复合土工膜防渗技术.docx

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复合土工膜防渗技术

复合土工膜防渗技术

1概述

1.1复合土工膜的基本概念

复合土工膜是以土工薄膜和土工织物在工厂通过挤压、滚压或喷涂等工艺制成的整体结构，它兼有薄膜防渗和织物排水的功能，起着薄膜加垫层的作用，并改善了薄膜的工程性能及简化施工程序，保证施工质量，是一种较为理想的防渗材料。

复合土工膜分为一布一膜和两布一膜、宽幅4-6m，重量为200-1500g/m2，抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标高，能满足水利、市政、建筑、交通、地铁、隧道等土木工程需要。

由于其选用高分子材料且生产工艺中添加了防老化剂，故可在非常规温度环境中使用。

1.2复合土工膜的基本特性

（1）物理特性

①单位面积质量

单位面积质量也称基本质量：

以g/m2为单位，表示的是1m2土工织物的质量，即为其基本质量。

挑选产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。

它是复合土工膜的一个重要指标。

对于任何一种产品来说，土工膜的单价与单位面积质量成正比，其力学强度随质量增大而提高。

②厚度

单位是mm，是表示承受在2kPa法向压力时，土织物的顶端和底端的间距。

复合土工膜规定2kPa压力表示复合土工膜在自然状态无压条件下的厚度，厚度随作用的法向压力而变。

不同类型土工物的压缩量差别很大，因为在利用土织物水利性的时候，首先要考虑覆压力对水力变化的影响其中针刺非织造土工织物的压缩量最大。

③孔隙率

孔隙率定义为复合土工膜中包含的孔隙体积相比于总的体积，用百分数表示。

这个量是根据密度、厚度、单位面积质量来得出的，不能直接测得。

计算公式如下:

式中：

np指孔隙率，%；ρ指原材料密度，M指单位面积质量，g/m2；σ指厚度，m。

（2）力学特性

①抗拉强度和延伸率

抗拉强度也叫做条带法抗拉强度，是单向拉伸的。

以kN/m为单位。

复合土工膜能承受的纵向和横向单位宽度的拉力即用纵向和横向的抗拉强度来表示。

抗拉强度是力学性能中的重要指标。

对应强度的应变为复合土工膜的延伸率，用百分数（%）表示。

在各种功能的应用中对抗拉强度都有一定的要求，对于抗拉强度的要求也是十分苛刻的，虽然进行排水和反滤的时候抗拉强度并不十分重要，不过因为在铺设的时候由于拉扯、撕破、顶压等措施，还有为了避免建筑物变形，因而对抗拉强度的标准也是很高的。

