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瑞恒土工/土工膜在水利水電工程中的應(yīng)用
摘要：本文結(jié)合土工膜作用機理的主要應(yīng)用領(lǐng)域，如應(yīng)用于土石壩、混凝土壩、垂直防滲墻、渠道與水池及隧洞工程等方面的分析，對工程中設(shè)計方面應(yīng)的考慮問題做出了相應(yīng)的探討，并做出了這方面工作的體會。關(guān)鍵詞：水利水電工程,土工膜,應(yīng)用領(lǐng)域,設(shè)計,體會
1土工膜作用機理的主要應(yīng)用領(lǐng)域
1.1混凝土壩工程
土工膜用于老混凝土壩上游壩面修理，也用于新建壩。前者是當老壩上游壩面長期運用，表面腐蝕，透水性增大時，以土工膜貼面起防滲作用；對于新建碾壓混凝土壩，土工膜是作上游壩面的好材料。
1.2土石壩工程
土石壩工程中用土工膜的目的是防止壩體或壩基滲漏，既用于新壩，也用于舊壩修補和加高，包括:(1)用作上游斜墻；(2)雙層襯砌，既作斜墻，又做上游鋪蓋；(3)建于透水地基上的壩，作雙層襯砌鋪蓋，單層膜作斜墻；(4)單層鋪蓋；(5)鋪蓋部位下有軟弱層或易于破壞的區(qū)域，鋪蓋用單層土工膜，其下以土工格柵或高強、高模量土工織物加筋土體；(6)以土工膜作垂直防滲；(7)貫穿壩體的垂直防滲墻，可用于新建壩或舊壩；(8)折線形防滲墻，在新建壩中隨填土施工逐塊焊接向上延伸；(9)舊壩加高時用作加高部分壩體的防滲墻；(10)對兩種壓縮性不同材料的壩體，在兩種材料界面處的壩坡上用土工膜防止裂縫滲漏；(11)舊壩漏水，以土工膜作斜墻；(12)用土工膜修補地基漏洞等。
1.3渠道與水池
利用土工膜作為渠道與水池防滲襯砌的實例很多。有意義的是，美國墾務(wù)局曾在正過水的加州Coachella渠道上完成了300m長的土工膜襯砌鋪設(shè)試驗。試驗用PVC土工膜厚0.75mm，其上粘有115g/㎡的針制土工織物，混凝士護面板就直接在它上面澆筑。每片土工膜尺寸為61m×17.9m，粘貼劑為四氫化呋喃。施工采用了特制的160t的挖掘平坡機和180t的水下鋪設(shè)機，它們都配有履帶，并安裝在跨度為31.4m的橫跨渠道的桁架上。
1.4垂直防滲墻
傳統(tǒng)的地基垂直防滲措施是建造混凝土防滲墻。近年來國外有些工程已開始利用以聚合材料制造的稱為地鎖扳的板材插入地基內(nèi)以替代連續(xù)墻，深度可達到15m或更深。
1.5隧洞工程
土工膜既用于無壓隧洞，又用于有壓隧洞。土工膜用于隧洞的作用主要為防滲，為了排除來自圍巖裂隙的滲水，往往采用背面粘有針刺土工織物的復(fù)合土工膜。
2設(shè)計方面要考慮的問題
2.1土工膜厚度
強調(diào)土工膜要有一定厚度是基于下列考慮:(1)保證其有足夠不透水、不透氣性；(2)有抵抗破壞的能力，例如對HDPE膜，擦痕深至全厚的25%，屈服強度可能降低25%，破壞應(yīng)變甚至減小7%至14%；(3)便于焊接,土工膜要求厚度應(yīng)根據(jù)沉降等原因引起的變形量來計算，但還要考慮施工條件及偶然荷載等因素，通常厚度應(yīng)不小于0.5mm，而且厚度的不均勻不宜超過±10%。
2.2接縫強度
一般說來，接縫強度總較土工膜本身的強度為低，尤其是在現(xiàn)場焊接，焊縫質(zhì)量更難保證，故在焊接后應(yīng)切樣檢測，檢測方法有二種，即剪切試驗與剝離試驗，一般要求剪切強度應(yīng)不低于原材料的80%。
2.3溝錨深度要求
用土工膜作邊坡襯砌，當其向上延伸到坡頂時，通常的作法是在離坡邊一定距離L處挖淺溝(深dj)，將膜埋入，并以原地土回填夯實，目的是防止土工膜下圖1錨溝深度計算，坡頂土工膜上有時有覆蓋土，有時不鋪土Z這里要探討的問題是針對具體條件，確定溝埋深度dr，長度L一般可不大于1m(無覆蓋土?xí)r可以更短)，可以用簡化的限平衡法大致估算。
(1)
式中的T=σyt，其中Ry為土工膜屈服強度，t為其厚度；PA、PP分別為溝內(nèi)作用于膜的主動、被動土壓力；Fu、Fi分別為膜上與膜下的摩擦力；其它符號意義示于圖1中,通過驗算，一般取dr=1m已相當保守。
2.4覆蓋土層穩(wěn)定性
土工膜上有覆蓋土層時，土體由于重力易于下滑，覆蓋土有等厚度與變厚度之分，其穩(wěn)定性核算易于按限平衡條件求解。
