摘要：本文結(jié)合土工膜作用機(jī)理的主要應(yīng)用領(lǐng)域，如應(yīng)用于土石壩、混凝土壩、垂直防滲墻、渠道與水池及隧洞工程等方面的分析，對(duì)工程中設(shè)計(jì)方面應(yīng)的考慮問(wèn)題做出了相應(yīng)的探討，并做出了這方面工作的體會(huì)。
　　關(guān)鍵詞：水利水電工程,土工膜,應(yīng)用領(lǐng)域,設(shè)計(jì),體會(huì)
　　1土工膜作用機(jī)理的主要應(yīng)用領(lǐng)域
　　1.1混凝土壩工程
　　土工膜用于老混凝土壩上游壩面修理，也用于新建壩。前者是當(dāng)老壩上游壩面長(zhǎng)期運(yùn)用，表面腐蝕，透水性增大時(shí)，以土工膜貼面起防滲作用；對(duì)于新建碾壓混凝土壩，土工膜是作上游壩面的好材料。
　　1.2土石壩工程
　　土石壩工程中用土工膜的目的是防止壩體或壩基滲漏，既用于新壩，也用于舊壩修補(bǔ)和加高，包括:(1)用作上游斜墻；(2)雙層襯砌，既作斜墻，又做上游鋪蓋；(3)建于透水地基上的壩，作雙層襯砌鋪蓋，單層膜作斜墻；(4)單層鋪蓋；(5)鋪蓋部位下有軟弱層或易于破壞的區(qū)域，鋪蓋用單層土工膜，其下以土工格柵或高強(qiáng)、高模量土工織物加筋土體；(6)以土工膜作垂直防滲；(7)貫穿壩體的垂直防滲墻，可用于新建壩或舊壩；(8)折線形防滲墻，在新建壩中隨填土施工逐塊焊接向上延伸；(9)舊壩加高時(shí)用作加高部分壩體的防滲墻；(10)對(duì)兩種壓縮性不同材料的壩體，在兩種材料界面處的壩坡上用土工膜防止裂縫滲漏；(11)舊壩漏水，以土工膜作斜墻；(12)用土工膜修補(bǔ)地基漏洞等。
　　1.3渠道與水池
　　利用土工膜作為渠道與水池防滲襯砌的實(shí)例很多。有意義的是，美國(guó)墾務(wù)局曾在正過(guò)水的加州Coachella渠道上完成了300m長(zhǎng)的土工膜襯砌鋪設(shè)試驗(yàn)。試驗(yàn)用PVC土工膜厚0.75mm，其上粘有115g/㎡的針制土工織物，混凝士護(hù)面板就直接在它上面澆筑。每片土工膜尺寸為61m×17.9m，粘貼劑為四氫化呋喃。施工采用了特制的160t的挖掘平坡機(jī)和180t的水下鋪設(shè)機(jī)，它們都配有履帶，并安裝在跨度為31.4m的橫跨渠道的桁架上。
　　1.4垂直防滲墻
　　傳統(tǒng)的地基垂直防滲措施是建造混凝土防滲墻。近年來(lái)國(guó)外有些工程已開(kāi)始利用以聚合材料制造的稱(chēng)為地鎖扳的板材插入地基內(nèi)以替代連續(xù)墻，深度可達(dá)到15m或更深。
　　1.5隧洞工程
　　土工膜既用于無(wú)壓隧洞，又用于有壓隧洞。土工膜用于隧洞的作用主要為防滲，為了排除來(lái)自圍巖裂隙的滲水，往往采用背面粘有針刺土工織物的復(fù)合土工膜。
　　2設(shè)計(jì)方面要考慮的問(wèn)題
　　2.1土工膜厚度
　　強(qiáng)調(diào)土工膜要有一定厚度是基于下列考慮:(1)保證其有足夠不透水、不透氣性；(2)有抵抗破壞的能力，例如對(duì)HDPE膜，擦痕深至全厚的25%，屈服強(qiáng)度可能降低25%，破壞應(yīng)變甚至減小7%至14%；(3)便于焊接,土工膜要求厚度應(yīng)根據(jù)沉降等原因引起的變形量來(lái)計(jì)算，但還要考慮施工條件及偶然荷載等因素，通常厚度應(yīng)不小于0.5mm，而且厚度的不均勻不宜超過(guò)±10%。
　　2.2接縫強(qiáng)度