加筋和隔离功能时，抗拉强度主要是设计指标。

②握持强度

复合土工膜对于集中荷载的扩散大小与握持强度成正比，N为单位。

复合土工膜的抵抗荷载力即由握持强度表示。

③撕裂强度

撕裂强度的单位也是N，是说明破坏拉力的，表示的是沿复合土工膜的裂口把裂口裂开越来越大的最大的拉力。

（3）水力学特性

①透水率以及垂直渗透系数

透水率单位是1/s，表示的是水位差等于1时的渗透速率。

垂直渗透系数单位是cm/s，表示水力梯度为1，在水流以垂直的方式通过土工织物时，水流流速的速率。

②导水率以及水平渗透系数

水平渗透系数单位是cm/s，表示的是当水力梯度为1的时候，水流流速的速率，在水流沿复合土工膜平面渗透时的速率。

导水率单位是cm2/s，表示的是输水能力。

（4）与土相互作用特性

①土－织物界面摩擦系数

加筋土的形成就是把土中的复合土工膜，利用土－复合土工膜界面的摩擦力把表面的荷载力转移到表面复合土工膜，这样复合土工膜就能抵抗住拉力。

工

程实例包括加筋土挡墙、堤基加筋垫层等等。

依据试验的方法将其划分成拉拔摩擦系数以及直剪摩擦系数。

②土－织物渗透特性

在土－织物联合利用的时候，如何使复合土工膜能不发生淤堵，长期保持良

好的保土及排水性能，目前还没有满意的理论准则。

可进行长期淤堵试验或梯度比试验，来判断复合土工膜是否发生淤堵，第一种需要500～1000h才能实验完毕，第二种需要测试的时间为24h。

这两种都不完美都有欠缺之处需要进一步改进。

（5）耐久特性

关于耐久性能大多没有可遵循的规范、规程。

其性能指标包括抗生物、抗化学、抗大气环境、耐磨、抗紫外线等等。

一般按工程要求进行专门研究或参考已有工程经验来选取。

2复合土工膜的作用机理

当土工膜在土石坝中用作防渗体时，主要依赖薄膜两侧坝体材料对它的支撑。

由于其所处的位置不同，故作用机理亦不一样，由于土工膜本身是非常柔软的，且相当不透水，故当水库坝体承受作用水头时，土工膜仅起到防渗作用，而将水压力几乎全部传给支撑它的那部分坝体，该部分坝体受水压作用后发生变形，防渗土工膜亦随之发生位移。

当土工膜置于坝体中间作防渗体时，由于土工膜两侧坝体材料的性质基本一样，因而在竖向沉降时，上下游坝体变形基本相同，对中间的土工膜，虽然其材料特性与坝体材料相差甚远，但因土工膜相当柔软，故随坝体竖向沉降土工膜亦相应下降，折曲在坝体中，产生相对位移的可能性甚小，土工膜和坝体材料两者位移基本协调。

对于坝体的水平位移，土工膜随坝体产生拉伸应变，由于土工膜为整体结构，并且具有一定的抗拉强度，即对坝体位移产生抑制作用。

抑制作用的大小，取决于土工膜的抗拉性能，强度越高则抑制作用也越大，相反则小。

对于土工膜置于坝面或连同粘士心墙作组合防渗体的情况，土工膜两侧的坝体材料特性有较大差异，此时两侧坝体产生的竖向沉降和水平位移相差甚多，对于土工膜而一言，虽然它十分柔软，随坝体变形而移位，但因其两侧变形量之不同，同时，土工膜与心墙土料和坝壳材料间的摩擦系数亦不一致，故土工膜将与摩擦系数大的一侧同时滑移，而摩擦系数小的一侧因具有一定的摩擦力而产生抑制作用。

与此同时，土工膜随不同各部位的位移不同而产生拉伸应变，这将由土工膜的抗拉强度来抵抗。

相反，土工膜的抗拉强度将抑制坝体的变形，这是相辅相成的。

土工膜置于两种不同介质中，必然遭受坝体材料的挤压，则土工膜将可能在粗粒材料的孔隙中产生顶破及被尖棱角穿刺，顶破和穿刺的程度取决于法向压应力的大小，支撑材料的形状和大小以及土工膜本身的强度和伸长率，若土工膜受力弯曲变形达到并超过其极限伸长率或者超过其抗拉强度，土工膜即发生破裂，或者土工膜的抗穿刺力小于其间的接触力时，土工膜将刺穿，丧失抗渗能力。

3复合土工膜的选择

复合土工膜是非机织型土工织物与土工薄膜通过挤压、滚压或喷涂等加工工艺合成，其结构有一布一膜，二布一膜等类型，薄膜主要起防渗截水作用，而织物既能起排水又能起到弥补薄膜自身强度的不足和保护薄膜的作用。

