铺设土工膜的注意事项和步骤说明

受地震作用，心墙斜墙可能产生裂缝的部位，可在心墙斜墙的上游铺设土工膜。由于土工膜的极限伸长率达200%～700%。地震虽可能把心墙斜墙振裂，但土工膜不会被振裂，可以防止心墙斜墙的裂缝漏水。

土工膜的材料可分为聚合物和沥青两类，还有这两种材料混合的膜。聚合物膜的力学强度、抗老化性能、抗渗性能、极限伸长性能都比沥青膜好。用作心墙斜墙的裂缝保护，宜用聚合物膜。聚合物膜产品的厚度为0.5～3.0mm，最常用的是0.75～1.5mm。这些膜除结晶类外，都可用织物加筋，以提高其力学性能。有些土工膜并非单一材料，而是两种或三种聚合物的混合，称为合金，近来聚合物合金有所发展。

1.聚合物膜的物理力学性质

聚合物膜的种类见表9.16 （文献[6]）。

表9.16　聚合物膜的种类

续表

注 XL—交联，TP—热塑，CX—部分结晶。

美国一些聚合物膜的伸长率与拉应力的关系如图9.17 （文献[7]）所示。

土工膜铺在裂缝上面，受到水压力后，膜的拉伸率分布状况究竟如何？是否会被水压力击穿？有了一些试验成果，如图9.18 所示。曲线所示为裂缝中心线两边各6mm的膜伸长率分布。试验裂缝宽度为20mm，膜为EPDM，膜上面水压力为5m水头。膜与裂缝两边的接触面分别为砂砾、卵石、土工织物。

图9.17　聚合物薄膜的伸长率与拉应力的关系

①—HDPE1.0mm；②—PVC0.75mm；③—CSPE0.72mm；④—丁基橡胶1.5mm；⑤—EPDM1.0mm；⑥—EPDM （高分子量）1.0mm

图9.18　裂缝上薄膜受水压力后伸长率分布

①—两边与砂砾接触；②—两边与卵石接触；③—两边与土工织物接触

如图9.18 所示，裂缝中心最大伸长率不大，不会被击穿。如膜两头与土工织物接触，最大伸长率更小，很安全。此图为一个示例。作为地震作用下可能裂缝的心墙斜墙上游面的保护膜，还应当使膜两边与黏土接触，膜上承担设计水头的试验。在高水头作用下，可能需铺设加筋土工膜或复合土工膜才能不被击穿。

苏联全苏水工科学研究院对聚乙烯膜在各种温度下做了拉断强度试验，采用拉断强度的1/5 作为允许拉应力，兹将允许拉应力和弹性模量列于表9.17。

表9.17　聚乙烯膜允许拉应力、弹性模量参考值

全苏水工科学研究院还将聚乙烯膜铺在不同级配的砂卵石垫层上，对薄膜施加水压力达到破坏。以确定不同厚度的聚乙烯膜铺设在不同垫层上抵抗水压力破坏的能力。现将试验成果列于表9.18。由表可见，垫层颗粒越细、级配越好，聚乙烯膜抵抗水压力的能力越高。厚0.25mm 的聚乙烯膜铺在级配较好的砂卵石垫层上，可承受200m 水头经久不破。厚0.65mm的聚乙烯膜铺在级配不良的砾卵石上，可承受215m水头经久不破。

表9.18　聚乙烯膜铺在颗粒垫层上能承受的水头

根据上述研究结果以及卡拉苏试验坝的应用，苏联ГOCT10354—63 和Ty6—05—1313—70 规定具有下列指标的稳定的膜可用于永久的和临时的土石坝的防渗层：

