浅谈混凝土重力坝上游面土工膜防渗技术

徐德芳

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310014）

1 国内外大坝土工膜防渗体系应用现状

目前国内外广泛采用的土工膜主要是由塑料和合成橡胶两大类聚合物材料制成的膜片。土工膜渗透系数为1×10-11～1×l0-12cm/s，实际上不透水，是理想的防渗材料，常作为坝体的防渗膜。土工膜用于大坝防渗始于20世纪50年代末。首次报导的土工膜应用是在修建新的土石坝过程中作为不透水材料起阻水作用——1959年意大利孔特拉达萨贝塔（Contrada Sabetta）工程，用于整个面板。从1971年开始，土工膜被用于意大利Lago Baitone重力坝的修复改造。意大利从1975年开始，对上游面混凝土剥蚀老化漏水的混凝土坝在上游面用复合土工膜防渗，获得了良好效果。用此法防渗加固的混凝土坝包括重力坝、双曲拱坝、连拱坝、浆砌石坝、碾压混凝土坝。如46 m高的尼罗湖混凝土重力坝是1929年建成的，长期漏水，几次修补收效不大，1975将复合土工膜卷材在坝顶散开下垂，用不锈钢肋板压紧锚固在坝的上游面，修补后渗漏极小。1988年意大利Cignana坝用复合土工膜修补，复合土工膜修补前后见图1和图2。

图1 意大利Cignana坝冻融剥蚀的混凝土层在1988年脱落Fig.1 Concrete surface of Cignana dam in Italy peeled by frost and defrost in 1988

图2 1988年安装的复合土工膜Fig.2 Composite geomembrane installed in 1988

1923～1924年建成的美国加利福尼亚州Lost Creek拱坝，坝高37.19 m，限于当时的筑坝技术水平，混凝土质量较差，内部存在孔隙，不仅浇筑缝和裂缝渗水，且沿着整个坝体下游面渗水。混凝土中的渗水冬季结冰，引起混凝土膨胀和表面混凝土剥落。1997年降低水位在大坝上游表面安装土工膜进行修补，见图3。

图3 上游面复合土工膜系统安装Fig.3 Installation of composite geomembrane on upstream face

我国20世纪70年代建成的高50 m的亭下混凝土重力坝，廊道内漏水过大，1984年在上游坝面用胶粘剂铺贴了丁基橡胶膜。我国在土工织物应用方面虽然起步较晚，但发展速度很快。尤其是20世纪80年代以后，土工织物在水利水电工程中的应用发展更为迅速。目前，高分子防水卷材除了用于新建土石坝和新建碾压混凝土坝的防渗之外，也被用于混凝土重力坝、支墩坝、拱坝、连拱坝、土坝、混凝土面板堆石坝、沥青面板堆石坝等坝型。由于种种原因，复合土工膜在混凝土大坝上游面防渗工程中应用推广较慢，根据数据资料，我国现没有在混凝土大坝上游面铺设复合土工膜的实例。

2 防渗土工膜材料选择

土工膜基本不透水，它是土工合成材料的一种。目前常用的土工膜有PVC（聚氯乙烯）和PE（聚乙烯）两种。聚氯乙烯通过压延法生产，它的比重为1.4，具有极好的化学稳定性，不燃烧，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。聚乙烯通过挤压法生产，它的比重为0.92，耐酸碱，抗化学剂能力强，吸湿性低，低温时仍具柔性，电绝缘性极好。

工程选料时，主要根据以下几个方面来选定合适的土工膜。

（1）力学特性

由于土工膜只用于防渗，故其拉伸强度不作为选材的重要指标。聚乙烯和聚氯乙烯两种材料制成的土工膜的拉伸强度相差不大。PVC膜与砂之间的摩擦系数明显大于PE膜与砂之间的摩擦系数，摩擦角平均至少大5°～6°，这是一个关键性的指标，会影响到膜与土体接触面以及膜与其上保护层之间的滑动稳定性。

（2）整体性（可连接性）

土工膜无论出厂时幅有多宽，实际使用时仍需将其幅与幅之间连接起来，以成为一个整体的防渗膜体。一般PE膜只能用加热熔合的方式连接，而PVC膜除此之外，还可以采用粘合剂粘接。

