土工合成材料应用技术与发展.docx

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土工合成材料应用技术与发展

土工合成材料应用技术与发展

摘要：

土工合成材料技术已经成为重要的土工加固技术之一。

本文以土工合成材料为研究对象,结合该材料在国内外的应用情况,综述了土工合成材料技术在土木工程建设中的发展与应用。

介绍国内外土石坝采用土工合成材料防渗补强的情况;土工膜不但可用于老坝的防渗补强,也可用于新建的土石坝的防渗及库区防渗,文中还对土工膜的选择、接缝的处理方法等作了介绍,特别提出土工膜防渗工程要达到预期效果必须严格控制土工膜的质量和施工质量等问题。

关键词：

土工合成材料;加固技术;应用进展土工膜，防渗，水库

引　言

建国以来,修建了数以千计的各种中小型水库,为拦蓄洪水并提供了工农业和城市用水,发挥了巨大的作用,取得了宝贵的经验。

水库经过了近40年的运行,也逐渐发现了不少问题。

例如水库及大坝基础处理不好,坝体不密实、漏水量较大,蓄水量达不到设计要求,严重的甚至危及大坝的安全等。

80年代以来,国内外水利部门利用土工合成材料,做为老坝防渗补强的防水层已取得了不少经验,可供借鉴。

1　土工合成材料简介

土工合成材料是用于土木工程建设的人工聚合材料的总称,也是岩土工程领域的新型建筑材料。

1958年美国佛罗里达州将土工织物铺在海岸护坡下作防冲垫层,被公认为是土工合成材料应用于岩土工程的开端。

其埋设于土体中形成的加筋土,被前西德5地下建设6杂志（1979）誉为/继钢筋混凝土之后又一造福人类的复合材料0。

实践证明,加筋土能有效提高土体的抗拉、抗剪等性能,其材料与技术的优势愈来愈被工程界认可,土工合成材料技术已经成为岩土工程领域的研究热点。

1.1土工合成材料的类型

应用于土木工程建设的土工合成材料其分类在国内外尚未形成统一的标准,目前按我国行业标准

可以将其分为四类[1]。

（1）土工织物透水性土工合成材料。

按制造方法的不同分为:

织造土工织物与非织造（无纺）土工织物。

织造土工织物是由纤维纱或长丝按一定方向排列机织的土工织物;而非织造（无纺）土工织物亦称为无纺布,是由短纤维或长丝按随机或定向排列制成的棉絮垫经机械结合、热黏或化黏而成的织物。

（2）土工膜在各种塑料、橡胶和土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水膜。

包括:

聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯土工膜。

（3）土工复合材料由两种或两种以上材料复合而成的土工合成材料。

包括:

复合土工膜、复合土工织物、复合排水材料（排水带、排水管等）。

其中,土工塑料排水带比较常用,它是由芯板和透水滤布组成的复合型土工聚合物。

（4）土工特种材料包括:

土工格栅、土工网垫、土工带、土工模袋、土工织物膨润土垫（GCL）、聚苯乙烯板块（EPS）等。

其中,土工格栅、土工网垫、土工带等比较常用。

1.2土工合成材料的阶段性发展

土工合成材料问世至今已有100年左右的历史,自20世纪60年代起土工合成材料开始应用于各类土木工程中。

土工合成材料主要创始人之一的J#基劳德先生,将土工合成材料发展进程划分为3个阶段:

第一阶段（1960年）1975年）为开拓时期;第二阶段（1975年）1990年）为设计施工方法研究和新产品开发时期;第三阶段（1990年以后）为土工聚合物应用时期,即岩土工程师与聚合物专家合作改进设计施工方法和研制新产品时期。

