土工膜在渠道及蓄水池防渗中的应用

王 贵

( 红卫农场水务局，黑龙江 建三江156322)

1 概 述

按人均标准考虑，我国是一个水资源严重匮乏的国家，是全球13个贫水国家之一。按联合国统计划分标准，我国有16个省、区属缺水区，有6个省、区为水危机地区。因此，除了开源之外，节水是缓解我国水资源短缺的根本出路之一。目前，我国农业用水占总用水量的70% ～80%，全国平均灌溉水利用系数只有0. 3 ～0. 4，渠系水利用系数平均为0. 4 左右。显然，如果采用土工膜渠道防渗措施，把渠系水利用系数提高到0. 7 ～0. 8，全国即可增加利用水量1 000 亿m3以上，节水潜力很大。由于渠道土工膜具有造价低、渗漏少、施工方便等优点，彻底改变了传统的浆砌石和混凝土防渗，衬砌防渗效果较差、工程量大、造价高、不可能短期实现的困难局面，所以，在灌溉渠道和蓄水池建设中广泛推广使用土工膜防渗，对于落实国家节水政策，缓解当前水资源紧缺状况，具有重大的战略意义。

2 土工膜防渗渠道的断面型式

土工膜防渗渠道基槽和铺膜断面常有梯形、阶梯形、锯齿形和矩形等4 种，常用的断面以梯形居多，其优点是断面小，省工省料，操作方便，缺点是边坡稳定性较低。阶梯型和锯齿形断面的边坡系数m1=m2，优点是抗滑稳定性好; 缺点是土方量大，用工多，薄膜材料消耗多。矩形断面的优点是防止芦苇穿透效果好，稳定性好;缺点是土方量大，用料多，这种型式较适用于芦苇穿透问题和较小的渠道。

土工膜防渗渠道应采用埋藏式铺膜，其结构可分为有过渡层和无过渡层两种。在岩石、砾石渠道上铺膜时应设过渡层，见图1。在土渠上铺膜时一般不设过渡层，见图2，但当堤内地下水位高而且有内水压力作用时，应设置排水层，降低地下水位，以免顶起薄膜，破坏渠坡。

渠道断面尺寸应通过水力计算确定。设计中考虑的因素有:设计流量、渠道纵坡、渠堤高度、边坡系数、允许流速、渠床土质及基本断面型式等。

图1 有过渡层的防渗体结构图

薄膜防渗渠道保护层的破坏原因之一是渠道冲刷。保护层破坏后，薄膜暴露，易于受到损坏和失去应有的防渗能力。为避免出这种情况，渠道流速应限制在允许范围之内。

3 蓄水池土工膜防渗

蓄水池土工膜主要是结构造型、土工膜材料选择、膜上保护层、膜下支持层和锚固、排水、排气等细部构造，以及渗漏计算、边坡稳定计算和施工技术等问题。

3.1 衬砌型式

蓄水池土工膜防渗衬砌根据使用要求可以有单层衬砌、双层衬砌和3 层( 多层) 衬砌等3 种类型。单层衬砌是最常见的衬砌形式，一般由土工膜、膜下支持层和膜上保护层3 部分组成，也包括将土工膜贴在已经开裂的混凝土或沥青混凝土衬砌上作为防漏处理的情况。双层衬砌的防渗层是两层土工膜之间夹着一层中间排水层，如果上层膜发生渗漏，渗水可以通过自流或水泵排走。3 层衬砌多用于防渗要求很高的污水处理池、工业废液池、垃圾处理场和固体废物处理设施等工程。此外，有时也用一些特别珍惜水量的工程，如抽水蓄能库盆、缺水地区的人工湖等。至于蓄水池的边岸形状，则应在满足蓄水池的功能要求前提下，择优选型。

3.2 土工膜材料选择

在蓄水池防渗中，塑料( 热塑聚合物) 、橡胶( 热凝聚合物) 类和复合土工膜均有应用，但目前国内应用较广的仍然是聚乙烯和聚氯乙烯材料。对这些材料的基本要求与前面所述相同。厚度亦可按前述方法计算，实际应用中一般取0.12 ～0.2 mm。对于污水池等含化学侵蚀物质的工程，选择材料应考虑其化学稳定性。

图2 无过渡层的防渗体结构图

3.3 蓄水池膜下支持层

蓄水池一般为地下或半地下工程，也有地上蓄水池。要根据天然地基或填筑土质和地下水条件来设计支持层。对于级配较好的透水地基，只要做好排水措施，整平压实天然基面，即可铺设土工膜防渗层( 即不另设支持层) 。土基一般需设支持层，支持层的材料宜是透水料，以排除透过土工膜的水和地基内部的渗流水，避免膜下水压力过大而使土工膜浮起。地下水影响不大的，土工膜可直接铺设在天然土基上，但要清除树根、芦苇等杂物，以免刺破土工膜。土工织物是很好的透水层，所以采用复合土工膜或在膜下铺土工织物不仅可保护土工膜免受下层具有尖角物体的刺破，还可使膜下水顺畅排除。