（3）经济性

目前两种材料的价格大体相当，而PE的比重小于PVC的比重，所以同样厚度的情况下每单位面积的价格，PE膜要低一些。另外PVC膜出厂时的幅宽一般为1.5～2.0 m，PE膜幅宽可达4～4.5 m，相应PE膜的接缝数量就比PVC膜要少，因而搭接的用量就少一些，现场接缝的工作量也相应少一些。应对PE和PVC的比重、单位价格、幅宽和幅的粘接次数等进行经济比较。

（4）耐久性

PVC和PE两材料存放时均要防止太阳照射，太阳照射容易分解，影响材料性能，并要防止机械压坏。经试验考证，PVC和PE材料埋在40 cm以下使用和放在水中的使用寿命可达100年。水质对材料的影响不大，在pH值2～10的水中试验，材料老化影响不大。但如果承受的应力水平超过拉断强度的30%，缺陷部位易扩张，易损坏。如果承受应力水平达到拉断强度的20%时，材料不易损坏。因此使用时水平应力要小，不要拉得太紧，应力水平不要超过拉断强度的20%，这样，材料的使用寿命很长。PVC土工膜在完全暴露的环境下耐久性也至少有50年。目前仍然运行良好的工程，PVC土工膜已有30多年：如Lago Miller大坝，1976安装PVC土工膜；Gorghiglio大坝，1979安装PVC土工膜；Lago Nero大坝，1980安装PVC土工膜。

（5）适用性

根据PVC和PE两种材料的冻融循环、U.V射线、低温、受拉、击穿、撕裂和冰冻测试，考虑到土工膜后排水层的重要性，PVC土工膜对大坝防渗更加适合。见图4、图5。

图4 PVC适应变形能力较好，在1.0 MPa压力作用下没有发生破坏Fig.4 Strong adaptability of deformation of PVC,undestroyed at pressure of 1.0 MPa

图5 PE适应变形能力较差，在0.15 MPa压力作用下破坏Fig.5 Week adaptability of deformation of PE,destroyed at pressure of 0.15 MPa

随着水利水电工程的大力发展，对防渗要求越来越高，单一的薄型土工膜已不能满足工程防渗要求，越来越多的工程采用复合土工膜进行防渗。复合土工膜是一种新型的防渗材料，它是将土工膜和土工织物按要求制成的组合物。它防渗效果好，有较好的耐侵蚀性，有较高的防老化能力，具有质地柔软、适应变形能力强、施工方便、整体连续性好等优点，其力学性能、强度和防渗性能优于单一膜，有较强的适应重物局部荷载冲击能力和反滤排水功能。复合土工膜用来防渗，土工织物起加筋、排水和增加土工膜与坝面之间摩擦力的作用。

复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法：一是将织物和膜共同压成；另外也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜）、三层（二布一膜）、五层（三布二膜）的复合土工膜。

复合土工膜规格的选择与下垫层平整度、材料允许拉应力、材料弹性模量、铺设范围内的最大水头及覆盖层最大粒径等有关，设计时应综合考虑工程的水头、地质条件、渗透系数、材料间的摩擦系数、工程排气及工程造价等因素。

根据工程实例，用于混凝土大坝上的土工膜多半是PVC，统计表明PVC土工膜占85%以上。PVC防渗材料具有很好的伸缩性，可以很好地覆盖混凝土裂缝。在实验室中，土工膜已经被证明具有很好的抗震性。复合土工膜密封防渗系统不需特别养护，意外的破裂易于修复，且修复费用低，水下修复也容易。

土工膜厚度设计除应考虑强度外，还应考虑暴露、埋压、气候、使用寿命等应用条件，在缺乏专门设计规范的情况下，基于经验，建议遵循下列最小值，平整面大坝中，采用PVC复合土工膜的安全值为：大坝高度＜40 m，PVC复合土工材料为2 mm土工膜热粘接于200 g/mm2的土工布；大坝高度＞40m，PVC为2.5 mm土工膜热粘接于500 g/mm2的土工布。

3 坝上游面设置水下土工膜防渗技术

坝上游面设置水下土工膜防渗技术即从坝顶到坝踵设置一个连续防渗的防渗膜，防渗膜与坝基相接。为了运行期排除膜下渗漏水，在防渗膜下游（坝上游面）安装连续的表面排水系。土工膜间采用热熔焊接方式进行粘接，土工膜周边用防水不锈钢压条锚固防渗，使坝体上游面形成一个封闭完整的防渗系统，见图6。

图6 坝上游面设置水下防渗土工膜方案示意图Fig.6 Schematic diagram of scheme of installing underwater geomembrane on upstream face