我国自20世纪60年代引入土工合成材料技术,在水利、建筑、交通、港口等工程领域得到普遍应用。

纵观土工合成材料在我国的应用情况,其发展进程也分为3个阶段。

第一阶段,从20世纪60年代中期至70年代末期为自发应用阶段。

当时土工合成材料多为塑料与化纤产品。

其中60年代中期,在河南、陕西、北京等省市多处灌溉渠道中,曾先后利用塑料薄膜作为防渗材料;70年代末至80年代初,我国开始修筑加筋挡土墙。

第二阶段,从20世纪80年代初至80年代末为技术引进阶段。

在此期间,我国铁路部门首先试用美国、英国生产的无纺布作为路基的基层,防止路基翻浆;天津新港引进日本生产的塑料排水带,加固软

2土工合成材料在土木工程中的应用

2.1加筋

通常土体具有一定的抗压强度,但它们的抗拉强度和抗剪强度却很低,在土体内适当位置掺入或埋设一定数量土工织物后,依靠它们与土界面的相互作用（摩擦与咬合）,限制土体的侧向位移,可在一定程度上改善土体的变形特征,提高土体强度,尤其是抗拉强度,增加土体的稳定性。

（1）加固土坡和堤坝常见加筋土坡和加筋提坝。

土工合成材料应用于土坡、堤坝的优势在于:

一是使土坡坡度变陡,从而节省占地面积;二是防止滑动园弧通过堤坝和地基土体而导致滑动破坏;三是减少堤坝地基的不均匀沉降,提高地基承载力;四是有利于堤坝跨越可能的沉陷区。

（2）加固地基地基中铺设土工合成材料形成复合地基可以阻止剪切破坏面的出现,有效增强地基强度与稳定性。

工程实践表明,加筋地基主要有两方面的优势:

一是土工合成材料具有较高的强度和韧性,铺于地基中可将上部施加的荷载均匀地分布在地层之中,从而提高地基承载力;二是土工合成材料铺于软土表面,与土的摩擦作用增大,阻止软土侧向挤出,从而减小变形和增大地基稳定性。

（3）加筋挡土墙在挡土结构的填土中,每隔一定垂直距离铺设抗拉强度高、表面摩擦阻力大的筋材,用作筋材的土工合成材料包括土工格栅、土工带等。

加筋挡土墙实际是由填土、填土中一定数量的拉筋以及直立的墙面板三部分组成的整体复合结构。

这种结构内部存在着墙面土压力、拉筋拉力以及填土与拉筋的摩擦力等相互作用的内力,内

力相互平衡,保证了结构的内部稳定。

目前加筋挡土墙在桥台、挡墙、海岸和码头等支挡建筑中的应用已获得成功。

2.2防渗

常用土工膜及其它排水材料与黏土等材料共用构成衬砌,形成有效的防渗体。

该技术用于各类堤坝的防渗、渠道防渗衬砌、地下工程隧道与洞室的防渗、建筑工程屋面防渗等均取得了成功经验。

2.3防护

常见边坡防冲,充填袋筑堤坝、路面、道面的防护工程以及水工保持等工程中。

如沿海地区岸坡铺土工合成材料防海浪冲击,滨河、滨江地区洪水期以充填袋筑堤坝抵御洪水;在公路工程中,可防止软弱土层侵入路基碎石,引起的翻浆冒泥现象,也可减少或延缓的沥青路面、旧水泥混凝土路面产生的反射裂缝。

同时,在沿海及内陆地区水土流失

防护方面也发挥重要作用。

2.4反滤与排水

具有一定厚度、有孔隙、能透水的土工合成材料,在各类工程中起反滤与排水作用。

如,软土处理中的土工合成材料可加速软土的排水固结;挡土墙施工中,将土工合成材料置于挡土墙后,可起排水与反滤双重功效;水利工程中,将土工合成材料铺于下游排水体（褥垫排水或棱体排水）周围,起反滤作用,可防止管涌[4]。

