土工膜土石坝

水工设计手册第六卷第四章其他类型土石坝第二节复合土工膜防渗土石坝编写工作大纲黄河勘测规划设计有限公司Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd.二OO八年十月一、编写依据与原则（一）编写依据编写依据包括如下有关规程规范：（1）《土工合成材料的应用技术规范》SL/T255－98（2）《土工合成材料应用技术规范》GB50290－98（3）《土工合成材料试验规程》SL/T235－1999（4）《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）（5）《水工建筑物抗震设计规范》（SL203－97）（6）《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL174－96）（7）《碾压式土石坝施工规范》（DL/T 5129－2001）（二）编写原则1、与本章共性内容如：基本材料性能、土石坝稳定、渗流、沉降、抗震计算等在第一章反映，本章仅反映与坝型特点有关的筑坝材料（土工膜）、专用分析计算方法、基础处理等。

2、编写思路应基本沿用第一版设计手册整体框架，编写内容以规程规范为主要依据，补充20年来水工设计新理论、新方法、新技术及典型案例。

鉴于目前存在水利、水电两套设计规范，应力求包容和协调，便于设计使用。

3、设计手册应便于查阅、文字精炼、力求简捷方式编写；体例与格式、名词术语、符号等均应符合《修编工作大纲》之规定。

二、编写要求1、编写内容突出土工膜防渗土石坝设计新理论、新方法、新技术和应重点解决的问题和方法，突出先进性、科学性原则。

2、总结和收集近年来国内水利水电土工膜防渗土石坝设计的最新经验和研究成果。

3、编写中提出的设计方法、设计理论应能为设计人员所接受，具有可操作性；并与当前我国颁布的有关规程、规范协调。

三、主要章节及第二节人员安排第四章其他类型土石坝（水科院、黄河设计公司）约15万字第一节概述一、其它类型土石坝的定义、分类（水科院）二、发展概况（水科院）三、国内外复合土工膜防渗土石坝应用现状及发展（黄河设计公司秦云香）第二节复合土工膜防渗土石坝（常务负责人张国兰、曹国利）（约7万字）一、含义及种类（刘宗仁）主要说明：土工合成材料的基本含义和种类，参考土工合成材料的相关资料；要求涵盖主要用途和品种。

二、特性指标及其测试（张国兰）（结合土工合成材料的应用技术规范SL/T255－98，土工合成材料的重要特性指标和复合土工膜的特性指标）（一）应用技术规范SL/T255－98（3.2.1）（二）指标测试试验三、土工膜防渗的种类及技术特点（田华祥）主要说明：土工膜防渗的各种类型及技术特点。

特别是复合土工膜防渗土石坝的类型及技术特点。

如：水平铺盖防渗（涵盖库盆等内容）、坝坡防渗、垂直防渗等。

三、土工膜防渗的种类及技术特点3、土工膜防渗的类型及技术特点3.1 土工膜防渗的类型土工膜防渗有以下几种类型：①土石坝的防渗斜墙；②土石坝的垂直防渗心墙；③透水地基上土石坝的水平防渗铺盖；④透水地基上土石坝的垂直防渗墙；⑤土石坝的加高防渗。

图4-2-3-1是一些常见的防渗结构示意图，表4-2-3-1是国内部分土工膜防渗体坝的基本特性。

图4-2-3-1 土工膜防渗型式表4-2-3-1 国内部分使用土工膜防渗的工程实例3.2 土工膜防渗的技术特点土工膜是一种柔性防渗材料，可用于水库库盆、土石坝的垂直防渗墙、倾斜防渗层、坝的上游防渗铺盖、沥青混凝土面板或混凝土面板堆石坝的防渗层、尾矿坝的初期坝防渗层、渠道防渗、污水防渗和危险性废物料场的封闭等等。

