渗复合膜的无纺织物与接触垫层接触，无纺织物既可保护防渗膜，又可增大摩擦力而有利于抗滑稳定。对于场地条件比较复杂，则需要设置专门的支持层；或场地表面存在树根、碎石等杂物，土工膜存在被刺破的风险，则需要在土工膜与支持层之间设置必要的防护层，即接触垫层。膜下接触垫层和非接触垫层的设置与否，与工程类别、场地条件密切相

31、关，需因地制宜地作出选择。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.3 支持层对于防渗水头较高的堆石坝上游面土工膜防渗，则应在膜下铺设垫层和过渡层，垫层的形式一般有颗粒型和非颗粒型。不管是颗粒型垫层还是非颗粒型垫层，均应为透水性垫层。若采用颗粒型垫层，宜用河床开采的细砾，厚度不宜小于30cm，一般表面需喷洒乳化沥青或水泥砂浆，以加强颗粒垫层表面稳定性，利于防渗膜铺设及膜与垫层之间平整接触；此外，颗粒型垫层应该是自滤的，能抵御渗透变形。非颗粒型垫层可在颗粒垫层上增设，总厚度可为4060cm。非颗粒型垫层首先也应为透水垫层，可为透水混凝土，厚度10cm以上。直接采用坝坡填筑设施挤压边墙作为防渗膜垫层，

32、具有较高的技术经济性价比，要求其渗透系数大于110-3m/s。非颗粒型垫层比颗粒型更适于防渗膜的铺设、拼接。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.3 支持层对于渠道和水池等中小型工程，在天然地基和级配良好的透水地基上，只要作好排水措施，消除地下水的影响，以及清除树根等杂物，经整平压实，土工膜可直接铺在其上，不需要设置专门的支持层或防护垫层。对于一般土基，宜设置透水材料作为膜下防护垫层，如膜下铺设土工织物，不仅可以保护土工膜不受垫层内尖锐颗粒刺破，还可以排除膜下积水。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.3 支持层在工程施工及运行过程中防渗层可能会遭受外界作用，如：施工时的机械设备破坏和人畜破坏

33、，波浪冲淘、冰冻、风力和紫外线的照射等。一般中小水利水电工程的保护层，常用素土、砂砾石，预制或现浇的素混凝土板和干砌石等。素土层的厚度一般采用3050cm，混凝土板的厚度10cm以上。对于大型重要工程的防渗，保护层一般设置于复合膜的无纺织物的上面，型式有现浇混凝土板、预制混凝土板（块）、连锁混凝土块等型式，已建工程也有采用砌石型式的。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.4 保护层工程实践表明：现浇混凝土板保护层具有机械化施工、不易损伤防渗膜、抗风浪稳定性强等优点，可优先选择；预制混凝土块保护层可半机械、半人工施工，但预制块在搬运时易因掉落而砸伤防渗膜，在放置时较易因某一边角先着地而损伤防渗膜

34、；砌石保护层一般需先铺设厚1520cm的颗粒垫层并再整平坡面，工序较复杂。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.4 保护层随着PVC膜的抗老化性能大幅度增强，越来越多的的大坝采用没有保护层的裸露PVC膜防渗形式，尤其在高碾压混凝土中，例如2002年建成的哥伦比亚高188m的 Miel 1碾压混凝土重力坝和2003年建成的美国加州高97m的Olivenhain碾压混凝土重力坝。在直立上游坝面上先安装聚合物复合排水，再安装PVC膜，防渗膜不设保护层，完全裸露。与此不同，堆石坝面PVC膜上设置防护层并没有碾压混凝土坝直立上游面设置膜保护层的施工那样麻烦，所以，据2010年国际大坝委员会统计，土石坝上

35、游面土工膜防渗中仍有70%设置防护层，以有效防止风浪、漂浮杂物、冰、温变、紫外线辐射及人为因素等对防渗膜产生的损伤。5.3 防渗设计与计算方法5.3.2.4 保护层 防渗层的四周要与不透水地基或岸坡进行锚固连接，从而形成完整密封的防渗系统。一般土工膜的锚固分为两种类型：埋入式锚固和机械式锚固。（1）埋入式锚固 埋入式锚固即先在地基和岸坡上开挖锚固槽。如果地基是透水层，应把它开挖掉直达基岩或不透水层，然后浇筑混凝土底座，将土工膜锚固在混凝土内。锚固槽混凝土底座的底宽设置应满足抗渗稳定，即混凝土底座与基岩间的允许水力梯度大于实际作用的水力梯度（实际作用水头除以底座宽度）。锚固槽底部允许水力梯度一般