工程实践证明,土工合成材料在工程中发挥的作用多是综合性的,如用作加筋时,也兼有排水防

护的功能。

3　国内外土石坝采用土工合成材料防渗补强的情况

3.1　葡萄牙的帕拉台拉钢筋混凝土面板堆石坝

坝高110m,上游面坡度1：

1.3堆石用抛投填筑,密实度不足,产生很大位移,以致混凝土面板被拉裂挤破,漏水量达到1.3m3/s。

自1955年完工后,25年来采用各种修补措施,但仍有0.5m3/s的漏水量。

1981年采用含沥青橡胶的土工膜全面铺设防渗层,约7万多平方米,修复工作仅用三个月,取得了良好的效果,漏水量减至0.015m3/s,为修补前的3%。

3.2　加拿大的捷尔查基坝

1962年建成,坝高61m,系粘土斜墙土石坝,上游坡度为1∶3.8。

因漏水修补,采用厚0.76mm的聚乙烯薄膜,铺设在粘土斜墙上面,再用块石护面,取得较好效果。

3.3　加拿大的泰沙基土石坝

1962年建成。

坝高55m上游斜墙并有铺盖厚达1.5m。

因该坝位于高压缩性覆盖层上,且压缩层厚度不均匀,造成了不均匀沉陷,致使上游斜墙产生了大量裂缝,危及坝体安全。

为此,采用0.75mm厚度的聚氯乙烯土工膜。

在土工膜表面加糙,深度0.08mm,并在表面涂一层涂料,粘附粉砂砾,提高其摩擦系数,运行14年后防渗效果很好,但因上游坡面出现塌坑,土工膜料沉陷近3m,并被拉断。

3.4　意大利有不少建于20和30年代的混凝土及浆砌石坝

在运行40～50年后,表面砂浆脱落漏水,对这类坝的修复,80年代以来广泛采用土工膜料。

例如拉各尼罗重力坝,坝高46m。

于1929年建成,经40年后,严重漏水,几次修补均无效,多方比较,决定采用2.0mm厚聚氯乙烯土工膜,下铺一层聚脂无纺土工织物（500g/m2）热粘,该土工膜在2MPa的水压下仍保持不透水。

用锚栓钢肋板固定于坝面。

这样修补后渗流量小,取得较好的效果。

3.5　河北省临城水库粘土斜墙坝

坝高30余米,始建于1958年,1960年竣工,上游面坡度1∶2.5。

在1963年大洪水之后,因坝体施工质量差,渗漏量达0.8～0.9m3/s,水量损失每天近6.9～7.8万m3。

1990年河北省水利厅决定对该坝进行防渗加固补强。

采用复合土工膜,聚氯乙烯厚1.2mm。

在表面热粘400g/m2土工织物。

总面积约7万m2。

在上游坡脚,做混凝土防渗墙,将土工膜固定在混凝土防渗墙顶上,据工程管理单位反映,效果很好,漏水量大为减少。

3.6　北京市半城子沥青斜墙坝

坝高29m,坝长118m,上游坝坡2∶2.25,地基防渗采用混凝土墙,上游面沥青混凝土斜墙总面积11500m2。

建成于1979年,因气温骤降,沥青混凝土斜墙产生裂缝,至1984年已发展到30多条,还有几条是贯穿性的。

1985年决定进行沥青混凝土斜墙补强。

首先对已有的裂缝先用橡胶沥青玛蹄脂灌注,再在裂缝上用氯丁胶乳沥青玻璃丝布覆盖,使它们不再漏水,其次采用沥青玻璃丝布油毡和氯丁胶乳沥青进行坝面防渗补强。

考虑到该水库坝址处气温曾达-23℃～-24℃,为此铺设砂砾保护层,厚度不小于70cm,在其上又加30cm厚的块石护坡。

1985年秋全部完成,已正常蓄水,效果很好。

3.7　甘肃水关河水库心墙土坝,

该坝坝高24m,坝长不及300m,上游面坝坡1∶3.4,库容95万m3。

因坝体防渗心墙施工质量差,蓄不起水。

通过比较,决定用聚乙烯土工膜防渗,膜厚0.5mm,铺膜面积12400m2,接缝采用热焊,并用充气法检漏,焊缝质量有保证,对现场焊缝抽样检测,其焊缝强度为母材强度的83%,断裂位置均不在焊缝上,说明焊缝质量是好的。

