复合土工膜施工及质量控制探析

马新慧 北京碧鑫水务有限公司

通过几十年的研究与发展，在众多科学家和工程师的共同努力下，复合土工膜的施工在河道防渗中形成了一套较为完整的工艺流程，如：施工和安装复合土工膜、周边锚固、连接及接头质量控制。文章针对国内水利工程中复合土工膜防渗施工技术及质量控制现状，结合实例，着重介绍一些未解决的问题及研究动态。

一、项目背景

南泉水河桥为云居寺路跨南泉水河主要桥梁，设计标准高，但上游均为土质基础，无防洪措施。为保证南泉水河桥上游防洪安全，对南泉水河桥进行护砌。

根据要求，应对南泉水河桥上游30m进行护砌，但南泉水河桥为斜跨桥，因此以河道右岸桥墩为不利点进行考虑。护砌范围以南泉水河桥右岸桥墩为起点，浆砌石护砌10m，铅丝石笼护砌40m。该工程结合南泉水河防洪调蓄工程一并实施。同时，为保证南泉水河桥下部结构稳定性及安全，河底暂不下挖，待以后条件允许在进行相应施工。

河底由人工进行清理，高程控制在±15mm范围内，其后进行原基碾压及砂垫层铺设。复合土工膜铺设前将基层整平，基层表面无尖锐物，复合土工膜质量检验无破损、孔眼。采用人工铺设，铺设时适当放松防渗膜，按规定顺序分区分块进行。复合土工膜自然松弛与基层贴实，无褶皱、悬空现象。搭接面清除污垢、沙土、积水。施工过程中禁止穿硬底鞋在复合土工膜上踩踏，禁止尖锐物直接接触，导致复合土工膜破损。河底铺设复合土工膜接缝顺水流方向为焊接，垂直水流方向为搭接，上游复合土工膜位于下游复合土工膜上部，搭接长度300mm。

二、复合土工膜的施工技术研究

为使防渗效果更好，复合土工膜的防渗结构应为5层。由下至上为支持层、下垫层、复合土工膜、上垫层和保护层（见图1）。可将复合土工膜两侧较厚的土工膜作为过滤层，既保护了土工膜，又减少了空气排放，有利于土工膜的稳定。对于河道而言，支持层材料可以是分级良好的压实土层。上、下垫层可作为过渡，并可采用砂砾材料。保护层可防风化、防腐等，并可由石材填料、石材砌块或混凝土板组成。

图1 土工膜防渗结构示意

（一）水利工程中的应用

在水利工程中复合土工膜的主要作用是防渗，包括土石坝、河道、围堰、防洪堤等。复合土工膜防渗具有诸多优点，国内外多个工程以将其应用于抽水蓄能电站及渣池渗透区。抽水蓄能电站上、下库水头差较大，容易造成库区泄漏，尾矿库地区经常需要进行防渗处理[1]。更有甚者，国外已经成功地将复合土工膜用于坝体抗盐碱腐蚀，从而解决了大坝多年来的腐蚀问题。对于大坝而言，复合土工膜一般铺筑于坝体中部及上游，坝体底部及库区上游均铺筑复式防渗土工膜。坝面上的复合土工膜可沿坝体轴向或高程铺设。不同铺设方向的土工膜适用于不同坝高和长度。当决定铺设的具体方向时，还必须考虑坝坡、土工膜的宽度和盘管的长度等因素[2]。

（二）复合土工膜的连接

因为有接缝，铺设的复合土工膜没有形成防渗装置，结合层的质量直接影响防渗系统的整体抗拉强度和渗透性，也关系到工程建成后的运行效果。综合复合土工膜在河道防渗工程中的应用，其接缝连接方式可分为焊接连接方式、硫化连接方式。

1.焊接法

土工膜焊接法是一种广泛应用的复合连接法，适用于大多数热塑性非晶态复合土工膜和热塑性结晶复合土工膜[3]。根据接头结构的方便程度以及复合土工膜材料本身的特点，焊缝的形状包括搭接焊缝（见图2（a）和图2（b））。