36、新鲜、微风化岩石取20以上，弱风化岩石取1020，强风化岩石取510，全风化岩石取35。锚固施工完成后需要进行固结灌浆以填塞岩体中的裂隙和接触面缝隙。5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法5.3.3 锚固结构设计（1）埋入式锚固如果将土工膜锚固在不透水的黏性土层中，开挖锚固槽的深度可为2m左右，宽度4m左右。回填黏土时将土工膜锚固在黏土内，填土必须密实并与锚固槽的边坡和底部严密结合。常用典型埋入式锚固结构如图5-6图5-9所示：图5-6 土工膜与基岩连接锚固槽结构型式1-土工膜；2-一期混凝土；3-二期混凝土；4-三期混凝土；5-钢筋5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计

37、算方法5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法图5-7 土工膜与黏土地基连接锚固槽结构型式1-土工膜、2-回填黏土图5-8 土工膜与坡（堤坝）顶部连接锚固槽结构型式1-土工膜、2-坡顶5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法图5-9 土工膜与坝顶防浪墙连接锚固结构型式1-混凝土防浪墙；2-防渗膜；3-防渗膜埋置槽；4-保护层（护坡）；5-垫层；6-过渡层；7-堆石（2）机械式锚固机械式锚固如图5-10所示，通过由不锈型钢、螺栓及螺母、弹性垫片、密封胶等组成的锚固构件将土工膜锚固在混凝土锚固基座（混凝土趾板、混凝土防渗墙、混凝土防浪墙）上。混凝土基座的底宽设置应满足抗渗稳

38、定，趾板的防渗膜锚着部位，宽度约20 cm，应磨平表面。锚固构件材料和尺寸的设计应以被锚固材料拉伸破坏时锚固组件仍能正常工作（即防渗膜仍能工作时不因锚固组件破坏而整体失稳）为设计准则。锚固施工时先在混凝土基座上穿过不锈螺栓（埋置在混凝土趾板内）依次向上铺设弹性垫片、防渗膜、弹性垫片、镇压型钢，最后拧紧不锈螺母，将防渗膜锚固在混凝土基座上。为防止锚固件间细微间隙渗水，需在各种构件之间涂抹密封胶。工程常用的机械式锚固结构型式如图5-11图5-13所示。5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法图5-10 土工膜机械式锚固结构 1-土工膜

39、；2-螺杆；3-镇压型钢；4-螺母；5-橡胶垫片；6-混凝土5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法1.坝面膜铺线 2.防渗膜锚固线 3.防渗膜 4.不锈螺杆 5.不锈螺母 6.不锈槽钢 7.上橡胶垫带 8.锚固件中防渗膜 9.下橡胶垫带 10.磨平锚固基面 11.密封胶层 12.空腔 13.颗粒垫层 14.现浇混凝土板15.坝面基准线 16.混凝土趾板 17.混凝土趾板平直段 18.混凝土趾板斜面 19.基岩 图5-11 堆石坝坝基处土工膜与混凝土趾板连接锚固结构型式5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法图5-12 土工膜与坝顶防浪墙表面连接锚固结构型式 1-混凝土

40、防浪墙；2-防渗膜；3-机械式锚固结构；4-保护层（护坡）；5-垫层；6-过渡层；7-堆石5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法图5-13 土工膜与混凝土防渗墙顶部连接锚固结构型式 1.混凝土防渗墙 2.混凝土保护板 3.锚固螺栓 4.锚固槽钢 5.锚固螺母 6.膜上下橡胶垫片7.防渗膜 8.锚固线 9.铺膜线 10.柔性填料 11.填料密封罩5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法（3）土工膜锚固的夹具效应与消除方式对于土工膜上游面防渗堆石坝，坝面周边的土工膜锚固于基岩锚固槽中；坝面上的土工膜则在巨大水压力的作用下紧紧贴在坝面上，即膜与坝体接触材料之间难以产生相对位