土工膜防渗具有结构简单，施工方便，防渗效果好，节省工程造价，加快工期等技术特点，宜于在我国大力推广。

四、土工合成材料的选用(刘宗仁)结合土工合成材料的应用技术规范SL/T255－98（3.1.1）（一）极限抗拉强度折减（二）应力、应变安全系数计算（三）土工膜厚度计算五、稳定性验算(代巧枝)（一）土工膜防渗体的稳定分析如：内坡为砼预制板护砌，下设土工膜防渗，在渗流计算时，土工膜通过当量代换进行坝体渗流计算（二）膜后土工织物排泄能力核算六、施工技术要求与质量检测（张国兰）七、土工膜防渗土石坝设计（曹国利、代巧枝、田华祥）结合土工合成材料的应用技术规范SL/T255－98（第5章）（一）一般规定（代巧枝）（二）土工膜防渗结构（代巧枝）（三）土石坝防渗设计（代巧枝）（四）防渗铺盖设计（含库盆）（田华祥）7.4. 防渗铺盖设计（含库盆）在透水地基上修建土石坝，水平铺盖与斜墙、心墙联合防渗是通常采用的一种措施。

采用复合土工膜作铺盖，主要在于复合土工膜的主膜渗透系数极小，通常为10-11~10-12cm/s，起防渗截水作用，而且复合土工膜具有较大的弹性或塑性变形，可适应土体的沉降、胀缩等变形。

7.4.1 防渗铺盖厚度确定土工膜防渗铺盖厚度应按作用水头，地层中可能存在裂隙的形状与大小，以及土工膜的抗拉强度和破坏应变等，借薄膜理论来估算。

按照SL/T225-98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》中的公式计算。

式中T ——薄膜的单宽拉力（kN/m ）；p ——薄膜上承受的水压力荷载（kPa ）； b ——预计膜下地基可能产生的裂缝宽度（m ）； ε——薄膜发生的拉应变（%）。

计算土工膜的厚度时，考虑土工膜垫层采用中细砂、砾石，作用水头按最大水头，假设裂缝宽度为10mm 时，计算最大水头的水压力荷载下土工膜的拉应力-拉应变曲线，此曲线应与选用厚度的土工膜材料的拉应力-拉应变曲线对比，求出应力安全系数和应变安全系数，如不满足，应选较厚膜。

根据经验，对于中水头坝，要求厚度一般为0.5~0.6mm 。

7.4.2 防渗铺盖结构设计土工膜下设反滤层，以防止铺盖万一穿孔时造成地层土流失，采用非织造土工织物的复合土工膜可以同时满足运行需要。

大面积铺盖下会积水、积气，应根据具体情况采取工程措施排除积水、积气。

土工膜不宜直接与粒径较大的土石料接触，应根据需要在两面设置细粒垫层或一面设置垫层，一面设置保护层。

如果地基是壤土或沙土，经平整压实后，可直接在其上铺设土工膜；如果地基中含有卵砾石较多，可先铺设沙土或中粗沙垫层，碾压密实，然后在其上铺设土工膜。

土工膜上应设置一定厚度的保护层，该层也应先铺砂土或中粗砂过渡层，然后是一般土石料或混凝土保护层。

保护层在压实或施工过程中应防止土工膜的损坏。

如果采用复合土工膜，经论证也可不设垫层而直接与粒径较大的土石料接触，使结构得以简化。

7.4.3水平铺盖防渗长度计算采用复合土工膜作斜墙（心墙）与铺盖联合防渗，复合土工膜应是一整体结构。

虽具一定的柔性，但与透水地基接触时，不可能完全嵌入到下层介质的孔εpbT •=204.0隙中，因此，其接触面上将存在较大的孔隙通道，沿接触面渗流的流速会逐渐增大，当渗透压力达到下层基土的临界水力坡降时，下层基土的颗粒即失去平衡，被水流从接触面上的孔隙通道中带走，形成接触冲刷破坏。

