土工膜在水工建筑物中的應(yīng)用
土工膜用作水工建筑物的止水可追溯到半個(gè)世紀(jì)以前:美國(guó)墾務(wù)局最先應(yīng)用于渠道，1946年以來(lái)一直在進(jìn)行各種渠道襯砌的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。同一時(shí)期，前蘇聯(lián)也在渠道方面進(jìn)行了類(lèi)似的應(yīng)用。在大壩上安裝土工膜，始于20世紀(jì)50年代的歐洲，這與新建的土石壩有關(guān)，逐漸推廣到修復(fù)各種類(lèi)型的大壩和新建碾壓混凝土(RCC)壩。目前，全世界已采用數(shù)億平方米的土工膜，用于大壩、渠道、水工隧洞、調(diào)壓塔、抽水蓄能水庫(kù)、前池水庫(kù)、地下水池等的止水。
其中，要求最高的建筑物是大壩。國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)在其最近批準(zhǔn)的關(guān)于土工膜的手冊(cè)中列出了250多個(gè)采用土工膜止水的大壩。土工膜用于混凝土壩的修復(fù)(意大利高174m的AlpeGera壩)，在設(shè)計(jì)土石壩(冰島高196m的Karahnjukar壩)和RCC壩(哥倫比亞高188m的Miel 壩)中也已采用土工膜。以上列出的世界紀(jì)錄都是采用裸露的PVC土工膜，占總數(shù)的84%。
土工膜的選擇
20世紀(jì)60和70年代，在早期應(yīng)用中，雖然采用過(guò)各種類(lèi)型的土工膜，但是，在要求更加嚴(yán)格的新建工程中，只采用性能更高的土工膜。由于在研究、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)和制造方面的進(jìn)步，使停止使用原先采用的低質(zhì)土工膜成為可能。
國(guó)際經(jīng)驗(yàn)表明，以塑性PVC樹(shù)脂為基質(zhì)的土工膜應(yīng)用于水工建筑物是最可靠和最耐久的。塑性PVC樹(shù)脂的彈性模量低，柔韌性更好，因此，更能防止刺破和頂破，更能耐受機(jī)械和天氣的破壞，這已由數(shù)十年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)所證明(在1960年首次安裝)。而且，因?yàn)樗鼈兛煽亢鸵子诤附樱惭b質(zhì)量更高。相反，彈性模量高、尺寸穩(wěn)定性低的土工膜，例如高密度聚乙烯(HDPE)，比較硬，容易被不規(guī)則的粗糙墊托層刺破和頂破。
水工中應(yīng)用最廣的是復(fù)合膜，也稱(chēng)為土工復(fù)合材料，由一層PVC土工膜在擠壓過(guò)程中疊到土工織物上形成。PVC土工膜具有不透水性，土工織物提供抗剌破保護(hù)，還降低了表面準(zhǔn)備的要求，尺寸穩(wěn)定性更高，摩擦角更大，在傾斜表面上具有自穩(wěn)定性，還有一定的排水能力。經(jīng)驗(yàn)表明，安裝土工復(fù)合材料比安裝一層土工膜和一層土工織物好，因?yàn)槟Σ两歉笄夷芨玫貙?yīng)力傳遞到錨固系統(tǒng)和墊托層。
PVC的現(xiàn)場(chǎng)成果已經(jīng)由美國(guó)陸軍工程師團(tuán)進(jìn)行的研究所確認(rèn)。陸軍工程師團(tuán)調(diào)查了21種由不同的樹(shù)脂和不同厚度組成的土工膜，來(lái)評(píng)估哪種土工膜在水工應(yīng)用中性能最好。指導(dǎo)評(píng)價(jià)土工膜材料的參數(shù)為:
(1)材料對(duì)刺破和頂破的抗力、均質(zhì)性和各向同性。必須保證在水頭作用下土工膜不致因墊托層不平整而破壞。
(2)對(duì)墊托層的適應(yīng)性和彈性恢復(fù)。這些對(duì)降低錨固系統(tǒng)的應(yīng)力很重要。