良好的均匀性和防渗性能是选择土工膜的首要问题，一般塑料制品，尤其是热压塑料制品，质地比较均一，渗透系数也较合成橡胶小，工程中选用较多。

涂塑的制品均匀性较差，选用时需慎重。

橡胶制品也有压制的涂刷的两种，前者较后者优，但橡胶制品渗透系数一般较塑料制品大，应根据工程具体条件选用。

土工膜的厚度直接影响工程质量。

减少渗漏，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具有一定的厚度。

除耐水压击破可用计算方法确定膜厚外，还没有考虑其它因素确定膜厚的方法。

根据水压力大小用理论计算的膜厚一般较薄，实用时需要留有较大的安全系数，常用的土工膜厚度一般不小于0.25mm。

复合土工膜可明显增大抗刺破和耐水能力，重要工程可优先选用。

为增加土工膜与保护层或支持层的摩擦力，可在制造时加粗土工膜表面。

膜外表面为针刺无纺不当复合土工膜不仅可以加大表面粗度，而且可作为排水层和垫层，但造价较高，宜于重要建筑物选用。

图3-9复合土工膜样式

4复合土工膜技术特点

优点：

由于复合土工膜是一种高分子化学柔性材料，具有防渗效果好、延伸性较强、比重较小、耐腐蚀、耐低温、抗冻性能好、使用寿命长、适应变形能力高等特点。

①防渗材料性能好：

土工膜或复合土工膜防渗效果很好，其渗透系数一般小于10~llcm/s；柔性好，易于施工；寿命长，在地下良好的保护状态下，其工作寿命至少在80年以上。

②开槽机造槽经济适用：

开槽机是垂直铺塑防渗技术施工开槽的主要设备，机械结构简单、操作方便、机理明确、施工速度快，造孔经济适用。

③施工速度快、工程造价低：

主要表现在机械性能好，材料的单位面积造价经济、且易于施工两个方面。

④改善堤坝本身的结构性能：

复合土工膜是一种柔性材料，当与砾质粘土心墙做组合防渗体时，由于其具有较高的抗拉强度，抑制了土体的应变，从而使土体各部位的应力有所调整。

另外，复合土工膜的渗透系数相当小，可消杀作用水头，使坝体内的自由水面降低很多，渗流量减小，有利于下游坝坡的稳定。

缺点：

因为复合土工膜是一种高分子化学柔性材料，强度低、抗拉性差，容易老化、破裂、脆裂、化学腐蚀等，所以在施工中必须做好保护层铺设，防止暴晒，尖物刺穿等；利用开槽施工，开槽深度有限。

