土工膜防渗设计
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土工膜防渗设计
土工膜及特性
土工膜
• 土工膜一般分为沥青和聚合物(合成高聚物)两大类，也有 采用天然橡胶制作的。为了适应工程应用中不同强度和变 形的要求，两类中又有不加筋和加筋或组合之别。土工膜 的主要特征是透水性极低。工程应用中更重视其防水(渗 透性和透气性)、抗老化的能力及耐久性。同时土工膜有 很好的不透水性，和很好的弹性和适应变形的能力，能承 受不同的施工条件和工作应力，具有良好的耐老化性能。
土工膜防渗坝体结构
• 砂卵石坝、堆石坝、砌石坝都可以用复合 土工膜防渗。 • 三种主要的结构布置型式 上游坡复合土工膜防渗 复合土工膜铺盖和上游坡面防渗 复合土工膜心墙
土工膜防渗坝体结构
• 上游坡复合土工膜防渗 • 有两种不同情况，采用两种不同的结构布 置:一是坝坡较平缓，复合土工膜靠摩擦力 就能稳定，结构布置相当简单。只要整平 坝坡面，铺复合土工膜，其表面用块石护 坡或顶制混凝土板护坡。
• 2)顾淦臣的薄膜理论公式 • A、对正方形边界上的膜
• B、对长条形缝边界上的膜
式中T一单位宽度膜的拉应力(KN/ms)
• • • • ￡一拉应变(伸长率%) p一水压力荷载(KPa) a一正方形膜的边长( m) b一长条缝的宽度(m)
• 由上述公式作T- 应力应变关系曲线，并作 选用土工膜试验所得拉应力应变曲线，求 得两曲线交点处的拉应力值，该拉应力与 所选土工膜拉断时拉应力的比值(即应力安 全系数)是否满足设计要求，一般规定安全 系数为5。
颗粒级配愈好，耐水压性能愈强；颗 粒 愈 细 ，耐 水 压 力也愈 强
土工膜的工程性质
• 土工膜摩擦特性 • 当在斜坡上铺设土工织布时，土工织布与 其他材料(包括土类)之间的摩擦特性，是设 计上一个重要的控制指标。土工织布表面 较为光滑，它与其他材料之间的摩擦角较 土的摩擦角小，很容易沿界面产生滑动。
土工膜防渗坝体结构
• 上游坡复合土工膜防渗 • 一种是坝坡较陡，复合土工膜在斜坡上靠 摩擦力不能维持稳定，要增加粘结力才行 。这就需要用胶粘剂把复合上工膜胶粘在 坝坡的固坡层上。对于不同的坝坡，可以 选择不同的固坡层和胶粘剂。更陡的坝坡 ，可用锚杆将复合土工膜锚入坝体。锚杆 穿过复合土工膜处，可用胶粘剂填补密实 。
复合土工膜
复合土工膜是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起 的制品。这类制品将各组合料的特性相组合，以满足工程的 特定需要。复合土工膜的品种繁多，是今后一段时期发展的 方向。其中复合土工膜是比较常用的一种土工膜合成材料。 复合土工膜是将土工膜 和土工织物(包括织造和非强造型) 复合在一起的产品。应用较多的是针刺土工织物，其单位面 积质量一般为200~600g/m2。 复合土工膜有许多优点。例如，以织造型土工织物复合， 可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏; 以非织造物复合，不仅对膜提供加筋和保护还可起到排水排 气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧 洞工程中有广泛的应用。
土工膜的施工
• 1.土工膜的连缝 • 焊接 焊接方法有电热锲、热熔挤压、高温气焊等 ，其中电热锲焊接应用较广。
土工膜的施工
• 焊接 与焊接相比较，粘接工艺的应用理论研究 较少，主要是对实践经验的总结。 与焊接工艺相比，粘接工艺比较适合于平 地或坡度较缓的施工场地，粘合后的重压易 于施加，对于陡坡与直立壁，只能以木锤击 打替代重压 粘接工艺对环境要求相对严格，工艺环节 较为复杂，质量控制与质量检查比焊接工艺 难，然而粘接工艺在缺陷修补方面有优势