3.4 保护层

为了防止日光直射加速土工膜材料老化和被地下水顶托浮起，水面较大的蓄水池还可能产生小的风浪，因此，土工膜上应设置保护层，当存有顶托力时，保护层的厚度要通过计算确定。但就构造要求而论，壤土及砂砾土保护层的厚度一般≥0.3 m。如果采用浆砌石和混凝土等刚性护面，护面与膜之间要设置细土砂砾或土工织物过渡层( 或垫层) ，如果采用复合土工膜，过渡层就不再需要。对于地质情况复杂，边墙( 岸) 高度较大的蓄水池，亦需对蓄水池的渗漏和边坡( 边墙) 进行计算分析，方法与土石坝相同。严寒地区的蓄水池，应考虑衬砌的冻胀破坏问题。

4 土工膜的锚固与周边联接构造

渠坡和蓄水池边坡铺薄膜时，坡顶处要挖沟槽将薄膜端头锚固在沟槽内，用黏土分层夯实或用混凝土浇筑锚固。薄膜与周边建筑物联接时，用胶或沥青砂胶将薄膜黏接在混凝土或金属构件表面上，然后在薄膜与建筑物联接处抹一层混凝土砂浆，将联接处薄膜覆盖。

土工膜在土坡上的锚固可挖锚固沟槽，将土工膜埋在沟内，见图3。当蓄水池为钢筋混凝土挡水结构时，可将土工膜黏贴在墙面上，抹混凝土或水泥砂浆棱体，将土工膜埋在混凝土内，也可用图4 的锚固方式。

图3 土工膜和土工织物与土坡锚固示意图

图4 土工膜和土工织物与建筑物锚固示意图

5 渗漏、膜下排水及排气

当薄膜下面出现静水压力或气体压力时，薄膜有可能被抬起，乃至被鼓破。静水压力可能是由于池( 库) 渗漏和供水期地下水位抬高而产生的; 气体压力是由于薄膜下有机物的分解和地下水位升高使土中气体向上挤压造成的。因此，水气排输，特别是对大面积的水池( 库) 对于保护防渗薄膜层不受损坏是很有必要的。为使水气排出，薄膜下必须有透水透气层，而且要有足够的排水和排气能力。当膜下产气量不大时，在满足前述排水计算的条件下即可满足排气要求。但当地下水位抬高或产气量很大时，单纯依靠土工织物或粒料垫层排除水气是困难的，此时应有专门的排渗沟或其它设施。

6 防渗衬砌的抗冻问题

冻胀对衬砌的破坏是严寒地区水工建设中的一个重要问题，它直接影响防渗效果和工程的正常运行。防止衬砌冻害破坏，要从规划布置、渠床处理、防渗排水和隔热保温、断面的结构形式、衬砌材料以及管理维护等方面综合考虑，采取综合措施。研究表明，冻胀破坏的基本因素是土的性质、土中水分( 含水率和地下水位) 及负温，这3 者缺一不可，只要消除其中一种因素，冻胀就不会产生。在土工膜防渗渠道中采取冻害防治措施时，首先要确定冻胀的可能性及其等级。在土的冻胀深度＞30 cm的地区，当土的含水率超过起始冻胀含水率，地下水位在临界深度时，应考虑冻胀问题。

渠堤含水率和地下水位往往因渠道渗漏的影响而提高，特别是较干地区更是如此。因此，严格保证薄膜质量，防止被损坏，以及接缝严密，可以起到防冻、防渗的效果。对于地下水位较高的地段，还可以采取降低地下水位，换填非冻胀性土以及使用允许护面一定变形的柔性结构及其它措施。

对于严寒地区长期与水接触的土工膜防渗结构，还可以采用保温衬砌，即在土工膜与护面之间设置隔热保温夹层。适用作保温夹层的材料有聚苯乙烯硬质泡沫板、浮石、陶粒珍珠岩和硅质页岩等。我省用聚苯乙烯泡沫板作为水库土石坝保温防冻护坡和大型渠道的保温衬砌，都取得了良好效果。

［1］孙国俊. 蓄水池土工膜防渗设计［J］. 中国水土保持，1993(12) :

［2］杜晖. 平原水库土工膜防渗技术研究与应用［D］. 南京:河海大学，2006.

［3］花加凤. 土石坝膜防渗结构问题探讨［D］. 南京:河海大学，2006.

［4］王宇，刘森，韩雷. 生态型护岸结构冻胀适应性的实验研究［J］. 黑龙江大学工程学报，2012，03(01) :33 －36.