土工合成材料 教学课件 徐超 邢皓枫 6防渗作用Barrier

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防渗作用

BARRIER

OUTLINE概述防渗材料的种类与特性土工膜及其种类各类土工膜的特性防渗层的结构形式与种类水利工程防渗设计垂直防渗墙土工膜防渗施工要点土工膜防渗工程实例土工合成材料防渗：概述概述“防渗〞，狭义地是指采用低渗透性材料阻滞液体的渗透与扩散。从广义上讲，限制气体的扩散，也属于防渗的范畴。工程应用简介：各种水利工程，水利工程中各种输水用的渠道和各类储水建筑物与构筑物，如游泳池、蓄水池和水库等，都需要采用必要的防渗措施防止水的大量渗漏流失；缺水地区公园内湖泊，也采用人工防渗，如圆明园湖底防渗，北京、太原等市内河流。概述工程应用简介〔续〕：建筑工程，平顶建筑物屋顶防渗漏，还有隧道和地下构筑物防止地下水入渗。环境工程：工业废料与矿业废弃物需要储存，生活垃圾需要处置和填埋，为了防止有毒有害物质的扩散对周围生态环境造成二次污染，都需要对储存和填埋场地采取合理的防渗措施。还有填埋场封盖，控制有异味和有毒气体的扩散。真空预压地基处理：土面覆盖土工膜，以保持土体内真空度。在垃圾填埋场中的应用隧道与地下空间防渗防渗应用概述新型土工合成防渗材料：主要是土工膜和GCL与传统防渗材料的区别施工方便，工效高。性能可靠，防渗性能便于控制；适应变形能力强。在缺适宜粘性土防渗材料地区，具有明显效益优势。节省空间，如在填埋场防渗层中用土工膜或GCL代替CCL〔一般要求厚度不小于1.0m〕，那么可节约很大的垃圾填埋空间。GCL还有胀缩性与自我修复的能力等概述一些新的开展：土工膜制作地下连续的防渗墙桩模围堰也是土工膜应用的新开展土工膜也可以用于一些特殊地基土的病害防治，如防止膨胀土的遇水膨胀，防止湿陷性土的湿陷为害，用土工膜截断毛细水上升通道，可以消除冻胀土对建筑物的危害，防止一些地区土壤的盐碱化。概述将土工合成材料应用于工程的防渗结构中，设计和施工的关键技术问题归纳起来主要有三方面：选用适宜的材料，包括材料种类、性能、型式等，以适应工程的实际环境。合理的防渗层结构设计，包括防渗土工膜的下垫层，防护层，以及膜后的排水层等。膜后的排水设施非常重要，但往往容易被无视。正确的、严格的施工，尤其是接缝的连接方法和接缝的质量，以及适宜的铺设和锚固方法等问题。土工合成材料防渗：防渗材料种类与特性防渗材料的种类起防渗作用的主要有GCL和各类土工膜土工合成材料粘土垫(Geosyntheticclaylayer，简称GCL〕：GCL是将两层土工织物或者土工膜中间夹一层薄薄的膨润土用织物纤维缝合、针刺，或者用粘结剂粘合而成，也有的GCL产品只有一层土工膜，其上用粘结剂粘合上一层薄薄的膨润土。A型：两层布夹一层膨润土，粘合的方法。防渗材料的种类土工膜(Geomembranes)：一般土工膜、加筋土工膜和复合土工膜。