施工速度较快,日平均完成1400m2。

历时2个月。

1993年完成后,蓄水检查,效果是好的。

3.8　从上述举例可以看出,国内外老坝补强防渗,

采用土工合成材料,可以做到,工期短,造价低。

在粘土料源缺或离坝址较远以及砂砾料源少的地方采用土工合成材料做为防渗层更有其优势。

例如90年代以来在青海、西藏地区,粘土料奇缺的地方,骨料虽有,但水泥要长途运输,从1995年起开始在两坝高30余米水库上铺设土工膜和复合土工膜,数量近20万m2,即将竣工。

又如甘肃省夹山子水库,坝高30余米,库盆为深厚的覆盖层,漏水量大,土坝建成后,蓄不起水来,做防渗铺盖,需防渗面积达65万m2,附近难找粘土料,经设计部门多方比较,最后库区选用0.2、0.3和坝坡选用0.4mm的三种聚乙烯土工膜防渗层,1994年开始施工,即将竣工。

3.9　内蒙包头市随着工农业用水的增加

原自来水公司的水处理系统已满足不了需要,决定从黄河引水,做为沉沙及贮水之用的水库面积近70万m2。

库底均在渗水较强的黄河岸边滩地上,围堤高10m左右,粘土缺乏,远距离运输,单价增高,经设计部门方案比较之后,决定采用0.3mm厚的聚乙烯土工膜做为防渗层,土坝边坡采用复合土工膜,即聚乙烯土工膜上、下均热粘200g/m2无纺布以加强其抗拉和抗顶破的强度,坝表面将铺保护层,库底覆盖1m厚的土,1996年5月开始施工,当年10月底全部竣工。

3.10　国外采用土工膜做为新建土石坝

砌石坝的上游面防渗层,也有20多年的经验。

坝高一般不超过30m的,但也有超过30m的。

例如1987年美国的派克拉土石坝高67m,坝长381m,采用高密度聚乙烯土工膜斜墙防渗,膜厚达1mm。

又如意大利的卡斯特里西奥尼混凝土坝,坝高67m建于1985年。

库区采用铺盖46000m2,聚乙烯土工膜厚1.2mm外加聚乙烯无纺布500g/m2,保护土工膜。

从国内外已建及在建工程采用土工合成材料防渗的资料分析对比见下表。

4　土石坝防渗补强采用土工合成材料常遇的几个问题的商榷

　　我国已建土石坝数量相当大,需要防渗补强的数量也不小,在选择土工合成材料进行防渗施工时,各方面也有不同的看法,现在提出供参考。

4.1选用什么样的土工膜合适

一般看来,多选用聚乙烯、聚氯乙烯复合土工膜以及改性沥青卷材,如ECB及APP改性沥青卷材,前者用于土石坝斜墙防渗,而后者可用于沥青混凝土斜墙防渗补强。

价格比较适中,聚乙烯每吨1.7万元、聚氯乙烯每吨1.6万元。

聚乙烯因其密度不同,强度和变形不同有高密度聚乙烯和低密度聚乙烯等,国内大都采用低密度聚乙烯,因其相对较软,易于人工施工,国外大都采用高密度聚乙烯。

近年来,我国一些生产厂家将土工膜（聚乙烯或聚氯乙烯）与针刺土工织物——无纺布（涤轮或丙纶）加热压合或用胶粘合形成复合土工膜,复合土工膜的优点除了保护土工膜免于被刺破,可提高2～3倍抗刺破强度,又可起排水作用,提高与斜墙坝面之间的摩擦系数,另外一个优点,即使土工膜发生破洞,由于无纺布的阻力,能够限制大量漏水。

国内一些工程开始采用一布一膜的复合土工膜,如广西玉林红江水库,坝高40m,采用0.5mm聚乙烯200g/m2无纺布复合土工膜,每平方米约24元,已竣工。

国外不少工程采用一布一膜是不粘合,也认为在有条件地方采用复合土工膜是有利的,当然要增加一些工程费用,因为无纺布每100g/m2约2.5元～3元,如采用200g/m2的无纺布则每平方米需要增加费用5元～6元之多。

4.2选用多厚的土工膜为宜

选择土工膜的厚度一般与下支持层土料的粒径,膜料的性能,上部承受水压力及安全系数有关,我国尚无统一计算方法,大都试用苏联的,河海大学顾淦臣教授及北京市水科所推荐的公式