進(jìn)行了足尺三維試驗(yàn)，以確認(rèn)上述性能。滿(mǎn)分為35。在試驗(yàn)的21種土工膜中，發(fā)現(xiàn)PVC遙遙領(lǐng)先:SibelonCNT土工復(fù)合材料(本文討論的工程中所采用的)得35分。高壓聚乙烯(HPPE)得分最低，只有5分。
為了完成該評(píng)估，調(diào)查了土工膜的所有其他有關(guān)特性(不透水性、抗撕裂性、尺寸穩(wěn)定性、縫合性等)，以及陸軍工程師團(tuán)在選擇一種合適的材料時(shí)認(rèn)為重要的其他參數(shù)(可施工性、以前的用途、耐久性、可用性、可修理性和成本):PVC土工復(fù)合材料名列前茅，得256分，滿(mǎn)分為260，而HDPE得140分。
PVC土工膜的厚度和層壓土工織物的密度因地而異，取決于水頭、墊托層的粗糙度、受紫外線(xiàn)作用、所要求的壽命、建筑物本身的耐久性等等。裸露土工膜的耐久性與其厚度直接有關(guān)。試驗(yàn)表明，相同配方的土工膜，厚度增加一倍，則壽命增加3倍。實(shí)際上，推薦的PVC最小厚度通常對(duì)大壩為2.5mm，渠道2mm。對(duì)大壩工程而言，土工膜的費(fèi)用通常只占整個(gè)防滲系統(tǒng)費(fèi)用的10%~20%，占大壩工程總費(fèi)用的3%~5%。因此，增加土工膜的厚度在財(cái)務(wù)上是節(jié)約的，因?yàn)橥凉つべM(fèi)用的增加只占工程費(fèi)用的一小部分，但是大大增加了使用壽命。
柔軟的PVC和沒(méi)有彈性的HDPE土工膜的采購(gòu)費(fèi)用差不多，后者略便宜。但是，PVC的預(yù)計(jì)壽命要長(zhǎng)得多，這已經(jīng)30多年在大壩和渠道上的使用經(jīng)驗(yàn)所證明。因此，少花一點(diǎn)錢(qián)，選擇HDPE不合算，因?yàn)榭紤]壽命成本，PVC壽命長(zhǎng)得多，所以PVC土工膜要便宜得多。這些因素解釋了為何最初因沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)而可能會(huì)選擇HDPE土工膜的原因。但是，當(dāng)做了適當(dāng)?shù)墓こ毯徒?jīng)濟(jì)分析后，如ICOLD的大壩數(shù)據(jù)庫(kù)所表明的那樣，壓倒性證據(jù)表明PVC由于性能與經(jīng)濟(jì)原因是明智的選擇。
將PVC襯砌錨固在大壩上游面，以防風(fēng)浪卷起，在周邊錨固，以防水滲透到襯砌后面。表面錨固系統(tǒng)因地制宜。在混凝土壩和RCC壩中，土工膜大多數(shù)暴露在外，表面錨固是一個(gè)有專(zhuān)利的張拉系統(tǒng)。該張拉系統(tǒng)可安裝在大壩表面(例如，印度的Kadamparai砌石壩)，或者埋設(shè)在表面內(nèi)(例如，印度尼西亞的BalambanoRCC壩)。在特定工地條件下(如在深谷中的落石)，嚴(yán)重的破壞風(fēng)險(xiǎn)要求將土工膜覆蓋，表面錨固可用現(xiàn)澆混凝土板、土壤或復(fù)合材料蓋板覆蓋(表面傾斜時(shí)，如土壩和渠道)，或者將土工膜埋在混凝土板中，如澳大利亞的伯內(nèi)特RCC壩。另一種錨固系統(tǒng)則用專(zhuān)門(mén)的膠水將土工膜錨固到混凝土上。
錨固系統(tǒng)最后一個(gè)環(huán)節(jié)是周邊防水密封。周邊防水密封可以是機(jī)械的(使用不銹鋼壓條)，或者將土工膜埋入一個(gè)溝或槽中，或者將土工膜熱焊到事先埋在混凝土結(jié)構(gòu)中的PVC止水上。
上述系統(tǒng)都已在東南亞采用。以下實(shí)例概述了最新PVC技術(shù)的一些應(yīng)用情況。
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