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摘要：复合土工膜作为防渗材料具有防渗效果好，性价比高的特点，在工程中得到广泛应用，结合材料特点及工程实践经验提出材料应用的各项控制指标，以指导该材料在工程的合理科学应用，充分发挥材料的优点。
关键词：防渗材料 复合土工膜 渗漏计算
Abstract: the composite geomembrane as seepage control material has good anti-seepage effect, the characteristics of the high cost performance, is widely used in engineering, combined with material characteristics and engineering practice of the application of the control indicators, in order to guide the rational science of the material in the engineering application, give full play to the advantages of the material.
Keywords: impervious material composite geomembrane seepage calculation
中图分类号：TV143+.3 文献标识码：A文章编号：
1 前言
土工膜是以聚合物或沥青为基本原料制成的一种相对不透水薄膜，复合土工膜是以土工膜为防渗基材，与无纺布复合而成的复合土工防渗材料，一般工程常用的有一布一膜和两布一膜。防渗漠的主要功能是防止液体渗漏和气体挥发，其原材料是一种高分子化学柔性材料，比重较小，延伸性较强，适应变形能力高，耐腐蚀、耐低温、抗冻性能好。适应变形能力高，耐腐蚀、耐低温、抗冻性能好。无纺布是一种高分子短纤维化学材料，通过针刺或热粘成形，具有较高的抗拉强度和延伸性；它与塑料薄膜结合后，不仅增大了塑料薄膜的抗拉强度和抗穿刺能力，而且由于无纺布表面粗糙，还增大了接触面的摩擦系数，有利于复合土工膜及保护层的稳定。同时，它们对细菌和化学作用有较好的耐侵蚀性，不怕酸、碱、盐类的侵蚀。主要用于土石坝、堆石坝、砌石坝、混凝土坝、尾矿坝、污水库坝及库区、河道、渠道、蓄液池等工程的防渗，地铁、地下室和隧道的防渗衬砌，公路、铁路地基的防渗等。
在同类防渗材料中，复合土工膜在河道治理中应用较为广泛，尤其在北方，由于多为季节性河道，河道常年无水，而根据治理要求，需要蓄水形成水面景观，对于北方缺水尤为突出，需要充分考虑防渗方案的合理性及经济性，以达到工程最终目标，复合土工膜性价比一般均优于其它的防渗材料，成为河道防渗优先考虑的材料。
2复合土工膜相关特性
2.1 物理力学特性
（1）密度 土工膜的密度取决于其制造材料，常用的防渗材料为聚乙烯土工膜，可分为超低密度、低密度、中等密度和高密度，密度应不小于900kg/m3；土工布常用密度在150g/m2~400g/m2。
（2）抗拉强度 指试样承受承受均匀拉伸直直至断裂时单位宽度的最大拉力。膜的破坏拉应力应不小于12MPa，
（3）撕裂强度 指沿规定切缝撕裂时，抵抗裂缝延伸至整个过程中出现的最大撕裂力。撕裂强度应大于40N/mm。
（4）刺破强度 指抵抗集中荷载刺穿能力的特性指标，用来模拟实际工程中材料受到尖锐棱角石场压入而刺破的情形。复合土工膜比土工膜的刺破强度有明显的提高，见图1。
（5）摩擦系数 土工膜与土的摩擦系数较小，一般为0.2～0.3，复合土工膜一般为0.4～0.6(砂性土)，与土的类别及膜料的粗糙度有关，一般采用界面直剪试验及拉拔试验确定。
2.2水力防渗性能
防渗是复合土工膜在工程应用中的主要功能，土工膜既不透水也不透气，规范要求其渗透系数小于10-11cm/s。由于土工膜的透水水机理与多孔介质不同，室内难以采用常规的渗透实验精确测量其水力渗透系数，一般采用WVT试验测定材料的渗透系数。
2.3耐久性
土工膜在阳光下特别容易老化，薄的膜较厚的膜容易老化。紫外线在短期内就可对材料强度及伸长率产生很大的影响。
3复合土工膜在河道防渗工程中的应用
工程区域属寒带大陆性季风气候区，四季特征明显，夏季凉爽短促，昼夜温差悬殊，降雨集中，冬季寒冷漫长，春秋季节少雨多风。全年大部分时间受西伯利亚冷空气南下影响，风多雨少，气候干燥。