一般土工膜：土工膜是一种以高分子聚合物为根本原料的防水阻隔型材料，主要分为聚乙烯(PE)土工膜、聚氯乙烯(PVC)土工膜、氯化聚乙烯(CPE)土工膜及各种复合土工膜等。一般土工膜是采用吹塑法、挤塑法和辊轧法制成，吹塑土工膜的厚度为0.2~0.5mm，挤塑土工膜厚度为0.25~4.0mm，辊轧土工膜厚度介于0.25~2.0mm。防渗材料的种类加筋土工膜防渗土工膜有时承受较大的水压力，当压力过大时，土工膜会被击穿而失去作用。为了提高土工膜的强度，在聚合物内部加筋，加筋材料有锦纶丝布、锦纶帆布、丙纶针刺无纺土工织物等，形成加筋土工膜。加筋土工膜可以是一层加筋，也可以是二层或三层加筋，构成一布二胶、二布三胶和三布四胶的加筋土工膜。加筋后的土工膜厚度较大，其力学特性明显改善。防渗材料的种类复合土工膜将聚合物膜与土工织物加热压合，或者用胶粘剂粘合而成复合土工膜。其中的土工织物可以起到保护土工膜的作用，防止被接触的碎石刺破，以及运输和铺设时的损坏。复合土工膜可以根据工程需要采用一膜一布结构，也可以是二布一膜结构。当无纺土工织物与土工膜复合时，除增大土工膜强度和保护土工膜外，土工织物还可以起到排水作用。复合土工膜增加了土工织物一侧膜面的摩擦系数，有利于土工膜与接触土体之间的稳定性。土工膜复合土工膜与加筋土工膜类似，增加了土工织物的复合土工膜的力学特性明显改善。聚合物膜刺破力(N)土工膜膜上有土工织物双面有土工织物膜下有土工织物乙烯丙烯橡胶122488754450氯化聚乙烯1737611190727聚氯乙烯350665770700高密度聚乙烯3897781400701防渗材料选择应根据总体工程的设计要求和当地水文气象、地形地貌、水文地质、工程地质等自然条件，确定防渗工程的规模、形式和材料选择。水利部颁发的?聚乙烯(PE)土工膜防渗工程技术标准?SL/T231-98密度不应低于900kg/m3；破坏拉应力不应低于12MPa；断裂伸长率不应低于300%；弹性模量在5℃不应低于70MPa；抗冻性(脆性温度)不应低于-60ºC；防渗材料选择与要求性能要求〔续〕：联接强度应大于母材强度；撕裂强度应大于或等于40N/mm；抗渗强度应在1.05MPa水压下48h不渗水；渗透系数应小于10-11cm/s。无保护层或保护层较薄的工程宜选用较厚的黑色(加炭黑)或加防老化(抗氧剂、光稳定剂等)添加剂的PE土工膜.在芦苇等穿透性植物丛生地区，需膜下排水及提高保护层稳定性的工程，不宜选用薄PE土工膜。可在PE土工膜下铺设土工织物或选用复合土工膜。土工膜的工程特性包括土工膜与接触材料之间的摩擦特性、土工膜的耐水压性、耐久性、防渗特性等，这些工程性质与土工膜的厚度关系密切。土工膜的厚度：土工膜厚度是指膜在法向压力20kPa作用下其顶面至底面的距离。一般情况下，按照理论计算得到的土工膜厚度常常比标准的规定值要薄得多。原因有两个方面：一是铺盖土工膜厚度的理论计算是依据简化了的条件得到的，带任意性的假定；二是公式中并不能反映诸多涉及膜平安的因素。