密度ρ不低于0.92t/m3；

破坏拉应力σ不低于10MPa；

拉断时的伸长率ε不低于300%；

弹性模量E 不低于70MPa；

抗冻性（脆性温度）不低于—60℃；

所采用的稳定剂的效能应不低于掺入聚乙烯BД中的2%炭黑的效能。

聚乙烯BД、软聚氯乙烯、聚异丁烯橡胶膜均可用作土石坝防渗材料。

2.加筋土工膜的力学性质

加筋土工膜的强度取决于加筋材料，聚合物起防渗和对加筋材料的保护作用，对强度只起较小作用。这两种材料结合一起，便成为高强度的优质的防渗材料。加筋土工膜可根据工程需要加不同的加筋材料和不同的层数。由于加筋拉断时伸长率较小，故加筋土工膜的伸长率为30%～40%，已能满足一般工程需要。河海大学建筑材料试验室对我国两种加筋土工膜做了力学性质试验，其力学性能如图9.19 所示。加筋土工膜抗拉强度很高，锦纶帆布一布二胶氯丁橡胶膜的屈服抗拉强度为100kN/m，拉断时抗拉强度为115kN/m，二布三胶膜的抗拉强度为上述的两倍。我国锦纶帆布氯丁橡胶简称橡胶布，目前产品系列规格有8 组，每组两种。例如第1 组及第8 组各为

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图9.19　加筋土工膜的伸长率与拉应力的关系

①—一布二胶锦纶帆布氯丁橡胶（沈阳第四橡胶厂产），厚3mm，试验变形速率15mm/min；②—同①膜，试验变形速率60mm/min；③—二布三胶锦纶丝布氯丁橡胶 （上海第四橡胶厂产），厚0.6mm，试验变形速率20mm/min；④—材料同③，试验变形速率70mm/min

其中0603 表示经向强度6t/m （60kN/m），纬向强度3t/m （30kN/m）（指一层加筋）。3 表示3层加筋，第8 组橡胶布第一种的强度为经纬向各3×16t/m （480kN/m），其余类推。

加筋土工膜广泛应用于低水头溢流坝（橡胶坝）的坝袋。

图9.20　复合土工膜的单位宽度拉力与伸长率关系

1—常熟350g/0.4mm/350g经向拉伸；2—常熟350g/0.4mm/350g纬向拉伸；3—常熟200g/0.5mm/300g经向拉伸；4—常熟200g/0.5mm/300g纬向拉伸；5—济南200g/0.5mm/300g经向拉伸；6—济南200g/0.5mm/300g纬向拉伸

对于强震区的土石坝，为防止心墙或斜墙被地震震裂漏水，在筑坝施工时，可将加筋土工膜铺设在心墙斜墙的上游面，预防心墙斜墙震裂漏水。

3.复合土工膜的力学性质

将土工织物热压在土工膜的一面成为单面复合土工膜（俗称一布一膜）。土工膜的两面都热压土工织物就成为双面复合土工膜 （俗称二布一膜）。最常用的膜是PVC 及PE，最常用的土工织物是涤纶、丙纶或腈纶短纤非织造针刺型。我国聚乙烯复合土工膜国家相关标准推荐系列如下：

幅宽 （mm）：2000-2400 3000-3500 4000-4500 5000

基材土工膜厚度（mm）：0.25～1.5

单位面积质量（g/m2）：300～2500

河海大学对各种型号的复合土工膜做了拉伸试验，图9.20 示出了三种复合土工膜的单位宽度拉力与伸长率的关系。土工膜为PVC，土工织物为涤纶短纤维非织针刺。

据南京水利科学研究院试验，200g/0.5mm/300g 复合土工膜在2kPa 压力下厚度为3.01mm，单位面积质量为998g，则此种复合土工膜混合拉伸断裂强度为：

常熟产：经向为9MPa，纬向为6.3MPa。

济南产：经向为9.6MPa，纬向为7.6MPa。

三种较厚的复合土工膜物理力学指标见表9.19。

表9.19　三种复合土工膜物理力学指标

注 常熟产复合土工膜资料由南京水利科学研究院测试。济南产复合土工膜资料由河海大学水电学院测试。绥棱产复合土工膜资料由黑龙江省水利科学研究所测试。

4.土工膜的使用寿命

土工膜铺设在土石坝内部，不能维修更新，使用寿命有多长是大家所关心的问题。土工膜的使用寿命，受环境的影响最大，其次是膜材种类，还有施工工艺和运行条件的影响。只要土工膜选择得当，施工工艺正确，埋设在坝内水下，是可以长期使用的。