41、移。在水压力的作用下，坝体与基岩锚固槽之间往往存在相对位移，此时锚固端部极小区域内的土工膜就相当于被夹在两个距离很近的夹具中受到拉伸荷载，此处土工膜产生的拉伸应变极可能超出膜的承受能力，从而使防渗结构遭受破坏。这种变形破坏机制称作“夹具效应”，如图5-14所示。5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法 图5-14 土工膜“夹具效应”示意图（a）岸坡锚固部位土工膜“夹具效应”（b）坝基锚固部位土工膜“夹具效应”5.3.3.1 土工膜锚固5.3 防渗设计与计算方法研究表明，传统设计方法中在锚固边缘处铺膜线与锚固线处于同一平面是导致土工膜锚固部位夹具效应的主要原因。因而消除夹具效应的设计

42、思路是使铺膜线高于锚固线（如图5-15所示），从而增大锚固端附近土工膜两端“夹具”间的初始距离，通过土工膜的几何变形替代材料变形。铺膜线与锚固线之间的距离取决于锚固处坝体相对于基岩的位移大小。图5-15 消除夹具效应的土工膜锚固设计示意图立面及坡面上铺设GCL时，为避免其滑动，可用销钉加垫片将其固定，除了在GCL重叠部分和边缘部位用钢钉固定外，整幅GCL中间也需视平整度加钉，务求GCL稳固服帖地安装在墙面和地面，必要时用膨润土膏抹浆贴合在墙体上。钉孔部位可视需要作出处理。GCL在坡顶或地基处的锚固也可参考土工膜埋入式锚固槽结构型式（见图5-6图5-8）。工程常用的GCL与管道、墙体等结构物的连

43、接锚固结构如图5-16所示。5.3.3.2 GCL锚固与连接5.3 防渗设计与计算方法5.3.3.2 GCL锚固与连接5.3 防渗设计与计算方法图5-16 GCL与结构物连接锚固结构（a）GCL与管道搭接；（b）GCL与结构物连接；（c）GCL在收头处的锚固（d）GCL与桩头连接；（e）GCL与穿墙管道连接铺放在斜坡上的土工膜与坝体之间的摩擦系数一般小于坝体的内摩擦系数，因此需要计算土工膜与其上面的保护层和下面的支持层之间的抗滑稳定性。如果支持层是透水的，那么土工膜与支持层之间不会有水的滞留，并由于防渗膜承受上游水压，使膜与其后的支持层之间产生较大的抗滑阻力，再加上膜与坝体的连接固定等因素，因

44、而一般情况下土工膜与膜后支持层之间的稳定性优于土工膜与膜上保护层之间的稳定性。为此，土工膜防渗层稳定性验算通常针对土工膜与膜上保护层之间的抗滑稳定性问题。一般情况下校核的最危险工况是水位骤降时刻。5.3 防渗设计与计算方法5.3.4 防渗结构稳定性分析方法土工膜和土的接触面稳定分析的方法有两大类，一类是传统的刚体极限平衡法，另一类是有限元数值分析法。刚体极限平衡法简单实用，有丰富的工程实践基础。有限元法在理论上更能反映出土工膜的工作状况以及膜对坝体应力和变形的影响，对重要工程可采用此方法验算。但目前有限元法在制定抗滑安全系数标准等方面尚不成熟，同时由于膜厚度较薄，难以模拟；再者，实际工作条件下

45、尤其是荷载长期作用下土工膜的应力应变关系也需进一步研究。因此，目前有限元法应用经验不足，只能作为刚体极限平衡法的补充。下面将介绍刚体极限平衡法在分析土工膜和保护层之间的抗滑稳定性中的应用，其中保护层存在透水与不透水、等厚与不等厚之分，应区别对待。5.3 防渗设计与计算方法5.3.4 防渗结构稳定性分析方法 膜上保护土层在重力作用下极易向下滑动，设计时应验算保护土层与土工膜之间的摩阻力是否足以阻止这种滑动的发生，或者通过采取针对性措 施 来 阻 止 其 发 生。图 5-17所示为等厚度保护层的土工膜防渗结构。由于一般情况下，除土工格栅与土之间的黏聚力较大以外，土与其他土工合成材料之间的黏聚力一般