2.4.1等厚度覆蓋土層
等厚度覆蓋土層穩(wěn)定安全系數(shù)Fs按定義為
(2)
式中的δ為填土與土工膜的摩擦角。
2.4.2不等厚度覆蓋土層
圖2(b)為作用于土層的力系，在分析穩(wěn)定性時可將整個土層分為主動楔和抗力楔，然后按楔體平衡原理核算其安全系數(shù)F,具體方法為:(1)由已知土料的內(nèi)摩擦角φ和δ求取不同安全系數(shù)Fs時的相應(yīng)值φ/Fs和δ/Fs；(2)對主動楔，以土楔重WA、膜面反力FA(與坡面法線呈δ/Fs角)繪制力平衡多邊形(令作用于垂直面mn上的反力EA平行于坡面)，可以得到兩楔界面上的反力EA；(3)對抗力楔，以其重量WNB來自主
動楔的EA和楔底反力FNB(作用方向與楔底法線呈φ/Fs角)，同樣繪平衡力三角形，但發(fā)現(xiàn)，為使該三角形封閉，界面反力尚缺△E(△E=ENB-EA)；(4)針對每一假定的Fs，可按上述步驟求得相應(yīng)的△E；(5)繪制Fs～△E曲線，則相應(yīng)于△E=0的Fs即為覆蓋土層的抗滑安全系數(shù)。
2.5邊坡的整體穩(wěn)定性
以土工膜作襯砌的邊坡也需要校核其整體穩(wěn)定性。假設(shè)滑坡沿圓弧，則可能的滑弧位置如圖3中的(Ⅰ)至(Ⅳ)。顯然圖3中的(Ⅰ)、(Ⅱ)兩種情況與土工膜無關(guān)，可以直接采用人們熟知的條分法或穩(wěn)定數(shù)法驗算；對于(Ⅲ)與(Ⅳ)，如果膜上有覆蓋土，膜中會存在拉力，而滑弧如要切斷土工膜，將受到拉力抵抗，故在穩(wěn)定驗算中，拉力T將參加到抗滑力矩中，有助于提高穩(wěn)定性,寫成計算式則為
(3)
式中的T為土工膜中拉力，T=σYt，其中σY為土工膜的屈服強度，t為土工膜厚度；X為拉力T對滑動圓心的力臂，其值等于滑動圓弧半徑R。
可見這里滑弧上部土工膜為土坡穩(wěn)定提供了一個抗滑力矩增量TX，而滑弧底部土工膜的拉力則對抗滑無明顯作用Z如果采用的是土工膜與土工織物組合材料，則土工織物中的拉力當然也應(yīng)包括在T值之中。
3結(jié)論與體會
通過以往土工膜的應(yīng)用實踐可知，選用土工膜材料時，除了應(yīng)使其滿足正常荷載下的強度和變形要求的力學(xué)性質(zhì)外，特別要注意以下各種因素:
(1)溫度，即耐高、低溫的能力，溫度長期過高，會產(chǎn)生明顯蠕變，過低將會使材料變脆，同時難以保證焊縫質(zhì)量，通常認為應(yīng)保證土工膜在45℃和-25℃范圍內(nèi)能正常工作；
(2)化學(xué)抗力，當土工膜與含酸、堿、鹽及重金屬離子的流體或固體廢料長期接觸時，可能產(chǎn)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)，尤其是對焊縫材料，應(yīng)通過相應(yīng)試驗來論證膜料的抗力；
(3)排氣保護，如果土工膜襯砌下土體中或固體廢料中會有氣體產(chǎn)生，應(yīng)設(shè)法將其排除，為此，采用土工膜和針刺土工織物粘貼的組合材料，土工織物具有輸氣功能，這種材料還兼有保護土工膜和增加其表面摩擦的作用；
(4)施工和風(fēng)力荷載。
設(shè)計中應(yīng)考慮使用土工膜的具體條件:
(1)對堆石壩，在塊石間可能存在較大孔隙，混凝土壩表面雖較平滑，但有施工縫與伸縮縫及碾壓混凝土壩的表面一般不光滑，有較大孔隙與縫隙，在高水壓力作用下，土工膜可能引起過大變形，宜采用加筋土工膜或上述土工膜與土工織物的組合材料，且應(yīng)通過相應(yīng)試驗來論證；
(2)需要考慮不均勻沉降對土工膜變形的影響；
(3)應(yīng)注意土工膜的表層保護，對于緩坡，可采用薄混疑土板；對于陡坡，可以采用噴漿，同時以土工格柵加筋，對于垂直坡，一般可不要保護；
(4)土工膜表面摩擦系數(shù)較低，HDPE的效益比(土工膜與砂土摩擦角的正切對砂土本身內(nèi)摩擦正切的比值)約為0.58，PVC的可達0.88，設(shè)計中應(yīng)驗算土工膜在斜坡上的穩(wěn)定性和膜上覆蓋土層的穩(wěn)定性，是采用兩面均貼有針刺土工織物的組合土工膜，對于陡坡，土工膜的上端應(yīng)埋入坡頂溝槽內(nèi)。
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