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土工膜在水工建筑物中的应用

发布时间:2021-07-15来源:

土工膜用作水工建筑物的止水可追溯到半个世纪以前:美国垦务局最先应用于渠道,1946年以来一直在进行各种渠道衬砌的研究和现场试验。同一时期,前苏联也在渠道方面进行了类似的应用。在大坝上安装土工膜,始于20世纪50年代的欧洲,这与新建的土石坝有关,逐渐推广到修复各种类型的大坝和新建碾压混凝土(RCC)坝。目前,全世界已采用数亿平方米的土工膜,用于大坝、渠道、水工隧洞、调压塔、抽水蓄能水库、前池水库、地下水池等的止水。

其中,要求最高的建筑物是大坝。国际大坝委员会(ICOLD)在其最近批准的关于土工膜的手册中列出了250多个采用土工膜止水的大坝。土工膜用于混凝土坝的修复(意大利高174m的AlpeGera坝),在设计土石坝(冰岛高196m的Karahnjukar坝)和RCC坝(哥伦比亚高188m的Miel 坝)中也已采用土工膜。以上列出的世界纪录都是采用裸露的PVC土工膜,占总数的84%。

土工膜的选择

20世纪60和70年代,在早期应用中,虽然采用过各种类型的土工膜,但是,在要求更加严格的新建工程中,只采用性能更高的土工膜。由于在研究、试验、设计和制造方面的进步,使停止使用原先采用的低质土工膜成为可能。

国际经验表明,以塑性PVC树脂为基质的土工膜应用于水工建筑物是最可靠和最耐久的。塑性PVC树脂的弹性模量低,柔韧性更好,因此,更能防止刺破和顶破,更能耐受机械和天气的破坏,这已由数十年的现场经验所证明(在1960年首次安装)。而且,因为它们可靠和易于焊接,安装质量更高。相反,弹性模量高、尺寸稳定性低的土工膜,例如高密度聚乙烯(HDPE),比较硬,容易被不规则的粗糙垫托层刺破和顶破。

水工中应用最广的是复合膜,也称为土工复合材料,由一层PVC土工膜在挤压过程中叠到土工织物上形成。PVC土工膜具有不透水性,土工织物提供抗剌破保护,还降低了表面准备的要求,尺寸稳定性更高,摩擦角更大,在倾斜表面上具有自稳定性,还有一定的排水能力。经验表明,安装土工复合材料比安装一层土工膜和一层土工织物好,因为摩擦角更大且能更好地将应力传递到锚固系统和垫托层。

PVC的现场成果已经由美国陆军工程师团进行的研究所确认。陆军工程师团调查了21种由不同的树脂和不同厚度组成的土工膜,来评估哪种土工膜在水工应用中性能最好。指导评价土工膜材料的参数为:

(1)材料对刺破和顶破的抗力、均质性和各向同性。必须保证在水头作用下土工膜不致因垫托层不平整而破坏。

HDPE土工膜防渗特点

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(2)对垫托层的适应性和弹性恢复。这些对降低锚固系统的应力很重要。

进行了足尺三维试验,以确认上述性能。满分为35。在试验的21种土工膜中,发现PVC遥遥领先:SibelonCNT土工复合材料(本文讨论的工程中所采用的)得35分。高压聚乙烯(HPPE)得分最低,只有5分。

为了完成该评估,调查了土工膜的所有其他有关特性(不透水性、抗撕裂性、尺寸稳定性、缝合性等),以及陆军工程师团在选择一种合适的材料时认为重要的其他参数(可施工性、以前的用途、耐久性、可用性、可修理性和成本):PVC土工复合材料名列前茅,得256分,满分为260,而HDPE得140分。

PVC土工膜的厚度和层压土工织物的密度因地而异,取决于水头、垫托层的粗糙度、受紫外线作用、所要求的寿命、建筑物本身的耐久性等等。裸露土工膜的耐久性与其厚度直接有关。试验表明,相同配方的土工膜,厚度增加一倍,则寿命增加3倍。实际上,推荐的PVC最小厚度通常对大坝为2.5mm,渠道2mm。对大坝工程而言,土工膜的费用通常只占整个防渗系统费用的10%~20%,占大坝工程总费用的3%~5%。因此,增加土工膜的厚度在财务上是节约的,因为土工膜费用的增加只占工程费用的一小部分,但是大大增加了使用寿命。

柔软的PVC和没有弹性的HDPE土工膜的采购费用差不多,后者略便宜。但是,PVC的预计寿命要长得多,这已经30多年在大坝和渠道上的使用经验所证明。因此,少花一点钱,选择HDPE不合算,因为考虑寿命成本,PVC寿命长得多,所以PVC土工膜要便宜得多。这些因素解释了为何最初因没有经验而可能会选择HDPE土工膜的原因。但是,当做了适当的工程和经济分析后,如ICOLD的大坝数据库所表明的那样,压倒性证据表明PVC由于性能与经济原因是明智的选择。

将PVC衬砌锚固在大坝上游面,以防风浪卷起,在周边锚固,以防水渗透到衬砌后面。表面锚固系统因地制宜。在混凝土坝和RCC坝中,土工膜大多数暴露在外,表面锚固是一个有专利的张拉系统。该张拉系统可安装在大坝表面(例如,印度的Kadamparai砌石坝),或者埋设在表面内(例如,印度尼西亚的BalambanoRCC坝)。在特定工地条件下(如在深谷中的落石),严重的破坏风险要求将土工膜覆盖,表面锚固可用现浇混凝土板、土壤或复合材料盖板覆盖(表面倾斜时,如土坝和渠道),或者将土工膜埋在混凝土板中,如澳大利亚的伯内特RCC坝。另一种锚固系统则用专门的胶水将土工膜锚固到混凝土上。

锚固系统最后一个环节是周边防水密封。周边防水密封可以是机械的(使用不锈钢压条),或者将土工膜埋入一个沟或槽中,或者将土工膜热焊到事先埋在混凝土结构中的PVC止水上。

上述系统都已在东南亚采用。以下实例概述了最新PVC技术的一些应用情况。

如何铺设HDPE土工膜

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