土工膜的工程特性厚度对膜的渗漏量影响不大，为什么特别强调厚度？Answer：应该重视工程中遇到的各种与土工膜平安有关的实际问题。土工膜的强度、耐水压击穿的能力直接与其厚度有关。抗破坏和施工损伤的能力与厚度有关，如耐刺破或划破的能力、耐集中应力的能力等。膜过薄，以热焊法焊接时，土工膜极易受损，难以保证膜接缝的焊接质量。土工膜厚确实定不应只从防渗计算的角度，还应充分考虑土工膜在施工过程中和运营期可能面临的实际因素，谨慎决定！土工膜的工程特性土工膜的摩擦特性：是指在实际工程应用中，当土工膜与土或其它材料接触时接触面的抗剪切的性质。土工膜一般外表光滑，它与其它材料之间的摩擦角较小，光面土工膜与土之间的摩擦角一般只为土本身摩擦角的约四分之三或更小。容易引起沿接触面的滑动，土工膜的磨擦特性是工程设计时的控制因素之一。为了提高土工膜与土〔接触介质〕之间的摩擦系数，除了前述使用复合土工膜外，还可以对土工膜的外表进行加糙处理。土工膜的工程特性土工膜的摩擦特性土工膜与接触介质界面的摩擦特性随介质的类别和膜材质本身的情况而变，具有不确定性。对于同样介质的土，土的密实度愈大、土粒棱角愈显，摩擦强度愈高；水下的摩擦角可能比枯燥时的低2º～5º。对于较大重要工程，应通过现场试验或模拟现场条件的室内试验来确定土工膜的摩擦系数。土工膜的工程特性土工膜的耐水压特性：当水压过大时，土工膜在支承层颗粒之间孔隙处会被压破而击穿，从而失去土工膜的防渗有效性采用一定厚度的土工膜，或加筋土工膜与复合土工膜；水压力下土工膜的耐水压特性与其下的支承垫层的性状有重要关系；/垫层愈平整，刚度愈大，土工膜破坏的可能性愈小。如果垫层是土料，那么土的粒径愈小，级配愈佳和密度愈大，那么土工膜耐水压击穿的能力愈强/试验证明：厚度为0.25mm的PE膜，只要垫层级配良好，含有较多细粒，耐压水头也可到达200m。土工膜的工程特性土工膜的耐久性：是指其物理、力学和化学性能的长期稳定性，是土工膜对环境中紫外线、温度与湿度变化、化学侵蚀、生物侵蚀以及机械损伤等抵抗能力的表现。聚合物的种类和特性；土工膜的工作条件和周围环境；用什么方法研究和用什么指标评判。影响因素：光、氧、热、臭氧、NO2、SO2，多种化学物质和各种酶和微生物等。目前结论：土工膜在正常环境条件下使用时，其性状随时间是根本稳定的。土工合成材料防渗：防渗层的结构防渗层的结构形式起防渗作用的土工膜或GCL是防渗结构的主体，为保证防渗材料在工程应用中发挥应有的作用和对防渗材料本身的保护，需要有可靠、完整的结构型式。防渗层结构应包括土工膜、防护层和支持层局部，共同组成一个防渗体系。防渗层的结构形式膜上防护层：一般包括护面层和膜上垫层护面层：预制的和现浇的混凝土块〔板〕，加钢筋网混凝土板，干砌石或浆砌石护面等；防止机械设备破坏和人畜破坏，波浪冲淘、冰冻、风力和紫外线的照射。垫层：透水的无棱角的砂或砂砾料，也可以采用透水的无纺土工织物；起到保护土工膜不受有棱角材料的破坏和排水作用。防渗层的结构形式膜下支持层