（2）。

如果在低于50m水头的土石坝用苏联的1987年的公式,通过计算,用0.2mm聚乙烯土工膜就够了,在苏联一些粉煤灰贮存场就是这样,实践证明,效果不佳,漏水量较大,损失近10%之多。

西方国家多采用0.7mm～1.0mm以上的聚乙烯或聚氯乙烯土工膜,我国有的水库采用0.2mm,近两年来,随着经济发展,人工费用增加,一般均采用0.3mm以上,且开始选用复合土工膜。

从施工逐渐采用机械运输,拖拉机或其它机械压实,以及从防老化,增加耐久性的要求,也不宜采用0.2mm的土工膜了。

此外,大面积施工其接缝较多,在焊接时0.3mm厚以下的材料施工工人不易掌握,易造成破坏或漏洞,反而事倍功半,因此,水头低于10m时采用土工膜不低于0.3mm,在30m以下应不小于0.5～0.6mm厚度的土工膜;如果采用复合土工膜则应不低于200g/m2（无纺布）,0.5mm的土工膜。

聚乙烯、聚氯乙烯土工膜受阳光辐射,尤其是紫外线对高分子材料破坏性较大,以至老化脆裂伸长率降低。

例如在某铜矿尾矿坝工地,将厚0.8mm,幅宽5m折成1.7m的聚乙烯卷材（未加碳黑）运至工地后,未加任何遮盖,在阳光暴晒及雨水淋浇下存放,只有1年多,聚乙烯卷材的两端已经脆裂,损失极大,高分子材料聚乙烯土工膜遮盖埋在地下,已有十几年到二十几年未有显著老化的经验,我们的实验也证明了如加以覆盖,埋在覆盖层下使用25年,强度虽有所降低,但使用没有问题的。

土工合成材料的国外专家古隆特和贝内时均认为使用30年没有问题。

前苏联专家根据室内资料,曾估计可使用50年以上,这里需要指出,同一种土工膜,愈厚则愈耐老化,愈薄愈不耐老化。

为了防止老化过快,有些国内生产厂家,在生产土工合成材料聚氯乙烯卷材时添加适量的抗氧剂,光稳定剂,据厂长称直接暴露于大气中可保证十年。

在生产聚乙烯卷材时添加炭黑抑制紫外线直接辐射的作用,效果显著,但需要加约5%的费用。

为了防止土工膜加速老化,应在土工膜上加土或用刚性材料覆盖,同时也可以起到抵御一些如冰块、维修机具、工人、破坏公物者、动物造成的损坏;减小外部温度的变化范围,防止被水浪冲击或地下水托起等。

当土工膜被土壤或其它颗粒材料覆盖时,土石坝坡不宜大于1∶2.5（垂直∶水平）,适宜坡度为1∶3,土工膜坡度比表面的坡度稍陡,以保证土壤覆盖层的厚度随深度的增加而增加,当然坝面坡度必需由土壤坡度的稳定性,密实性等确定。

4.3如何处理土工膜接缝

目前厂家生产的土工膜宽度不一,从1m至6m不等。

幅度愈小,接缝愈多,增加了土工膜搭接量,又增加了焊接工作量,幅宽超过4m,增加运输困难。

因此,一般在厚度大于0.5mm以上的土工膜,用户希望幅宽2m～4m,至于长度各不相同,一般长度20m～30m,每卷重量在50kg至100kg以内,否则需要机械搬运,给一些施工单位带来不便。

改性沥青卷材的拼接缝基本上采用喷灯在接缝处烘烤,然后加压冷却后即可,聚氯乙烯卷材拼接缝有的工程单位曾采用胶粘剂,聚氯乙烯膜边（5-8cm宽）用砂纸打毛弄净刷胶,一般可涂两遍,滚压两遍,要求固化12～24小时,此种方法不需特殊设备,接缝强度也能满足要求。