5复合土工膜施工工艺与施工技术研究

5.1施工方法

根据有关规程规范的规定和工程建设的实际提出复合土工膜如下施工方法：

（1）清基处理与垫层施工

清基表面要求清理干净，并除去树木、草根和腐殖土以及其它杂物，同时将井、塘、洞穴等进行回填。

达到平整度要求后，对坡面砂垫层进行碾压密实，验

收合格方可铺膜。

（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，这样在铺设时就不会出现水平接缝，只有幅边的接缝。

斜坡土工膜水平铺盖自坡脚向外铺设，从上到下进行铺设。

铺膜时要求土工膜与垫层结合面必须平整吻合，注意适度张弛，避免人为和施工机械的破坏。

（3）焊接工艺

第一幅土工膜铺好后，将需焊接的边进行翻叠，翻叠宽度约60cm，第二幅反铺在第一幅膜上，调整两幅膜焊接边缘走向，使其搭接长度约10cm，以利于焊接机运行。

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-210V型或改进型自动爬行热合焊机进行连接。

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人相互配合。

焊机操作人员根据环境温度的变化调整焊接温度和行走速度，温度一般调到250～300℃，速度1～2m/min，从而确保焊接质量。

每道焊缝完成后，随即进行外观质量检查，看两条焊缝是否熔点、漏点、清晰、透明焊缝跑边、气泡或无夹渣等缺陷。

另外可用0.05～0.1MPa压力水针在双焊缝间注入彩色水，稳定1min后不发生漏水现象，则为质量合格。

如发现有漏焊、溶点等现象，立即用塑料枪补焊。

图3-10复合土工膜现场施工

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人相互配合。

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，将第二幅翻回铺设完好。

再依次循环施工。

二布一膜连接施工程序为：

铺膜－焊膜－缝底层布－翻面铺好－缝上层布。

图3-11复合土工膜现场施工

5.2施工流程

图3-12复合土工膜施工流程

4.5.3施工要点

复合土工膜的粘接问题，复合土工膜目前在水利工程防渗中已应用越来越多，膜体之间粘结部位往往会成为防渗体的薄弱部位。

因此，应用复合土工膜防渗的堤段，复合土工膜之间的粘结问题应充分重视。

（1）首先从单元工程施工的第一道工序严格推行“三检制”，根据设计要求

和施工条件等建立健全的质量保证体系，制定一套完整适用的施工严格的操作规程及质量管理办法，确保工程施工质量；

（2）土工膜由厂家运至仓库后，即按约20000m2任意选择1组样本抽样检查，并及时换掉不合格的样品；

（3）做好铺设基面和垫层。

斜坡土工膜铺设，要求先按设计断面清除坡面石块等尖突物，进行削坡处理，然后铺垫厚度大于10cm的中砂，拍板或滚筒压实整平，并在表面洒适量的水。

水平铺盖直接铺设在砂砾石垫层上，要求清除表层杂土和树根、草皮、乱石堆及其他杂物，并回填井、塘、孔洞。

砂砾石垫层厚度控制在30cm左右。

对地面高差起伏较大的部位使基层平滑过渡，须进行平整。

对砂砾石垫层进行碾压，基面达到平整度设计要求后，保证土工膜与平整基面吻合；

（4）流水作业和分段施工是铺设复合土工膜的常用手段，顺堤轴向每15m为1段（以复合土工膜幅宽5m为模数），垂直堤轴向可分为斜坡段和水平段。

每段首先进行水平段施工，而后依次进行斜坡段施工。

以15米作为两个施工段间距的模数。

（5）斜坡复合土工膜水平铺盖由坡脚向铺盖首端进行铺设，从上至下铺设。

铺设时为了避免应力集中和人为破伤，应注意复合土工膜适度张驰。

为了预防复合土工膜形成弯折形变造成渗水通道，就必须做到复合土工膜、地基、垫层接触面贴合整齐吻合工整。

复合土工膜铺设后，以免应力集中和人为造成土工膜的破坏，应随即回填保护层。

（6）膜焊布缝是复合土工膜在连接时的常用的方式。

双焊ZPR-210型热焊机和其它改进型的热焊机是的PE膜应用的比较多的。

为了令膜的表层整洁干净我们在焊接之前都会清理膜表层的脏东西，进行焊接操作时要确保膜与膜能够吻合工整。

技术人员要留心查看焊接双缝质量，在爬行焊接过程中，一般温度控制在250℃～300℃，行走速度一般为1～2m/min应随时根据环境温度变化调整焊接温度和行走速度。

在确定适当的工艺参数之前需要先在样本上尝试焊接，之后再正式焊接。

在正式焊接的时候要认真观察，清晰与否，像气泡、熔点或焊缝跑边这样的缺陷是否存在在焊缝的地方，不合格的应及时进行补焊。

缝合针距以6mm为宜。

对斜坡上的二布一膜位置应先缝合下层布再缝合上层布。

缝线采用三股双丝涤纶绞线。

复合土工膜施工，平均每个工作面每天可铺设斜坡复合土工膜300m2，与粘土防渗方案比，铺设水平段复合土工膜700m2，工效可提高近50%，且质量可保证，施工也简便。

5.4复合土工膜存在的不足

（1）现场热焊接工艺复杂不易掌握，焊缝质量检测困难且不准确。

尤其对于人工湖水深一般较浅，因此选择复合土工膜强度不是控制因素一般选择的复合土工膜都较薄，而资料表明较薄的复合土工膜的焊接工艺尤为困难。

（2）支撑层和保护层的要求高，垫层中不能含有带尖角、利棱的砂砾石，否则很容易被硌破。

（3）在紫外线的照射下易老化，运输、贮放及铺设施工过程中应注意保护，所以土工膜在铺设后应尽快铺设覆盖层。

（4）界面摩擦系数小，故在陡坡铺设困难。

（5）刮风时已铺设完成而未铺设保护层的复合土工膜易于备风吹动而撕破。

（6）缺陷补救困难，膜体经焊接后，不能再次进行焊接，所以形成漏焊或漏点后，只能用电吹风加热膜体，然后用手压粘接的方法来补救。

但这种方法粘接的膜体，抗拉强度不稳定，质量无保证。