：膜下铺设垫层和过渡层，作用就是使土工膜放在坚实的面层上，使得土工膜的受力和变形趋于均匀化。

下垫层：透水的无棱角的砂或砂砾料，也可以采用透水的无纺土工织物；起到保护土工膜不受有棱角材料的破坏和排水作用。排水非常重要。

过度层：由粒径为50～150mm的碎石组成。

防渗层的结构形式土工膜防渗层可分为单层土工膜〔复合土工膜〕防渗层、多层土工膜〔复合土工膜〕防渗层和在土工膜下铺设一层渗透性小的土层组成的复合防渗层三种形式土工合成材料防渗：水利工程防渗设计水利工程防渗设计总要求：在将土工膜应用于水利工程〔土石坝、堤和输水渠道等〕的防渗结构中时，应根据当地的气候条件、地质条件、工程等级〔重要性〕、水头大小、填料和使用的部位综合确定土工膜的类型、厚度和材质。保护层与支持层的要求防渗层的结构形式水利工程防渗设计土工膜的铺设形式：直线型铺设方式：用作斜墙，或用作心墙，适用于较低水头的坝。也可用于已建堤坝的除险加固。折线型或锯齿型铺设方式：用作斜墙，这种铺设方法可提高防渗结构的抗滑稳定性。折坡型铺设方式：用作斜墙，当大坝的水头较高，需设置马道时，采用这种铺设方式。水利工程防渗设计防渗结构的稳定性分析验算防护层与土工膜〔或复合土工膜〕之间的抗滑稳定性，针对的是防护层连同上垫层沿土工膜的接触面。校核的最危险工况是水位骤降时刻。验算与分析方法：极限平衡法和有限元法。一般工程中用得普遍的是极限平衡分析方法。有限单元法计算有必要知道在实际工作条件下土工膜的应力应变关系，尤其是荷载长期作用下的应力应变关系，因为土工膜具有显著的流变特性，在长期荷载下，强度会有显著的降低。稳定性分析：极限平衡法土石坝的保护层分透水与不透水、等厚与不等厚之分，对于不同的保护层，采用极限平衡法进行抗滑稳定性的分析方法是不同的。等厚防护层情况下平安系数计算防护层透水情形防护层不透水情形稳定性分析：极限平衡法不等厚防护层情况下平安系数计算防护层透水情形防护层不透水情形呢？水利工程防渗设计防渗土工膜的渗漏量估算完整无损伤的土工膜，测得的渗透系数大多可以到达10-11～10-12cm/s的量级，渗漏量非常小。从本质上质地密实的聚合物材料，其分子间也有孔隙容水体扩散这一因素外，主要的原因是施工中的缺陷和对材料的损伤。经土工膜的渗漏主要有两种机理：一是通过完整无损土工膜的渗透，或称为正常渗透；二是经土工膜疵点的渗流，疵点包括针孔和孔洞。水利工程防渗设计土工膜的正常渗透：液体通过土工膜的输移机理，是通过扩散的方式渗过土工膜，扩散的动力既可以是膜两侧的水头差，也可以是两侧液体的温度差。渗透量估算仍依据达西定律。水利工程防渗设计土工膜上针孔的渗透量：针孔因其甚小，渗量不大，一般可略而不计。如果要估算，可按管流考虑，用以下泊谡叶公式〔Poiseuille〕进行：水利工程防渗设计土工膜上孔洞的渗透量：按膜两侧土性的渗透性，分高透水性与低透水两种情况估算：孔洞上下均为高渗透性材料，对于典型圆孔，可用伯努利孔口自由出流公式估算渗流量土工膜上孔洞的渗透量：孔洞下为低渗透性材料，在这种情况下的渗流机制是：液体先渗过土工膜孔洞，然后在膜与垫层之间的接触空间内侧向运动一定距离，最后渗入低透水性材料而从中渗出。因此膜与垫层的接触情况会影响渗透量：接触良好接触不良土工合成材料防渗：垂直防渗墙垂直防渗墙垂直防渗墙是通过施工机械在地层一定深度内设置的一定厚度的低渗透性垂直防渗体，是工程防渗系统的一个组成局部，需要与其他水平防渗层妥善连接，组成完整的防渗体系。垂直防渗墙的主要功能是限制地下水的水平渗透，减少渗漏量或阻止污染物质随地下渗流的进一步扩散。地下垂直防渗墙可分为土层改性法防渗墙和工程置换法防渗墙。土工膜垂直防渗墙属于后者。土工膜垂直防渗墙