　　一般說(shuō)來(lái)，接縫強(qiáng)度總較土工膜本身的強(qiáng)度為低，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)焊接，焊縫質(zhì)量更難保證，故在焊接后應(yīng)切樣檢測(cè)，檢測(cè)方法有二種，即剪切試驗(yàn)與剝離試驗(yàn)，一般要求剪切強(qiáng)度應(yīng)不低于原材料的80%。
　　2.3溝錨深度要求
　　用土工膜作邊坡襯砌，當(dāng)其向上延伸到坡頂時(shí)，通常的作法是在離坡邊一定距離L處挖淺溝(深dj)，將膜埋入，并以原地土回填夯實(shí)，目的是防止土工膜下圖1錨溝深度計(jì)算，坡頂土工膜上有時(shí)有覆蓋土，有時(shí)不鋪土Z這里要探討的問(wèn)題是針對(duì)具體條件，確定溝埋深度dr，長(zhǎng)度L一般可不大于1m(無(wú)覆蓋土?xí)r可以更短)，可以用簡(jiǎn)化的極限平衡法大致估算。
　　        
　　                            如圖1所示，取安全系數(shù)為Fs，按∑FX=0，有
　　(1)
　　式中的T=σyt，其中Ry為土工膜屈服強(qiáng)度，t為其厚度；PA、PP分別為溝內(nèi)作用于膜的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力；Fu、Fi分別為膜上與膜下的摩擦力；其它符號(hào)意義示于圖1中,通過(guò)驗(yàn)算，一般取dr=1m已相當(dāng)保守。
　　2.4覆蓋土層穩(wěn)定性
　　土工膜上有覆蓋土層時(shí)，土體由于重力易于下滑，覆蓋土有等厚度與變厚度之分，其穩(wěn)定性核算易于按極限平衡條件求解。
　　2.4.1等厚度覆蓋土層
　　等厚度覆蓋土層穩(wěn)定安全系數(shù)Fs按定義為
　　(2)
　　式中的δ為填土與土工膜的摩擦角。
　　2.4.2不等厚度覆蓋土層
　　圖2(b)為作用于土層的力系，在分析穩(wěn)定性時(shí)可將整個(gè)土層分為主動(dòng)楔和抗力楔，然后按楔體平衡原理核算其安全系數(shù)F,具體方法為:(1)由已知土料的內(nèi)摩擦角φ和δ求取不同安全系數(shù)Fs時(shí)的相應(yīng)值φ/Fs和δ/Fs；(2)對(duì)主動(dòng)楔，以土楔重WA、膜面反力FA(與坡面法線呈δ/Fs角)繪制力平衡多邊形(令作用于垂直面mn上的反力EA平行于坡面)，可以得到兩楔界面上的反力EA；(3)對(duì)抗力楔，以其重量WNB來(lái)自主
　　
　　
　　圖2覆蓋土層穩(wěn)定性核算
　　
　　動(dòng)楔的EA和楔底反力FNB(作用方向與楔底法線呈φ/Fs角)，同樣繪平衡力三角形，但發(fā)現(xiàn)，為使該三角形封閉，界面反力尚缺△E(△E=ENB-EA)；(4)針對(duì)每一假定的Fs，可按上述步驟求得相應(yīng)的△E；(5)繪制Fs～△E曲線，則相應(yīng)于△E=0的Fs即為覆蓋土層的抗滑安全系數(shù)。
　　2.5邊坡的整體穩(wěn)定性
　　以土工膜作襯砌的邊坡也需要校核其整體穩(wěn)定性。假設(shè)滑坡沿圓弧，則可能的滑弧位置如圖3中的(Ⅰ)至(Ⅳ)。顯然圖3中的(Ⅰ)、(Ⅱ)兩種情況與土工膜無(wú)關(guān)，可以直接采用人們熟知的條分法或穩(wěn)定數(shù)法驗(yàn)算；對(duì)于(Ⅲ)與(Ⅳ)，如果膜上有覆蓋土，膜中會(huì)存在拉力，而滑弧如要切斷土工膜，將受到拉力抵抗，故在穩(wěn)定驗(yàn)算中，拉力T將參加到抗滑力矩中，有助于提高穩(wěn)定性,寫(xiě)成計(jì)算式則為
　　(3)