许多聚合物对紫外线很敏感，会使聚合物分解。炭黑是抵抗聚合物分解的稳定剂。臭氧破坏不饱和主链。当聚合物膜的拉伸率达15%～25%时，容易因臭氧作用而开裂。例如丁基橡胶和氯丁橡胶会被臭氧破坏。

在长期应力或反复应力作用下，聚合物会因蠕变或疲劳而失去强度，因而变薄或破裂。

交联型聚合物有很好的抵抗化学分解的能力。结晶型聚合物成分简单，含增塑剂和填充料很少，不会因增塑剂丧失而很快老化。聚氯乙烯是热塑型的，老化较快。丁基橡胶是烷族性质，允许硫化处理，是紧序高分子，所以具有很好的抵抗氧化、化学、紫外线等侵害的性质，但容易被臭氧破坏。

只要设计时正确选择土工膜种类，埋设在一定厚度的土石或混凝土下面的土工膜，不受到紫外线照射和臭氧破坏及高温低温损坏、施工时不受机械损伤、铺设松弛免受长期应力，避免固接于刚性建筑物以免存在局部高应力等；则土工膜没有老化问题。

我国于1966 年开始建成一批橡胶坝，迄今已有150 多座橡胶坝分布在东北、西北、华北、华中和华南各地。坝袋是用加筋氯丁橡胶制成的。运用了40 多年后，大多都还在正常运行，只有少数已更新。橡胶坝的运行条件比埋在坝内的土工膜恶劣得多，经常受日晒、经历严寒酷暑，溢流时有石块、冰凌、杂物由坝袋经过，都无严重损伤。大多数暴露在大气中的坝袋有明显裂纹和粉化现象，但尚不影响运行。而处于水下的坝袋无裂纹和粉化现象，这说明土石坝内铺设的土工膜使用寿命远比橡胶坝长。

前苏联应用聚乙烯膜于坝工的较多，研究成果也较丰富。对聚乙烯膜做了加速老化试验后推算，认为埋设坝内的聚乙烯膜可使用100 年。前苏联能源部BCH 07—74 《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定聚乙烯膜可用于使用年限不超过50 年的建筑物。前苏联文献[8]认为，所以限制在50 年，那是因为观测时间还不长，因此对使用寿命的总结和结论是极为谨慎的。当积累了足够的观测资料以后，这个期限将延长。

美国垦务局于1946 年开始在渠道上铺聚乙烯膜防渗，上面用25～30cm 厚的土覆盖。使用以后4 年、9 年、14 年、19 年都取样试验。兹将铺设时 （1961 年春）试验和使用19年后的试验成果列于表9.20 （见文献[9]）。

表9.20　聚氯乙烯膜使用19年后物理力学性质比较

表中数据表明，水下膜比水面以上膜老化慢。水下膜抗拉强度与铺设时基本相同，但极限伸长率降低，弹模增大，抗撕强度增大，增塑剂减少。说明膜发硬发脆，一定程度老化。美国垦务局认为聚氯乙烯膜用于渠道衬砌防渗效果尚满意，但厚度太薄，今后改用0.5mm厚膜，老化可较慢。经试用聚乙烯膜多年，表现了良好的抗老化性能，已推广使用。

英国自1860 年开始，混凝土坝内的伸缩缝止水片应用橡胶制品。经检查，至今尚未损坏。由此可以认为，坝内埋设的橡胶膜使用寿命已在100 年以上。而氯丁橡胶的使用寿命优于天然橡胶。因此，为了防止心墙地震时产生的裂缝漏水管涌，铺设氯丁橡胶膜或聚乙烯膜是安全可靠而耐久的。