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浅谈水利工程中土工合成材料的应用及施工【复合土工膜】

摘  要:土工合成材料在水利工程中应用广泛,主要探讨了土工合成材料在水利工程中的应用以及施工办法。
 关键词:土工合成材料;施工;水利工程
土工合成材料是一种新型的岩土工程材料,是以合成纤维、塑料、合成橡胶等聚合物以及玻璃纤维为原料制成的各种类型产品,置于土体表层或各层土体之间,起到保护或加强土体的作用。土工合成材料可分为土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料等类型。具有防渗、过滤、排水、防护、隔离、加筋和加固等多种功能,同时具有重量轻、易搬运、强度高、抗腐蚀、运输方便和价格低廉等优点。近年来被广泛应用于各类岩土工程,特别是在水利防渗工程中得到广泛应用。
 主要用于:堤坝的防渗斜墙或垂直防渗心墙、透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙、混凝土坝和土坝的防渗体、渠道的衬砌防渗和施工围堰的防渗等诸多方面。复合土工膜是土工合成材料的一种,的一布一膜 、二布一膜、三布一膜等到不同产品。 
 近年来我省施工中也多次应用复合土工膜铺,如哈尔滨市在1995年202国道东侧和太阳岛之间的月亮湾工程,坝高6~7m,坝坡1∶4,坝体为均质砂性土水利冲填坝,护坡形式为用复合土工膜铺在削坡整形的坝坡上,复合土工膜之上铺10cm砂砾石和10cm碎石垫层及25cm厚块石护坡,在1998年特大洪水中经受住了考验,虽然堤顶加了1.5m高的子堤用来抵挡超设计标准洪水,但近4km的堤后没有出现一般老堤在高水位时常有的管涌和流土险象,充分表现了复合土工膜铺在堤防防渗上的作用。
 1999年哈尔滨市道理区新农新发堤在98大水中的险工弱段二道岗段除险工程中采用复合土工膜之上铺10cm砂砾石及12cm厚混凝土预制板。
 2003年哈尔滨市松北前进堤改建工程,长度10km,作为哈尔滨市政府的新址-江湾新区的防洪堤,具有重要的作用,采用在1:7或1:3的均质砂性土水利冲填坝坡上铺复合土工膜,之上铺10cm砂砾石和15cm碎石垫层及25cm厚块石护坡。
 现在把防渗土工合成材料的铺设技术和防渗土工合成材料在工程施工中常出现的问题等方面进行分析研究。
 1 防渗土工合成材料的铺设技术
 土工合成材料自广泛用于岩土工程建设以来,在水利水电工程建设中引起不小的变革,这不仅反映在水利水电工程的材料使用上,而且还反映在设计原理、计算方法、施工工艺和工程管理上。防渗土工合成材料主要用于垂直铺膜防渗和坡面铺膜防渗,因铺设结构形式的不同,其施工工艺和铺设技术也不尽相同。下面对坡面铺膜防渗的铺设技术加以分析。
 1.1坡面铺膜防渗
 复合土工膜铺设施工中, 施工的关键是焊接工艺.如江西1998年修筑的钟吕堆石坝,坝高51m,坝坡1∶6,坝体采用复合土工膜铺在整平的推石上,护坡形式为:先刷砂浆再铺上土工膜,在土工膜上做现浇砼。这种形式的稳定性是没有问题的。蓄水3年后,漏水严重,达0.2m3/s。经查原因,由于焊接质量不好,施工时对焊接重视不够,没有使用专业焊接队伍,至使焊接处脱焊,特别是在丁字缝处脱焊情况普遍。由此可见复合土工膜施工时,焊接工艺是十分重要的。
 1.2堤身削坡与堤脚开挖
 堤身削坡和堤脚开挖可采用人工配合机械施工,堤身按设计要求进行削坡,使其坡度达到设计标准,削坡后仔细清面,尽可能将坡面清理干净,整体上满足平整度要求,堤身堤顶分别开挖止滑槽。堤脚基础按设计断面开挖,达到相对不透水层后再向下开挖1m,宽1m深的沟槽,并清理开挖断面,同时做好基坑排水及基坑边坡稳定工作。完成以上工作后,施工和测量人员再进行堤坡规格检查,并做好实地施工记录和填写堤坡工程验收单,请监理工程师验收签证后,即可铺膜。