　　式中的T為土工膜中拉力，T=σYt，其中σY為土工膜的屈服強(qiáng)度，t為土工膜厚度；X為拉力T對(duì)滑動(dòng)圓心的力臂，其最大值等于滑動(dòng)圓弧半徑R。
　　                         
　　                                                圖3襯砌邊坡穩(wěn)定核算
　　可見(jiàn)這里滑弧上部土工膜為土坡穩(wěn)定提供了一個(gè)抗滑力矩增量TX，而滑弧底部土工膜的拉力則對(duì)抗滑無(wú)明顯作用Z如果采用的是土工膜與土工織物組合材料，則土工織物中的拉力當(dāng)然也應(yīng)包括在T值之中。
　　3結(jié)論與體會(huì)
　　通過(guò)以往土工膜的應(yīng)用實(shí)踐可知，選用土工膜材料時(shí)，除了應(yīng)使其滿(mǎn)足正常荷載下的強(qiáng)度和變形要求的力學(xué)性質(zhì)外，特別要注意以下各種因素:
　　(1)溫度，即耐高、低溫的能力，溫度長(zhǎng)期過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生明顯蠕變，過(guò)低將會(huì)使材料變脆，同時(shí)難以保證焊縫質(zhì)量，通常認(rèn)為應(yīng)保證土工膜在45℃和-25℃范圍內(nèi)能正常工作；
　　(2)化學(xué)抗力，當(dāng)土工膜與含酸、堿、鹽及重金屬離子的流體或固體廢料長(zhǎng)期接觸時(shí)，可能產(chǎn)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)，尤其是對(duì)焊縫材料，應(yīng)通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)來(lái)論證膜料的抗力；
　　(3)排氣保護(hù)，如果土工膜襯砌下土體中或固體廢料中會(huì)有氣體產(chǎn)生，應(yīng)設(shè)法將其排除，為此，最好采用土工膜和針刺土工織物粘貼的組合材料，土工織物具有輸氣功能，這種材料還兼有保護(hù)土工膜和增加其表面摩擦的作用；
　　(4)施工和風(fēng)力荷載。
　　設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮使用土工膜的具體條件:
　　(1)對(duì)堆石壩，在塊石間可能存在較大孔隙，混凝土壩表面雖較平滑，但有施工縫與伸縮縫及碾壓混凝土壩的表面一般不光滑，有較大孔隙與縫隙，在高水壓力作用下，土工膜可能引起過(guò)大變形，宜采用加筋土工膜或上述土工膜與土工織物的組合材料，且應(yīng)通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)來(lái)論證；
　　(2)需要考慮不均勻沉降對(duì)土工膜變形的影響；
　　(3)應(yīng)注意土工膜的表層保護(hù)，對(duì)于緩坡，可采用薄混疑土板；對(duì)于陡坡，可以采用噴漿，同時(shí)以土工格柵加筋，對(duì)于垂直坡，一般可不要保護(hù)；
　　(4)土工膜表面摩擦系數(shù)較低，HDPE的效益比(土工膜與砂土摩擦角的正切對(duì)砂土本身內(nèi)摩擦正切的比值)約為0.58，PVC的可達(dá)0.88，設(shè)計(jì)中應(yīng)驗(yàn)算土工膜在斜坡上的穩(wěn)定性和膜上覆蓋土層的穩(wěn)定性，最好是采用兩面均貼有針刺土工織物的組合土工膜，對(duì)于陡坡，土工膜的上端應(yīng)埋入坡頂溝槽內(nèi)。