土工膜 土工织物与其他建筑物材料之间的摩擦 系数
土工膜防渗设计
• 土工膜防渗层结构 • 土工膜的防渗设计土工膜防渗层结构包括: 上游面防护层、上垫层、防渗土工膜、下 垫层和支持层。有时也将下垫层和支持层 和合在一起，统称为支承层，防护层和上 垫层又统称为保护层。
防渗面层结构
土工膜防渗设计
支承层是保证防渗土工膜安全、稳定的重 要组成结构 ，在设计时应尽量颗粒较细的材 料构成下垫层，以确保防渗土工膜不会遭到 穿刺或顶破破坏，形成渗漏通道。同时要求 支持层与下垫层间必须满足渗透稳定的层间 关系，以确保在防渗土工膜破坏时垫层的渗 透稳定性。 保护层起到保护防渗土工膜的作用，由上 游防护层(即 护 坡 ）和上垫层共同组成，作 为土石坝的上游护坡。
堆石坝上游坡用复合土工膜防渗的坝断面和细部图示例。
复合土工膜铺盖和上游坡面防渗
在水库水位降落时，复合土工膜下面的渗透水 向前端和末端排出，需要相当时间才能逐渐排出， 所以膜下的水压力消散很慢。而水库水位降落较快 。以致膜下的水压力大于膜上的水压力，会使复合 土工膜被顶托漂起，尤其是铺盖中部，上托水压力 远远大于膜上面的水压力。应该计算在水库水位下 降的过程中，铺盖下各点的顶托压力过程。按照铺 盖底部与顶部水压力差的最大值计算确定复合土工 膜上应该压填砂卵石的厚度。这样算出的砂卵石厚 度可能很厚。
• 顶部链接
土工膜的施工
土工膜的施工
根据一些研究成果，土工织布摩擦特性有以 下4个特点
①界面上的剪切应力与位移之间为非线性的关系，受所 接触土料变形性的影响，在峰值点以前的应力与位移关系基 本上符合双曲线关系。 ②界面的峰值摩擦阻力与正应力呈(通过原点)直线关系， 其斜率为tand，d为土工织布与该材料的摩擦角。 ③摩擦角的大小与膜材料的界面特性有，光面膜与土之间 的摩擦系数最小，经常是滑动的薄弱面。 ④在一般情况下，水下的摩擦角要比干燥时小2~5。在设 计时，需要慎重考虑。
围坝坝体防渗型式主要有心墙式和斜墙式 心墙式防渗结构
• 土工膜一般置于坝体内部，下接基础垂直防渗。 该防渗型式优点为:土工膜用量较省。缺点为:由于 施工时要求坝体填筑与土工膜心墙铺设连接同时 上升，而且土工膜应做成锯齿形铺设，以适应堤 坝的沉陷，施工较复杂，土工膜施工受坝体填Hale Waihona Puke Baidu 影响，相互存在干扰。
土工膜的工程性质
• 防渗特性
• 土工膜就其分子结构和制造工艺来说，应该说是 不透水和不透气的，但是试验研究和工程实践证 明，由于制造工艺上的种种原因，常用的土工膜 不是绝对不透水的，或者只能说是如果沿用达西 渗透定律的概念，在水利工程中渗透系数应为 K<1010cm/s的粘土为不透水土，则可称为不透水 的土工织布的渗透系数应为K<1014cm/s，这是因 为土工织布防渗体的厚度比粘土防渗体的厚度薄 的很多，在相同水头差作用下其水力梯度比后者 大很多。
复合土工膜心墙
• 砂卵石坝、砂坝、堆石坝都可采用复合土 工膜心墙防渗，结构简单。复合土工膜深 埋坝内，使用寿命长，但不易检修。 • 心墙复合土工膜呈折线铺设的原因主要是 施工方便;并且折线型松弛，更能适应坝体 变形，不产生较大拉应变和拉应力。因为 较大的拉应变和较高的拉应力会加速土工 合成材料老化。
复合土工膜铺盖和上游坡面防渗
• 为了减小所填砂卵石厚度，可在复合土工 膜某些部位装置逆止阀，当底部水压力大 时，逆止阀向上排水。当顶部水压力大时 ，逆止阀闭合，不会向下漏水。在水库初 蓄水时，原来干燥的库床砂砾石孔隙中气 体会因水渗入而向上排出，会顶托复合土 工膜使之漂浮，所以也需要逆止阀排气。 为此，设置逆止阀是必需的。
