土工膜在贮灰场防渗中的应用与探讨

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【摘 要】土工膜是一种新型的建筑防渗材料，近些年在国内的应用已经成熟，大量应用于水库大坝、灰场堤坝、尾矿坝、道桥等工程。本文通过对土工膜的种类、性能、防渗技术特点、优缺点及应用中存在的问题与改进措施的详尽论述，并通过贮灰场防渗工程实例，说明土工膜防渗技术先进、防渗效果良好、节省投资、施工方便等优点，具有很大的推广使用价值。

【关键词】土工膜；防渗；贮灰场；应用

土工合成材料是以合成材料为原材料制成的应用于岩土工程的新型建筑材料，已广泛应用于水利、电力、公路、铁路等各个领域。目前土工合成材料基本形成系列产品：土工织物、土工膜、土工网、土工格栅、土工席垫、土工格室、土工复合材料及相关产品等。其中土工膜是土工合成材料中应用最早也是最广泛的一种产品，其最早在国外应用已有50多年的历史，最初应用在低水头的渠道防渗。我国在70年代初开始在水利工程中应用土工膜防渗，近些年其应用范围逐渐扩大到输水渠道、尾矿坝、贮灰场、蓄水池、地下工程等，而且取得了良好效果。

1土工膜的种类及性能

1.1土工膜的种类

土工膜可分为三大类：普通土工膜（单膜）、复合土工膜、加筋土工膜。

（1）普通土工膜：仅为单层膜材。使用聚合物、弹性材料及低分子材料通过滚压或挤压工艺制成，是一种没有任何织物加筋的均质薄膜。其典型厚度为0.25～4mm（挤压工艺）和0.25～2mm（滚压工艺）。

（2）复合土工膜：聚合物膜与土工织物加热压合或用胶粘剂粘合而成。可以是一层膜一层织物压合一起（俗称一布一膜），也可以是二层织物中间压合一层膜（二布一膜），根据工程需要还可以是三布二膜。这种膜的优点是土工织物能保护土工膜免被碎石刺破，免被人为损坏和机械压坏，而且土工织物具有排水作用，还可增加与接触面的摩擦系数。

（3）加筋土工膜：为了提高土工膜的抗拉、抗顶破、抗撕裂的强度，在聚合物内部加筋，加筋材料一般为锦纶丝布、锦纶帆布、丙纶针刺织物等。根据工程需要可选择加筋层数为一层、二层或三层等。

1.2土工膜的性能

土工膜的性能一般包括物理、力学、水力和耐久性能。

（1）物理性能指标：包括单位面积质量（g/mm2）、厚度（mm）、材料比重、孔径等。

（2）力学性能指标：包括抗拉强度、握持强度、撕裂强度、胀破强度、顶破强度、刺破强度等。

（3）水力性能指标：包括水平、垂直渗透系数、淤堵、防水性等。

（4）耐久性能指标：包括耐磨、抗紫外线能力、化学稳定性、生物稳定性及抗大气环境等。

（5）普通土工膜（PE膜）的性能指标为：

①密度不应低于900 kg/m3；②破坏拉应力不应低于12MPa；③断裂伸长率不应低于300%；④弹性模量在5oC不应低于70MPa；⑤抗冻性（脆性温度）不应低于-60oC；⑥联接强度应大于母材强度；⑦撕裂强度应大于或等于40N/mm；⑧抗渗强度应在1.05MPa水压下48h不渗水；⑨渗透系数应小于10-11cm/s；⑩膜厚度不小于0.25mm。