多年平均气温2.9℃，一月最冷，月均气温-15.3℃，七月最热，月均气温18.5℃，极端最低气温-34.8℃，极端最高气温35.1℃；多年平均降雨量394mm，最大冻土深度2.12m，光照充足，多年平均日照时数2931.7h。
河道为季节河道，除汛期，其余月份均干旱，随着城市的发展，城区可利用水面极小，为尽可能提高人均水面率，为居民创造一个宜居、舒适的生活环境，当地政府因地制宜，对河道进行综合治理，打造一个适宜的城市水环境。
该河道地下水位低，河床土透水性较大，而当地水源较为紧张，需要进行防渗处理，以满足河道蓄水的要求，故采用全断面水平防渗。防渗常用材料有复合土工膜及土工毯。前者材料防渗效果较好，但施工质量影响大，防渗材料易被植物根系扎破，削弱材料自身的防渗能力；土工毯作为一种生态防渗材料，防渗效果与前者相当，且施工工艺简单，扎破具有自我修复能力，但价格较高。本工程河道防渗采用复合土工膜。标准断面做法见图2。
图2 标准断面图
（1）膜厚度的选择
根据我国规范SL/T225-1998，对于重要的水利工程，膜厚不应小于0.5mm;对于一般工程膜厚不小于0.3mm。从理论上分析，由于土工膜的渗透系数极小，从防渗角度及水压力作用下抗拉理论分析，计算的土工膜厚也比规范规定的小得多，故还应从其它方面加以考虑：
1）刺破、顶破强度的影响，施工过程中碎石及颗粒极易造成对膜的的破损，而膜的损伤随着厚度的加大逐渐削弱;
2）膜的焊接随着膜厚的加大，有利于焊缝质量的保证;
3）对于PVC土工膜，材质中含有大量的增塑剂，易于挥发，膜越厚，影响越小。
结合以上原因，一般河道防渗可采用膜厚不小于0.5mm，以保证防渗效果。本工程設计采用0.5mm膜厚的两布一膜。
（2）边坡覆膜摩擦系数的控制
复合土工膜对于一般砂土的摩擦系数大于0.4，考虑到河道岸坡的稳定及护坡稳定，河道边坡坡率采用3，复合土工膜与膜上土之间抗滑稳定采用以下公式进行计算:
k=f/tgα
式中 k——抗滑稳定安全系数;
f—— 复合土工膜与土的摩擦系数;
α——土坡坡角。
经计算，安全系数1.2，满足规范要求。考虑到复合土工膜摩擦系数在供货材料中没有明确，故通过现场采用斜板试验测定其摩擦系数，经验证，所购产品满足设计要求。
（3）渗漏量计算
按照规范，正常渗漏量的计算如下：
Q=kAΔH/δ
式中 Q——正常渗漏量;
k——渗透系数;
A——渗透面积;
ΔH——膜上下游水头差;
δ——膜的厚度。
经计算，渗漏量为4×10-6m3/d/m2。
土工膜存在或多或少的缺陷和不均匀性;在大面积上铺设时，施工过程中也会造成膜材出现一定数量的裂纹，甚至破损。当复合土工膜上下均为渗透性好的土层时，可用伯努利孔口自由出流公式估算渗流量：
Q=0.6a
式中q——经单个孔洞的流量;
a——孔洞上面积;
h——土工膜上水头。
按美国垦务局实践经验，在保证严格施工的前提下，土工膜出现疵点的频率约为4000m2有一处，尺寸约为10mm2，经计算，渗漏量为8×10-3m3/d/m2。考虑蒸发损失，与实际观测成果较为符合。
结语
该工程运行以来，渗漏量有逐渐减小的趋势，初步分析是疵点在渗漏过程中的自愈形成的。该工程的实施解决了城市防洪问题同时为当地的城市改造增添了一道美丽的风景线，促进当地的招商引资，是现代水利学的一次成功实践。
复合土工膜作为一种土工材料，在工程实践中不仅要考虑材料自身的性能，同时要结合工程的场地情况、施工工艺进行材料的选取。
关键词：防渗材料 复合土工膜 渗漏计算
Abstract: the composite geomembrane as seepage control material has good anti-seepage effect, the characteristics of the high cost performance, is widely used in engineering, combined with material characteristics and engineering practice of the application of the control indicators, in order to guide the rational science of the material in the engineering application, give full play to the advantages of the material.