• 1987年前苏联出版的《土坝设计》中介绍 聚合物膜厚度的计算公式为:
• 根据水压大小，用理论公式和前苏联经验 公式计算出的薄膜厚度一般较薄，但在实 际工程中，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有一定 厚度，除耐水压力击破可用计算方法确定 膜厚外，还没有考虑其他因素确定膜厚的 方法，实际应用在工程中，需留有较大安 全系数。
• 斜墙式防渗结构
在坝体填筑完成后在上游坡面铺设土工膜。该 防渗型式优点为:土工膜施工与坝体填筑互不干扰， 土工膜施工速度快，而且具备检修条件。缺点为:土 工膜用量较大，上游坝坡专门设置土工膜保护层及 相应护坡结构，工程量较心墙式大。适合新建或加 固工程。
土工膜厚度计算
铺在颗粒地层上的土工膜厚度计算一般有下列两种计算方 法: 1)前苏联经验公式 1974年前苏联水工科学研究院在薄膜理论的基础上结合试 验，得出计算薄膜应力 的经验公式如下:
土工膜的工程性质
• 所以，对一般的水利工程而言，渗透系数 K<1013~1015cm/s。质量满足要求的土工织布是可 以认为满足不透水要求的。但是，如果用于防有 毒液体或气体的渗漏，则应对土工织布的不透水 性提出更高的要求。
土工膜的工程性质
• 耐水压性能 • 作为防渗结构主体的上工织布，在工作时 承受着较大的(有时甚至是巨大的)水压力， 土工织布可能在支持层颗粒孔隙处被水压 压破而击穿。一般来说，颗粒级配愈好， 耐水压性能愈强;颗料愈细，耐水压力也愈 强。
土工膜的施工
• 土工膜的锚着 周边锚着 顶部连接
土工膜的施工
• 周边锚着
坝脚连接锚固示意图
土工膜的施工
土工膜的施工
• 对于水头较高、膜较厚或土工膜锚着附近部位可能发生较 大位移的情况，膜与基岩或混凝土连接时，尽可能采用螺 栓锚固，并在可能发生较大位移的相反方向留有膜与土体 共同变形的余幅
土工膜的施工
土工膜及特性
土工膜
• 土工膜一般分为沥青和聚合物(合成高聚物)两大类，也有 采用天然橡胶制作的。为了适应工程应用中不同强度和变 形的要求，两类中又有不加筋和加筋或组合之别。土工膜 的主要特征是透水性极低。工程应用中更重视其防水(渗 透性和透气性)、抗老化的能力及耐久性。同时土工膜有 很好的不透水性，和很好的弹性和适应变形的能力，能承 受不同的施工条件和工作应力，具有良好的耐老化性能。
土工膜防渗坝体结构
• 砂卵石坝、堆石坝、砌石坝都可以用复合 土工膜防渗。 • 三种主要的结构布置型式 上游坡复合土工膜防渗 复合土工膜铺盖和上游坡面防渗 复合土工膜心墙
土工膜防渗坝体结构
• 上游坡复合土工膜防渗 • 有两种不同情况，采用两种不同的结构布 置:一是坝坡较平缓，复合土工膜靠摩擦力 就能稳定，结构布置相当简单。只要整平 坝坡面，铺复合土工膜，其表面用块石护 坡或顶制混凝土板护坡。
• 2)顾淦臣的薄膜理论公式 • A、对正方形边界上的膜
• B、对长条形缝边界上的膜
式中T一单位宽度膜的拉应力(KN/ms)
• • • • ￡一拉应变(伸长率%) p一水压力荷载(KPa) a一正方形膜的边长( m) b一长条缝的宽度(m)
• 由上述公式作T- 应力应变关系曲线，并作 选用土工膜试验所得拉应力应变曲线，求 得两曲线交点处的拉应力值，该拉应力与 所选土工膜拉断时拉应力的比值(即应力安 全系数)是否满足设计要求，一般规定安全 系数为5。
颗粒级配愈好，耐水压性能愈强；颗 粒 愈 细 ，耐 水 压 力也愈 强
土工膜的工程性质
• 土工膜摩擦特性 • 当在斜坡上铺设土工织布时，土工织布与 其他材料(包括土类)之间的摩擦特性，是设 计上一个重要的控制指标。土工织布表面 较为光滑，它与其他材料之间的摩擦角较 土的摩擦角小，很容易沿界面产生滑动。