（6）复合土工膜的性能指标根据复合的膜与布的层数确定。

2土工膜防渗技术特点

2.1土工膜防渗形式

土工膜的防渗形式一般有垂直防渗、水平防渗、及其他防渗形式。

（3）其他防渗形式：根据工程实际情况可采用水平与垂直组合形式，或其他可靠防渗形式。

2.3土工膜类型的选择

土工膜类型的选择涉及两个问题，一是选择何种材料的土工膜，二是选用何种形式的土工膜（单膜或复合土工膜）。

（1）国内外土工膜所用的材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）两种。工程选料时，主要根据力学性、可连接性、经济性三方面来选定。PE膜和PVC 膜的拉伸强度相差不大，PVC膜因添加有塑化剂，其拉伸率比PE膜大一些，柔性较好，并且与砂之间的摩擦系数大于PE膜；一般PE膜只能用加热熔合的方式连接，而PVC膜除此之外还可以采用特殊的粘合剂进行粘接；目前两种材料的价格基本相同，而PE膜的相对密度小于PVC膜，所以同样厚度情况下单位面积的价格PE膜要低一些。

（2）选用单膜还是复合膜主要从土工膜的作用和经济性综合考虑来确定。复合土工膜的第一个作用是可以增加膜与土料之间的摩擦系数，增加稳定性；第二个作用是保护土工膜不受运输和施工过程外力的损害。复合膜比单膜的力学性能有很大提高，有较强的各种情况适应能力；第三个作用是具有反滤排水功能，避免土工膜被水应力顶起的危险。我国目前堤坝建设心墙式垂直防渗大多采用单膜或多层单膜，斜墙式大多采用复合膜。单膜对低水头小型堤坝防渗效果良好，但在经济允许的情况下，复合膜具有更优越的工程特性。

3 土工膜防渗的优缺点

土工膜是一种柔性材料，具有可靠的防渗功能。其优点如下：

（1）结构简单。堤坝断面形式便于布置，只要土工膜上下的保护层作好，就可保证防渗功能的正常使用效果。

（2）防渗效果好。土工膜的渗透系数一般小于10-11cm/s，其厚度在满足制造工艺要求条件下，一般不小于0.25mm（单膜），防渗效果相当于渗透系数为10-7cm/s（非常密实），厚度为2.5m的黏土。计算渗透量非常小。

（3）施工方便。由于采用土工膜防渗，使堤坝断面结构简单，因此施工过程不繁琐，同时施工质量也容易保证。

（4）工程造价低。采用土工膜防渗，在防渗效果同等条件下，其材料费用可节省约30%左右，而且施工费用也比采用粘性土心墙或斜墙的低。

（5）可提高堤坝的应力和减少沉降。土工膜是柔性材料，具有较高的抗拉强度，可以承担土体的部分拉应力，即提高堤坝应力，增强坝体稳定性。而且土工膜具有抑制堤坝发生位移的作用，减少堤坝的沉降量。

土工膜与粘性土、混凝土等防渗材料相比，有如下几个弱点：

（1）容易破裂。土工膜是一种高分子化合物的柔性材料，厚度较薄，因此容易破裂。如运输或施工过程中的受损破坏；被石块等尖锐物刺破；堤坝过大的变形或不均匀沉降而导致破裂等。

（2）容易脆裂。其在低温环境下，性能恶化，容易脆裂。这方面可通过选择耐低温的品种或增加保护层厚度来解决。

（3）易老化。土工膜在接触阳光、冷热气候、臭氧的条件下，将较快老化而失去性能。但长期处于水中或埋在土里，其老化还是相当慢的。目前在正常使用条件下，其寿命可达50～100年。

（4）化学腐蚀。土工膜遇上某些化学物质，如酸性或碱性液体，或矿物油，可能会被腐蚀破坏。在用于封闭具有腐蚀性的固体或液体时，应考虑此方面问题。

土工膜防渗具有几方面的优点，同时也有缺点，在实际工程设计中，是采用土工膜还是采用粘性土或其他防渗材料，应结合工程具体情况，通过技术、经济综合比选确定。

4 土工膜防渗在贮灰场工程中的应用

近些年采用土工膜作为灰场坝体和库区防渗材料的实例很多，下面列举几个有代表性的供参考。