国外聚氯乙烯卷材接缝拼接,也用过聚氯乙烯胶粘剂,近十年来;根据许多资料报道大都不用胶接法而多采用热楔焊接法或热风焊接法。

热楔式焊接法。

焊机能自动行走,滚轮随之向前移动,两片土工膜在热楔的上下面上滑过而加热,接着在上下辊轮之间被压紧,土工膜遂被热合。

两片土工膜搭接宽度约8～10cm,热合后土工膜形成两条宽约1cm的焊缝。

中间有宽1.5cm左右的空腔。

不同材质的土工膜,可调整焊机的行走速度,热楔的温度进行焊接。

热风焊接。

系用电热元件将空气加热至400℃以上通过扁平喷嘴鼓风将土工膜搭接3～5cm处吹热,表面溶化,然后用辊轮加压,熔合成一体。

国内已开始研制此种形式的自动焊接,尚未正式投入,已开发出手动式热风焊接机,虽不能自动焊接,但可以供一般工程使用。

工效一般在20m/h左右,要求熟练工人操作,否则不易保证质量。

国外焊接土工膜使用热楔式焊机居多,如美国、德国、英国、奥地利、韩国等。

使用热风式焊机较多的有瑞士、日本等。

焊接温度有400℃～450℃或更高;焊缝型式大都采用双缝式,中间有空腔;转轮速度可达5～6m/min;可焊接土工膜的厚度,随机型而异,一般均在0.3mm～3mm幅度内变化;转轮压力大小不同,有的资料称在90N左右。

随着经济建设的发展对焊机提出更高的要求。

现已由水科院龙翔土木水电应用开发研究所和温州鹿城热合包装机械厂共同研制开发出,热合牌TH—1土工膜焊接机,其性能已达到国外同类焊机水平。

TH—1型焊机,工效较以前提高一倍以上,该机上下压轮都由钢链条驱动,不仅在平地上可自动行走焊接,而且在立墙上（如高边坡,隧洞立墙也能自动上爬焊接,均可不用手扶。

焊接质量良好,其价格仅国外同产品的1/6～1/10,受到水利、环保、公路、市政等部门欢迎。

该机由鹿城热合包装机械厂制造,水科院龙翔研究所监制兼总经销。

4.4土工膜防渗施工

土工膜防渗工程要搞好设计,重视施工,确保质量。

大坝和水库的土工膜防渗系统是一个由支持层,防水层及保护层组成的综合防水系统。

支持层的功能是对防水层提供支持,并起排除渗漏水,反滤以及材料过滤等作用。

防水层是防渗系统的主体,保护层是保护防水层不受日光直射并防止外力破坏之用。

防水层土工膜的底边,周边要与不透水基础,坝坡严密结合也要与坝顶接合好。

土工膜铺设前的基础处理是保证防渗施工的重要环节,不可轻视。

土工膜易受紫外线的辐射,因之,土工膜出厂前的包装质量检查,运输过程及工地存放均不可马虎从事。

土工膜拼接的现场监理与质量控制是搞好土工膜防渗工程不可缺的重要组成部分。

从国内外土工膜防渗工程的实践来看,认真做好设计和施工,可以达到工期短、投资少、效益高的目的

结论致谢：

科学的人力资源管理方式能够更好地激励员工，提高员工工作积极性，为企业创造出更大的价值。

然而，对于很多国有企业而言，由于历史的原因，其人力资源管理方式正面临着前所未有的巨大挑战，导致企业在人才竞争过程中处于劣势地位。

由此看来,建筑业要实现传统的人事管理向现代人力资源管理的转变,就要树立以人为本的管理思想,高度重视人力资源。

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中国建筑工业出版社,2005:

354-355.

Developmentandapplicationofgeosyntheticstechnology

YULin2ping,LIUXiu2min

（SchoolofCivilEngineering,DalianFisheriesUniv.,Dalian116023,China）

Abstract:

Thegeosyntheticsasanimportantgroundmodificationtechniquescomprisesgeotextile,geomembrane,

geocompositeandspecialmaterialsanddevelopsrapidlywithprogressofengineeringtechnology.Thispaperreviews

thedevelopmentandapplicationofgeosyntheticsinthecivilengineering.

Keywords:

geosynthetics;modificationtechniques;developmentandapplication