大坝上游面PVC柔性防渗系统安装包括两个部分，一部分是水上安装，另一部分是水下安装。

3.1 PVC柔性防渗系统水上安装

PVC土工膜卷材水上安装相对容易。安装采用卷扬机操作的平台，从坝顶开始，沿坝顶降下卷材，工作人员在施工浮桥（悬挂在坝顶，是可以升降的工作平台）上采取热熔焊接方式焊接PVC土工膜板材。如图7所示。

图7 在施工浮桥上进行水上PVC土工膜焊接（美国Oliven-hain RCC）Fig.7 Welding PVC geomembrane above water on the pon-toon(American Olivenhain RCC)

3.2 PVC柔性防渗系统水下安装

PVC柔性系统水下安装是先把预制的6 m宽的板材用施工浮桥吊起，而后用规格为50×3 mm的不锈钢压条把板材固定在顶部，再降至水中，板材由潜水员放置并紧固在水下坝面上。图8为美国Lost Creek大坝的上游面防渗布置，2/3为水上安装，1/3为水下安装。

水上安装土工膜，相邻的土工膜板材可通过垂直热焊接结合起来。水下安装部分，热焊接是不可能的。水下安装土工膜系统必须依靠机械锚固，通过机械锚固直接连接相邻的土工膜板材，将土工膜之间的搭接封闭起来。安装在水下部分的土工膜板材采用PVC土工膜压条对连接处进行密封，这个型号的土工膜和防水复合土工膜属于同一种类型，只是没有土工织物。

3.3 土工膜的锚固系统

PVC土工复合材料锚固在坝面上，该锚固系统包括一个“U”形的内壳构件和一个“Ω”形的外壳构件。将土工复合材料展开至U形槽中，将Ω形不锈钢型钢置于土工复合材料上，并紧固在U形型钢上，内壳构件锚固在坝面上，外壳构件用来紧固PVC土工膜，达到锚固和张紧土工复合材料的目的。

图8 美国Lost Creek大坝水上和水下PVC土工膜安装（1977年）Fig.8 Installation of composite geomembrane

Ω形型钢直接安装在原先裸露的表面上，中心间距5.7 m。PVC土工复合材料按固定桩的间距和直径打孔，并用Ω形型钢紧固在U形型钢上。这些型钢用厚2.5 mm的PVC土工膜条覆盖，并用热焊把PVC土工膜条焊接在PVC土工复合材料上进行防渗。所有防渗土工复合材料和土工膜条的焊接均用手工单轨热焊枪采用“热空气法”进行。

通过锚固，使PVC复合土工膜平整，避免出现松弛和褶皱；同时，非粘接的固定方式使复合土工膜和坝面之间存在空隙，有利于布置排水系统，有利于大坝和复合土工膜之间渗透水流的排出。土工膜之间通过不锈钢固定系统连接，水上专用的不锈钢固定系统见图9，水下专用的不锈钢固定系统见图10。在图示装置中，将两层叠置的PVC土工膜夹紧固定的系统本身具有防水性，不需要额外采用PVC压条。

3.4 排水系统

排水系统的目的是：

（1）汇集和排出渗透土工膜的水，防止静水压力作用于坝体，在库水迅速下降的情况下平衡土工膜压力。

（2）释放止水层后面由于坝体湿度造成的水汽压力，由于不同温度产生不同压力，在低压力下，水汽压力向表面迁移。

（3）在大气压突然变化的情况下，例如刮风时，平衡止水层后的气压。

（4）监控土工膜止水层的止水性能。

图9 水上安装PVC采用的锚固系统（热焊接）示意图Fig.9 Schematic diagram of anchorage system(thermal weld-ing)in above water PVC installation

图10 水下安装PVC采用的锚固系统（热焊接）示意图Fig.10 Schematic diagram of anchorage system(thermal weld-ing)in underwater PVC installation

PVC系统的排水系统由PVC土工膜联接的土工织物及位于土工膜和坝面之间的、由锚固系统产生的空隙组成。锚固在大坝上游面的PVC复合土工膜上的垂直锚固型件与大气压下的垂直排水系统平行。垂直混凝土坝面有利于渗漏水的流动，水在止水和坝面之间的间隙中自由流动，排水区的水由排水层的重力排出。而在垂直管道和土工格网区的水则由位于最低处的管道排出。排水管安装在廊道至上游面的钻孔内。在每一根排放管的前面都会安装一个不锈钢板，避免复合土工膜阻塞相关水源下的管道。排水通过管道排入检查廊道、进入配备水泵的集水井，或者直接到下游。