46、较小，因此常常可以忽略不计。5.3.4.1 等厚保护层5.3 防渗设计与计算方法5.3.4 防渗结构稳定性分析方法图5-17 等厚保护层土工膜防渗结构1-防护层；2-上垫层；3-土工膜；4-下垫层；5-堤坝体若保护层透水性良好，且不计保护层与土工膜交界面的黏聚力，则保护层沿土工膜表面的稳定安全系数为：（5-1）式中：边坡坡度，（）；土工膜与保护层之间的内摩擦角，（）。若保护层透水性不良，且不计保护层与土工膜交界面的黏聚力，则保护层沿土工膜表面的稳定安全系数为：（5-2）式中：、sat保护层的浮容重和饱和容重，kN/m35.3.4.1 等厚保护层5.3 防渗设计与计算方法由于保护土层与土工膜（特

47、别是光面土工膜）之间的内摩擦角较小，故等厚度保护层的稳定性较差。为提高其稳定性，实践中也会采用不等厚的保护土层，这种情况下坡上土工膜防渗结构及保护层单元体受力情况如图5-18所示。采用滑楔法进行分析，将保护土层分为坡上的主动区（active zone）ABCD和 坡 脚 的 被 动 区（passive zone）CDE，再根据静力平衡，将下滑力与阻滑力分解成水平分力，进而计算安全系数。5.3.4.2 不等厚保护层5.3 防渗设计与计算方法若保护层透水性良好，则安全系数Fs为：（5-3）式中：W1、W2主动区ABCD和被动区CDE的单宽重量，kN/m；c1、1沿BC面上垫层土料与土工膜之间的黏聚

48、力（kN/m2）和内摩擦角（）；c2、2保护层土料的黏聚力（kN/m2）和内摩擦角（）；、坡角；l1、l2BC和CE的长度，m。5.3.4.2 不等厚保护层5.3 防渗设计与计算方法5.3.4.2 不等厚保护层5.3 防渗设计与计算方法若保护层为透水性材料，则取c1=c2=0。若保护层透水性不良，只需将式（5-3）中分子上的W按单宽浮容重计算，分母上的W按单宽饱和容重计算，即可得到相应的安全系数Fs。当降后水位达到图5.18所示D点时，为最危险工况。图5-18 不等厚保护层土工膜防渗结构1-防护层；2-上垫层；3-土工膜 土工膜的厚度主要由防渗和强度两个因素决定。对于一般水利水电工程而言，由于

49、土工膜渗透系数很小，渗漏量的大小往往不是关键，因而决定膜厚的主要是后者。当土工膜支撑材料为粗颗粒时，在水压力作用下，土工膜在颗粒孔隙中易产生顶破或被尖锐的棱角穿刺。目前，防渗膜均以顶破时的抗拉强度进行设计。对于铺在颗粒地层或缝隙上受水压力荷载的土工膜，其厚度的计算或复核主要有以下三种理论方法：（1）顾淦臣薄膜理论公式（2）苏联的经验公式（3）J.P.Giroud近似公式（1982）5.3 防渗设计与计算方法5.3.5 防渗膜厚度的安全复核方法 特别需要说明的是，本节土工膜厚度的计算方法只是针对水压力作用下某种特定垫层条件下的理想计算模型，未考虑防渗膜随坝体或地基位移产生的整体变形、垫层局部不平

50、整产生的变形、施工应力、温度荷载、膜面划痕、膜体细微缺陷、复合膜内膜褶皱等系列实际存在且无法量化的变形。故只可用来进行安全复核，而设计厚度的确定宜采用本章第3节中的方法选择。对于高水头重要防渗工程还需要开展能够模拟实际荷载和变形条件的仿真模型试验对土工膜厚度进行安全复核。5.3 防渗设计与计算方法5.3.5 防渗膜厚度的安全复核方法 薄膜张在边界上，如图5-19所示。在均匀水压力p（单位面积的力）的作用下，膜发生挠曲变位w(x,y)，并受到均匀拉力T（单位长度的力）。根据微元各边的拉力在w轴方向的投影之和与水压力pdxdy平衡的条件，得到方程：5.3 防渗设计与计算方法5.3.5 防渗膜厚度的