为防止下层基土颗粒的冲刷破坏，则需要复合土工薄膜铺盖具有足够的长度，以减小铺盖下的渗透坡降，达到透水地基渗透稳定的目的，此时的铺盖长度为铺盖的极限长度。

将斜墙与铺盖典型断面分为进口段、铺盖段和坝体段，计算模型见图4-2-7-1图4-2-7-1 斜墙与土工膜铺盖联合防渗典型断面根据渗流分析，其各段的水头损失分别为： 进口段： foo k q h 44.0= (7.4-1) 铺盖段： fo b b k q q T L h 1+•=（7.4-2） 坝体段： df o d d k H h Tk q q q L h )2()(2221++++=（7.4-2）式中：h o 为进口水头损失（m ）；q o 为从铺盖前端进入到透水地基的单宽渗流量（m 2/s ）；k f 为透水基地的渗透系数（m/s ）；h b 为渗透水流流经断面1到2的水头损失(m)；T 为透水地基的厚度（m ）；q 1为通过铺盖长度L b 的单宽渗流量（m 2/s ）；h d 为渗透水流流经坝体和坝基的水头损失（m ）；L d 为土石坝底宽（m ）；H 2为下游 水头（m ）；k d 为坝体的渗透系数（m/s ）；q 2为通过斜墙的单宽渗流量（m 2/s ）。

将公式整理最后可得铺盖极限长度（L b ）min 和相对于铺盖极限长度时的单宽渗流量q L 为：fdf fd df f df b J k k TJ L H k k TTJ k k TH L 2)(44.0221min ++--+=（7.4-3）()⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=222min 144.02H k k T J L T k k T H L k q d ff b d f d d L (7.4-4)透水地基所能承受接触冲刷的渗透坡降，可用接触冲刷临界水力坡降公式计算：10min 11181.0d d n L n J e f b g s f ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+--=ωωγγγα(7.4-5) 式中：J f 为透水地基所能承受接触冲刷的渗透坡降，可用接触冲刷临界水力坡降公式α为颗粒形状系数，砂粒α=1.17；γs 、γw 为土和水的容重（Kn/m 3）；n g 、n f 为复合土工膜中的土工织物和透水地基的孔隙率；d e 、d 10为透水地基的等值粒径和有效粒径（m ）。

7.4.4 土工膜铺盖的保护施工阶段防止施工人员和施工机械对土工膜可能产生的损伤，在铺设完毕后一直到运行期间防止土工膜受阳光直接暴晒，人畜或施工机械在表面行走造成损伤。

具体解决措施：在土工膜表面覆盖一定厚度的透水料保护层，厚度要求大于或等于1 m ，并且要与土工膜同时铺放。

（五）垂直防渗设计（田华祥）7.5. 垂直防渗设计7.5.1 垂直防渗土工膜垂直防渗基本原理是：首先用水冲、链斗或往复式锯槽机在需防渗的土体中垂直开出槽孔，并以泥浆护槽壁，然后将与槽深相当的整卷土工膜下入槽内，倒转轴卷，使土工膜展开，相邻两幅之间用搭接的方式连接；最后进行膜两侧的填土，即形成防渗帷幕。

回填时，在槽底回填粘土，厚度不小于1m，目的是密封，以防止水从下部绕渗，接着填与原筑坝土质相同的土，待其下沉稳定后，往槽内继续填土压实。

待土工膜出槽后，将其与建筑物防渗体系连接，不得外露。

在与建筑物连接处，土工膜应留有足够的富裕，以防止建筑物变形时拉断土工膜。

7.5.2 垂直防渗特点（1）开槽机造槽经济适用开槽机是垂直铺塑防渗技术施工开槽的主要设备，它是根据防渗技术要求和有利于施工两个方面而研制的，槽孔的深浅、宽窄可以调节，能够满足不同工程设计要求.机械结构简单、操作方便、机理明确、施工速度快，造孔经济适用。

（2）防渗材料性能好垂直铺塑防渗技术所采用的防渗材料一般为土工膜或塑料板。

这类材料防渗效果好，其本身渗透系数一般小于10-11cm/s，柔性好，易于施工；寿命长，在地下良好的保护状态下，其工作寿命至少在30年以上。