复合土工膜后的排水系统可以长期监控PVC柔性防渗系统的可靠性。PVC土工膜防渗的排水系统见图11。

PVC柔性系统防渗性比较可靠，即使是在土工膜被破坏的情况下，一般也不会大量渗水。因为土工膜破坏后，水在渗入坝体之前就被表面排水系统和纵向排水管道拦截并排到下游。土工膜破坏情况下渗水排出的情况见图12。

图11 PVC土工膜防渗的排水系统示意Fig.11 Schematic diagram of drainage system of PVC geo-membrane

图12 土工膜破坏情况下渗水排出的情况Fig.12 Drainage as geomembrane destroyed

土工膜的不透水性和配套的止水系统排水能有效地控制水库渗水通过大坝上游面。因为土工合成材料的整个面未与坝面紧贴在一起，渗水可以通过系统排走，因此可以有效减小和控制大坝的扬压力。排水土工膜系统安装前后的坝体扬压力对比见图13。

3.5 周边止水封闭系统

防渗复合土工膜通过密封垫片锚固在整个大坝上游面的周边，密封垫片可以确保水下周边（坝基、溢洪道、进水口等部位）不渗水和不受雨水、风浪的影响。周边密封锚固可以避免水渗入复合土工膜。

图13 安装排水土工膜系统前后的坝体扬压力对比图Fig.13 Uplift pressures before and after installation of geo-membrane system

周边止水密封必须能够抵抗压力水的渗透，复合土工膜由平面不锈钢压条锚固到坝面上。在复合土工膜和光滑混凝土表层之间使用压缩垫圈和接合板，这样便有足够的应力进行锚固。周边止水密封依据安装环境（水上和水下），锚栓、垫片和常规压条等的类型会有所不同。一般低水头或者高于50 m时，周边止水采用（宽×厚=60 mm×6 mm）或者（宽×厚=80 mm×8 mm）的不锈钢夹板。坝顶的周边密封，由规格（宽×厚=30 mm×3 mm）的平面不锈钢压条制成，只需抵抗雨水和风浪的渗入，见图14。

图14 意大利SCAIS支墩坝1993年坝踵土工膜周边止水密封Fig.14 Water stop around geomembrane at dam heel of SCAIS buttress dam(Italia 1993)

当锚栓穿透土工膜时，要防渗透水，螺栓头可以用胶合辅料、合成树脂等覆盖，或者用土工膜一样合成材料的带状或者补片覆盖在锚杆系统上，而后热焊接到土工膜。

所有板条、锚杆、螺栓、螺丝、垫圈等应该为不锈钢，必须具有抗腐蚀性，能抗大坝混凝土中可溶化学物质或其它水泥产品及水库中的其它腐蚀。

4 结 语

混凝土重力坝上游面设置复合土工膜的方法，防渗效果明显。如美国Lost Creek坝土工膜安装完成后，打开连接到排水网上的排水阀门（安装在土工膜和大坝间），起初从排水系统排出高速水流，1 h内水流明显减小，到后来水位指示器的读数显示排水系统内没有滞留水。下游坝面呈干燥状况，且没有观察到渗水。Lost Creek坝安装复合土工膜系统前后的下游面对比如图15所示，安装前下游坝面非常潮湿，安装后下游坝面非常干燥。

图15 Lost Creek坝安装复合土工膜系统前后的下游面对比Fig.15 Downstream face before and after installation of geo-membrane system(American Lost Creek dam)

复合土工膜防渗技术具有造价低、施工工艺简单、设备少、施工速度快、防渗性能好且能适应坝体变形、耐腐蚀等优点，在我国大坝除险加固的防渗应用中有广泛的应用前景及推广价值。

[1]中国水利水电科学研究院，中国大坝委员会.丰满大坝PVC柔性防渗方案可行性调研[R].2008.

[2]中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.吉林省丰满水电站大坝全面治理工程预可行性研究报告[R].2009.

[3]顾淦臣.国内外土工膜防渗土石坝的现状与发展[J].东北水利水电，1994，(10).

[4]白凤亭，任兴旺.人工湖工程复合土工膜防渗应用技术[J].水科学与工程技术，2010，（2）.