作用：阻止水平向渗流在设置上，要注意使垂直防渗墙与水平防渗局部构成完整封闭的体系。垂直防渗墙垂直防渗墙如果设计方案中已有的防渗系统有欠缺，发生渗漏对工程的成败至关重要，地基中强透水层的埋深又在施工机械能力范围内，那么可以考虑采用垂直防渗墙。需要用垂直防渗墙隔离的透水层一般在12.0m以内，最多不超过15.0m。透水层中直径大于5.0cm的颗粒含量不超过10%，且只有少量最大粒径不超过15.0cm的颗粒。地层槽壁能够稳定，或能够通过泥浆护壁保持稳定。垂直防渗墙可以用聚乙烯土工膜、HDPE土工膜、复合土工膜或防水塑料板等，土工膜的厚度应不小于0.5mm。垂直防渗墙：土工膜的连接土工膜之间的衔接有采用搭接法的，搭接长度5.0~10.0cm，也有采用热熔焊接法联接相邻两幅土工膜。从防渗效果看，焊接法优于搭接法。采用焊接法时，需要先将土工膜与连接锁头管焊在一起，将土工膜插入预先开挖好的嘈内时，将小直径的锁头管插入大直径锁头管内，锁头管内缝隙采用灌浆或滞水条密封。土工合成材料防渗：施工要点土工膜防渗的施工要点准备工作：为了确保土工膜防渗层的施工质量，必须做好施工前的准备工作。制定土工膜总体施工规划土工膜铺设场地的清理工作：去除障碍物、整平、压实等与土工膜直接接触的混凝土结构和其他构筑物，应去除其接触面上的锋利边缘如果需要，挖好并检查固定土工膜的锚固沟土工膜防渗的施工要点土工膜铺设铺放方向：土工膜卷材展开的方向，一般以从上向下为宜。但对于高度不大的斜坡或设平台的坝坡，也可采用垂直坡度方向〔沿轴线方向〕铺设，尽量减少拼接在陡坡上，土工膜可采用直角铺设或曲折铺设，以增加稳定性铺膜时，应确保膜下地基角隅部位不发生任何〞架空〞，特别是在低凹地处。注意土工膜与下垫层的密帖。铺膜时，施工人员应穿软底鞋，不能穿硬底鞋或带钉的鞋，以免损伤土工膜应按照设计要求预留足够的搭接长度。铺膜要同时压上砂袋，防止被掀起或撕破。土工膜防渗的施工要点土工膜的焊接土工膜的现场拼接常用的有两类方法：胶粘法和热熔焊法胶粘法是在两层膜上涂以粘接胶，然后压紧，使粘结出不留空隙。两膜搭接长度为8～10cm。胶结剂的选择十分重要。热熔焊接法是将热量以某种方法传到接缝处的膜面，使其外表熔化，随之加压，让焊片外表几个密耳厚的物质产生分子渗透和交换，熔合为一体。熔合厚度决定于热源温度，加热历时和加压大小与历时。热熔焊接法包括热楔熔焊和热空气熔焊。土工膜的焊接热楔熔焊法是用电热楔夹在两层被焊膜之间加热，当热楔移动时，两辊轮一起向前移动将两膜压合。热空气熔焊法是利用加热了的空气〔200℃～400℃〕以一定速度吹拂到接缝区的搭接面，加热并熔化其外表，随之以热辊加压使两膜结合。土工合成材料防渗：应用实例土工膜防渗工程应用实例汉江王甫洲水利枢纽围堤防渗工程王甫洲水利枢纽工程位于汉江丹江口水库下游的湖北省老河口市汉江干流上，由重力坝、船闸、泄水闸、土石坝和围堤等建筑物组成。围堤用砂砾石填筑，围堤地基土层上部为砂壤土，中部为中细砂，下部为砂砾石层。地基渗透是围堤工程的主要问题，坝后中细砂层〔尤其是粉砂层〕易发生渗透变形。因此堤基的水平防渗和围堤本身的防渗是该项工程的重要组成局部。王甫洲围堤防渗与护坡典型断面图土工膜防渗工程应用实例防渗方案的选择在王甫洲水利枢纽可行性设计阶段，围堤的防渗方案是由粘土心墙和粘土铺盖构成。该工程的初步设计阶段，考虑到①附近土料场属于膨胀性粘土，并且运输距离远；②土工膜作为防渗材料完全可以到达要求，施工技术根本成熟；③经过设计验算、施工与工程造价比照，采用土工膜既能满足工程防渗要求，又具有施工方便、工期短和造价低等优点，因此确定采用复合土工膜作为围堤的防渗材料。采用土工膜防渗方案比粘土防渗节约投资3300万元。土工膜防渗工程应用实例防渗材料的选择共调研了6个土工膜生产厂家，对13种复合土工膜进行了验证性检测，共完成各种土工膜的物理性质、力学性能、水力学性能和接缝特性的多项试验。经复核，选择各项控制指标均满足标准要求的材料。决定围堤斜墙采用两布一膜的PE复合土工膜，水平铺盖采用一布一膜的PE土工膜。对于大型工程，在大量使用土工合成材料前，应该对拟使用的材料进行调研和试验验证。土工膜防渗工程应用实例防渗层的设计计算土工膜厚度的验算：围堤边坡稳定性验算：

铺盖长度确实定:河漫滩地面高程为81~86m，地基为中粗砂，当正常水位86.23m时，铺盖上的水头为1~5m，当到达设计洪水位88.11m时，铺盖上水头为2~7m。通过渗流计算，从削减渗流水头和控制渗透量的平安角度考虑，铺盖长度采用10倍水头。汉江王甫洲围堤防渗工程施工复合土工膜铺设施工土工膜焊接施工汉江王甫洲围堤防渗工程施工土工织物缝合施工土工膜上垫层施工〔10cm厚细砂〕坡面与水平防渗土工膜连结处混凝土基座施工混凝土护坡浇筑施工汉江王甫洲围堤防渗工程施工蓄水后围堤外貌土工膜防渗工程应用实例吕梁东川河橡胶坝蓄水工程东川河是山西省吕