Keywords: impervious material composite geomembrane seepage calculation
中图分类号：TV143+.3 文献标识码：A文章编号：
1 前言
土工膜是以聚合物或沥青为基本原料制成的一种相对不透水薄膜，复合土工膜是以土工膜为防渗基材，与无纺布复合而成的复合土工防渗材料，一般工程常用的有一布一膜和两布一膜。防渗漠的主要功能是防止液体渗漏和气体挥发，其原材料是一种高分子化学柔性材料，比重较小，延伸性较强，适应变形能力高，耐腐蚀、耐低温、抗冻性能好。适应变形能力高，耐腐蚀、耐低温、抗冻性能好。无纺布是一种高分子短纤维化学材料，通过针刺或热粘成形，具有较高的抗拉强度和延伸性；它与塑料薄膜结合后，不仅增大了塑料薄膜的抗拉强度和抗穿刺能力，而且由于无纺布表面粗糙，还增大了接触面的摩擦系数，有利于复合土工膜及保护层的稳定。同时，它们对细菌和化学作用有较好的耐侵蚀性，不怕酸、碱、盐类的侵蚀。主要用于土石坝、堆石坝、砌石坝、混凝土坝、尾矿坝、污水库坝及库区、河道、渠道、蓄液池等工程的防渗，地铁、地下室和隧道的防渗衬砌，公路、铁路地基的防渗等。
在同类防渗材料中，复合土工膜在河道治理中应用较为广泛，尤其在北方，由于多为季节性河道，河道常年无水，而根据治理要求，需要蓄水形成水面景观，对于北方缺水尤为突出，需要充分考虑防渗方案的合理性及经济性，以达到工程最终目标，复合土工膜性价比一般均优于其它的防渗材料，成为河道防渗优先考虑的材料。
2复合土工膜相关特性
2.1 物理力学特性
（1）密度 土工膜的密度取决于其制造材料，常用的防渗材料为聚乙烯土工膜，可分为超低密度、低密度、中等密度和高密度，密度应不小于900kg/m3；土工布常用密度在150g/m2~400g/m2。
（2）抗拉强度 指试样承受承受均匀拉伸直直至断裂时单位宽度的最大拉力。膜的破坏拉应力应不小于12MPa，
（3）撕裂强度 指沿规定切缝撕裂时，抵抗裂缝延伸至整个过程中出现的最大撕裂力。撕裂强度应大于40N/mm。
（4）刺破强度 指抵抗集中荷载刺穿能力的特性指标，用来模拟实际工程中材料受到尖锐棱角石场压入而刺破的情形。复合土工膜比土工膜的刺破强度有明显的提高，见图1。
（5）摩擦系数 土工膜与土的摩擦系数较小，一般为0.2～0.3，复合土工膜一般为0.4～0.6(砂性土)，与土的类别及膜料的粗糙度有关，一般采用界面直剪试验及拉拔试验确定。
2.2水力防渗性能
防渗是复合土工膜在工程应用中的主要功能，土工膜既不透水也不透气，规范要求其渗透系数小于10-11cm/s。由于土工膜的透水水机理与多孔介质不同，室内难以采用常规的渗透实验精确测量其水力渗透系数，一般采用WVT试验测定材料的渗透系数。
2.3耐久性
土工膜在阳光下特别容易老化，薄的膜较厚的膜容易老化。紫外线在短期内就可对材料强度及伸长率产生很大的影响。
3复合土工膜在河道防渗工程中的应用
工程区域属寒带大陆性季风气候区，四季特征明显，夏季凉爽短促，昼夜温差悬殊，降雨集中，冬季寒冷漫长，春秋季节少雨多风。全年大部分时间受西伯利亚冷空气南下影响，风多雨少，气候干燥。
多年平均气温2.9℃，一月最冷，月均气温-15.3℃，七月最热，月均气温18.5℃，极端最低气温-34.8℃，极端最高气温35.1℃；多年平均降雨量394mm，最大冻土深度2.12m，光照充足，多年平均日照时数2931.7h。