 1.3施工铺设复合土工膜
 在进行坝体土工膜铺设时,可以是顺坝轴方向铺设,最好是垂直坝轴线铺设。但是为了减少焊缝的长度,通常采用顺坝坡铺方案。对于高坝来讲,土工膜铺设通常采用坝上部分垂直坝轴线来铺设,不但能满足应力最小要求,也能满足焊缝少的特点;坝底可采用顺坝铺设,以减少焊缝。复合土工膜铺设时,要按设计及规范要求,从堤顶铺到坡底基槽,并埋入相对不透水层。铺设完毕后,应尽快回填堤脚和上部护坡,以避免开挖断面局部土质差而产生滑坡,铺膜时,注意张驰适度,避免应力集中和人为损伤,要求土工膜与地基结合面务必吻合平整,切不可有上、下游方向凸出的褶皱。连接时,将复合土工膜厚布面朝上,薄布面朝下铺好,再将第二幅与第一幅需焊接的也拉直摆平,搭叠15cm左右,缝合膜的下布,缝合宽度稍大于两膜焊接宽度,然后将两膜搭接10cm左右,平整后才开始焊接。当膜的焊接质量经检查和测试合格后由工地监理工程师同意,再缝上布,对留边不齐的需进行修剪,膜有褶皱要采取措施舒展,以免影响焊接质量,其中应特别注意坡脚基础高程不同和止滑槽相邻两幅复合土工膜之间连接处的施工质量。膜与膜的连接采取焊接方式。每次焊接前先用干毛巾擦干净保证膜面清洁,膜与膜接头处铺设平整后方可焊接, 对有问题的做出记号,一人在后面进行修补, 每道焊缝完成后,随即进行质量检查,检查方法以外观检查为主,辅以水针注彩色水观察,如发现问题,做出记号立即进行补焊,焊接质量由施工班组初验合格后报经理部复检,再报监理工程师终检,合格后方可缝上层布。缝合土工膜时,布与布的缝合方式为肘接,采用手提封包机,使用高纤维涤纶丝线缝合,针间距按设计要求确定, 织物与织物缝起来,缝接时注意松紧程度要与膜相一致,以使膜和织物共同受力,增强复合土工膜的抗拉强度,确保膜布联合受力。
 2 渗土工合成材料在工程施工中常出现的问题
 防渗土工合成材料在工程施工中经常出现的问题有:经常遭受石块或其他尖棱物的穿刺破坏;由于土工薄膜缺少约束支撑,在承受水压力和土压力时易于被鼓破;薄膜受到下层气体或液体的顶托产生应力集中导致破坏;铺设在支撑土与混凝土面板之间的土工薄膜由于受到温度、重力、土体位移、浪击和水位变化等因素的影响,可能引起界面滑动,使土工薄膜产生过度拉伸、撕裂或擦伤;在斜面上用土或混凝土面板保护土工薄膜,当水位骤降时,土体中的孔隙水压力和库水位失去平衡而造成失稳滑动。只要按照施工规范和施工组织设计施工,确保施工质量,就可避免或减少类似问题的出现。
 3 使用寿命
 PVC和PE两材料经试验考证,PVC和PE材料埋在40cm以下使用和放在水中使用寿命可达100年。水质对材料的影响不大,在pH值2~10的水中试验,材料老化影响不大。存放时均要防止太阳照射,太阳照射容易分解,影响材料性能,并要防止机械压坏但是如果承受的应力水平超过拉断强度的30%,缺陷部位易于扩张,易损坏。如果承受应力水平达到拉断强度的20%时,材料不易损坏。因此使用时水平应力要小,不要拉得太紧,应力水平不要超过拉断强度的20%,这样,材料的使用寿命很长。
 遵循设计合理、精心施工和经常维护的原则,使用的场合和部位要正确,材料的选择要对路。对土工膜和复合土工膜的使用经验要不断的总结。要根据土工膜的工作机理、材料特性、工程的特殊和破坏模式,进行设计计算和方法分析,开发专用的施工机械设备,使防渗土工合成材料的应用技术进一步提高。随着土工膜材料在水利工程中的推广应用,应充分了解土工膜材料的性能,施工时严格控制焊接工艺质量,进货产品严格抽样检查,做好施工焊接的检测,设计单位做好工程中使用土工膜的设计和计算,以科学经济、安全地选择土工膜材料的型式,使土工膜材料为水利工程建设更好地服务。

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