土工膜防渗坝体结构
• 上游坡复合土工膜防渗 • 一种是坝坡较陡，复合土工膜在斜坡上靠 摩擦力不能维持稳定，要增加粘结力才行 。这就需要用胶粘剂把复合上工膜胶粘在 坝坡的固坡层上。对于不同的坝坡，可以 选择不同的固坡层和胶粘剂。更陡的坝坡 ，可用锚杆将复合土工膜锚入坝体。锚杆 穿过复合土工膜处，可用胶粘剂填补密实 。
复合土工膜
复合土工膜是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起 的制品。这类制品将各组合料的特性相组合，以满足工程的 特定需要。复合土工膜的品种繁多，是今后一段时期发展的 方向。其中复合土工膜是比较常用的一种土工膜合成材料。 复合土工膜是将土工膜 和土工织物(包括织造和非强造型) 复合在一起的产品。应用较多的是针刺土工织物，其单位面 积质量一般为200~600g/m2。 复合土工膜有许多优点。例如，以织造型土工织物复合， 可以对土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏; 以非织造物复合，不仅对膜提供加筋和保护还可起到排水排 气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧 洞工程中有广泛的应用。
土工膜的施工
• 1.土工膜的连缝 • 焊接 焊接方法有电热锲、热熔挤压、高温气焊等 ，其中电热锲焊接应用较广。
土工膜的施工
• 焊接 与焊接相比较，粘接工艺的应用理论研究 较少，主要是对实践经验的总结。 与焊接工艺相比，粘接工艺比较适合于平 地或坡度较缓的施工场地，粘合后的重压易 于施加，对于陡坡与直立壁，只能以木锤击 打替代重压 粘接工艺对环境要求相对严格，工艺环节 较为复杂，质量控制与质量检查比焊接工艺 难，然而粘接工艺在缺陷修补方面有优势
土工膜 土工织物与其他建筑物材料之间的摩擦 系数
土工膜防渗设计
• 土工膜防渗层结构 • 土工膜的防渗设计土工膜防渗层结构包括: 上游面防护层、上垫层、防渗土工膜、下 垫层和支持层。有时也将下垫层和支持层 和合在一起，统称为支承层，防护层和上 垫层又统称为保护层。
防渗面层结构
土工膜防渗设计
支承层是保证防渗土工膜安全、稳定的重 要组成结构 ，在设计时应尽量颗粒较细的材 料构成下垫层，以确保防渗土工膜不会遭到 穿刺或顶破破坏，形成渗漏通道。同时要求 支持层与下垫层间必须满足渗透稳定的层间 关系，以确保在防渗土工膜破坏时垫层的渗 透稳定性。 保护层起到保护防渗土工膜的作用，由上 游防护层(即 护 坡 ）和上垫层共同组成，作 为土石坝的上游护坡。
堆石坝上游坡用复合土工膜防渗的坝断面和细部图示例。
复合土工膜铺盖和上游坡面防渗
在水库水位降落时，复合土工膜下面的渗透水 向前端和末端排出，需要相当时间才能逐渐排出， 所以膜下的水压力消散很慢。而水库水位降落较快 。以致膜下的水压力大于膜上的水压力，会使复合 土工膜被顶托漂起，尤其是铺盖中部，上托水压力 远远大于膜上面的水压力。应该计算在水库水位下 降的过程中，铺盖下各点的顶托压力过程。按照铺 盖底部与顶部水压力差的最大值计算确定复合土工 膜上应该压填砂卵石的厚度。这样算出的砂卵石厚 度可能很厚。
• 顶部链接
土工膜的施工
土工膜的施工
根据一些研究成果，土工织布摩擦特性有以 下4个特点
①界面上的剪切应力与位移之间为非线性的关系，受所 接触土料变形性的影响，在峰值点以前的应力与位移关系基 本上符合双曲线关系。 ②界面的峰值摩擦阻力与正应力呈(通过原点)直线关系， 其斜率为tand，d为土工织布与该材料的摩擦角。 ③摩擦角的大小与膜材料的界面特性有，光面膜与土之间 的摩擦系数最小，经常是滑动的薄弱面。 ④在一般情况下，水下的摩擦角要比干燥时小2~5。在设 计时，需要慎重考虑。