河道为季节河道，除汛期，其余月份均干旱，随着城市的发展，城区可利用水面极小，为尽可能提高人均水面率，为居民创造一个宜居、舒适的生活环境，当地政府因地制宜，对河道进行综合治理，打造一个适宜的城市水环境。
该河道地下水位低，河床土透水性较大，而当地水源较为紧张，需要进行防渗处理，以满足河道蓄水的要求，故采用全断面水平防渗。防渗常用材料有复合土工膜及土工毯。前者材料防渗效果较好，但施工质量影响大，防渗材料易被植物根系扎破，削弱材料自身的防渗能力；土工毯作为一种生态防渗材料，防渗效果与前者相当，且施工工艺简单，扎破具有自我修复能力，但价格较高。本工程河道防渗采用复合土工膜。标准断面做法见图2。
图2 标准断面图
（1）膜厚度的选择
根据我国规范SL/T225-1998，对于重要的水利工程，膜厚不应小于0.5mm;对于一般工程膜厚不小于0.3mm。从理论上分析，由于土工膜的渗透系数极小，从防渗角度及水压力作用下抗拉理论分析，计算的土工膜厚也比规范规定的小得多，故还应从其它方面加以考虑：
1）刺破、顶破强度的影响，施工过程中碎石及颗粒极易造成对膜的的破损，而膜的损伤随着厚度的加大逐渐削弱;
2）膜的焊接随着膜厚的加大，有利于焊缝质量的保证;
3）对于PVC土工膜，材质中含有大量的增塑剂，易于挥发，膜越厚，影响越小。
结合以上原因，一般河道防渗可采用膜厚不小于0.5mm，以保证防渗效果。本工程設计采用0.5mm膜厚的两布一膜。
（2）边坡覆膜摩擦系数的控制
复合土工膜对于一般砂土的摩擦系数大于0.4，考虑到河道岸坡的稳定及护坡稳定，河道边坡坡率采用3，复合土工膜与膜上土之间抗滑稳定采用以下公式进行计算:
k=f/tgα
式中 k——抗滑稳定安全系数;
f—— 复合土工膜与土的摩擦系数;
α——土坡坡角。
经计算，安全系数1.2，满足规范要求。考虑到复合土工膜摩擦系数在供货材料中没有明确，故通过现场采用斜板试验测定其摩擦系数，经验证，所购产品满足设计要求。
（3）渗漏量计算
按照规范，正常渗漏量的计算如下：
Q=kAΔH/δ
式中 Q——正常渗漏量;
k——渗透系数;
A——渗透面积;
ΔH——膜上下游水头差;
δ——膜的厚度。
经计算，渗漏量为4×10-6m3/d/m2。
土工膜存在或多或少的缺陷和不均匀性;在大面积上铺设时，施工过程中也会造成膜材出现一定数量的裂纹，甚至破损。当复合土工膜上下均为渗透性好的土层时，可用伯努利孔口自由出流公式估算渗流量：
Q=0.6a
式中q——经单个孔洞的流量;
a——孔洞上面积;
h——土工膜上水头。
按美国垦务局实践经验，在保证严格施工的前提下，土工膜出现疵点的频率约为4000m2有一处，尺寸约为10mm2，经计算，渗漏量为8×10-3m3/d/m2。考虑蒸发损失，与实际观测成果较为符合。
结语
该工程运行以来，渗漏量有逐渐减小的趋势，初步分析是疵点在渗漏过程中的自愈形成的。该工程的实施解决了城市防洪问题同时为当地的城市改造增添了一道美丽的风景线，促进当地的招商引资，是现代水利学的一次成功实践。
复合土工膜作为一种土工材料，在工程实践中不仅要考虑材料自身的性能，同时要结合工程的场地情况、施工工艺进行材料的选取。