围坝坝体防渗型式主要有心墙式和斜墙式 心墙式防渗结构
• 土工膜一般置于坝体内部，下接基础垂直防渗。 该防渗型式优点为:土工膜用量较省。缺点为:由于 施工时要求坝体填筑与土工膜心墙铺设连接同时 上升，而且土工膜应做成锯齿形铺设，以适应堤 坝的沉陷，施工较复杂，土工膜施工受坝体填Hale Waihona Puke Baidu 影响，相互存在干扰。
土工膜的工程性质
• 防渗特性
• 土工膜就其分子结构和制造工艺来说，应该说是 不透水和不透气的，但是试验研究和工程实践证 明，由于制造工艺上的种种原因，常用的土工膜 不是绝对不透水的，或者只能说是如果沿用达西 渗透定律的概念，在水利工程中渗透系数应为 K<1010cm/s的粘土为不透水土，则可称为不透水 的土工织布的渗透系数应为K<1014cm/s，这是因 为土工织布防渗体的厚度比粘土防渗体的厚度薄 的很多，在相同水头差作用下其水力梯度比后者 大很多。
复合土工膜心墙
• 砂卵石坝、砂坝、堆石坝都可采用复合土 工膜心墙防渗，结构简单。复合土工膜深 埋坝内，使用寿命长，但不易检修。 • 心墙复合土工膜呈折线铺设的原因主要是 施工方便;并且折线型松弛，更能适应坝体 变形，不产生较大拉应变和拉应力。因为 较大的拉应变和较高的拉应力会加速土工 合成材料老化。
复合土工膜铺盖和上游坡面防渗
• 为了减小所填砂卵石厚度，可在复合土工 膜某些部位装置逆止阀，当底部水压力大 时，逆止阀向上排水。当顶部水压力大时 ，逆止阀闭合，不会向下漏水。在水库初 蓄水时，原来干燥的库床砂砾石孔隙中气 体会因水渗入而向上排出，会顶托复合土 工膜使之漂浮，所以也需要逆止阀排气。 为此，设置逆止阀是必需的。
• 1987年前苏联出版的《土坝设计》中介绍 聚合物膜厚度的计算公式为:
• 根据水压大小，用理论公式和前苏联经验 公式计算出的薄膜厚度一般较薄，但在实 际工程中，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有一定 厚度，除耐水压力击破可用计算方法确定 膜厚外，还没有考虑其他因素确定膜厚的 方法，实际应用在工程中，需留有较大安 全系数。
• 斜墙式防渗结构
在坝体填筑完成后在上游坡面铺设土工膜。该 防渗型式优点为:土工膜施工与坝体填筑互不干扰， 土工膜施工速度快，而且具备检修条件。缺点为:土 工膜用量较大，上游坝坡专门设置土工膜保护层及 相应护坡结构，工程量较心墙式大。适合新建或加 固工程。
土工膜厚度计算
铺在颗粒地层上的土工膜厚度计算一般有下列两种计算方 法: 1)前苏联经验公式 1974年前苏联水工科学研究院在薄膜理论的基础上结合试 验，得出计算薄膜应力 的经验公式如下:
土工膜的工程性质
• 所以，对一般的水利工程而言，渗透系数 K<1013~1015cm/s。质量满足要求的土工织布是可 以认为满足不透水要求的。但是，如果用于防有 毒液体或气体的渗漏，则应对土工织布的不透水 性提出更高的要求。
土工膜的工程性质
• 耐水压性能 • 作为防渗结构主体的上工织布，在工作时 承受着较大的(有时甚至是巨大的)水压力， 土工织布可能在支持层颗粒孔隙处被水压 压破而击穿。一般来说，颗粒级配愈好， 耐水压性能愈强;颗料愈细，耐水压力也愈 强。
土工膜的施工
• 土工膜的锚着 周边锚着 顶部连接
土工膜的施工
• 周边锚着
坝脚连接锚固示意图
土工膜的施工
土工膜的施工
• 对于水头较高、膜较厚或土工膜锚着附近部位可能发生较 大位移的情况，膜与基岩或混凝土连接时，尽可能采用螺 栓锚固，并在可能发生较大位移的相反方向留有膜与土体 共同变形的余幅
土工膜的施工