图2 接缝形式示意

在这些材料中，搭接焊缝应用最广泛。通过抽样和试验，发现联合抗剪强度只有基材的20%-40%。为解决上述问题，专家提出了采用 KS热熔胶粘结薄膜、布料、布料和布料的相关加固方法。测试结果表明，加固效果显著，接头强度满足规范要求。

按加热方式的不同，有热楔焊、热熔挤出焊、高频热焊、高温气焊等焊接方式。各种焊接方法的基本原理基本相同：接头处的复合土工膜是通过热源熔化，熔化形成后再施加挤压。最后将连接的复合土工膜融合为一体。热楔焊焊接技术目前在中国广泛应用。

需要指出的是，大多数复合土工膜采用双缝焊接，在两缝之间留出空隙，并按规定的间距焊接和密封。腔体的作用是促进后续充气，检查焊接质量。另外，热楔焊法和上述高温气焊法均可进行双缝焊以形成充气检查腔。

2.粘接法

与 PVC复合膜连接相似，除焊接外，还可采用粘接薄膜。连接工艺的应用范围比焊接工艺要小。接合法可以用来接如PVC 等非晶体的热塑性复合土工膜，但一般不能用来接热塑性晶体复合土工膜。然而，对于由无定型热塑性材料（如聚氯乙烯（PVC）、氯化聚乙烯（CPE）和氯磺化聚乙烯（CSPE））制成的复合土工膜而言，使用粘结方法进行粘结连接仍有较大的优势。连接方法包括溶剂法和粘结法。粘合剂可使复合土工膜在结合区内融合成一体，粘合剂可将复合土工膜粘合成一体。虽然绑定原理不同，但是它们的构造方法是相同的。两个复合土工膜表面均涂有溶剂或粘结剂，用滚筒连接压紧，也可放置沙袋作进一步压实。

3.硫化法

在复合土工膜的连接中，常采用合成橡胶或天然橡胶进行硫化处理。其原理是对接合部位的橡胶复合土工膜和从接合面插入的橡胶板进行硫化处理，使接合牢固（见图3）。

图3 硫化法示意

因为硫化反应必须在特定的环境和条件下进行，各种连接主要在工厂的硫化室中进行。可采用硫化夹具对施工现场少量接缝进行硫化处理。

（三）施工过程中应注意的若干细节

软质重物（如沙袋）可用于在覆盖保护层之前将土工膜倾斜，以防止土工膜受到强风的损害。

三、复合土工膜的施工质量控制

（一）性能指标的抽样检测

各种水利工程对复合土工膜的要求及相应的力学性能要求各不相同。选择复合土工膜时，应根据实际工程项目和要求，并在复合土工膜到达现场后，对相关的性能指标进行抽样检测。

1.抽样检测数量

具体的试样量可根据以下原则确定：如果复合土工膜卷数少于50卷，则至少去除2个卷数；如果复合土工膜卷数少于50卷，则至少去除3个卷数。

2.抽样检测指标

试验结果表明，需对复合土工膜的力学性能得到了充分的了解。密度、弹性模量、断裂拉伸应力、断裂伸长率、撕裂强度、渗透性系数等是需要测试的主要性能指标。测试指标要有代表性、针对性，能反映复合土工膜的物理、力学性能，符合技术要求和实际情况。

3.连接试验

为了提高复合土工膜的连接质量和效率，在复合土工膜正式连接之前，应通过连接试验确定相关参数。针对目前河道防渗工艺中的复合土工膜多为焊接连接形式，本文主要介绍焊接试验。对接头质量有影响的主要因素有焊接温度、焊机移动速度、焊缝重叠宽度。试验采用控制变量法，既可设定两个参数，又可改变其余参数。对试件进行焊接后的拉伸试验，比较其力学性能，确定复合土工膜制作时的最佳焊接温度、焊机运行速度及焊缝重叠宽度。

（二）连接质量检测

1.无损检测

非破坏检测是对复合土工膜接头进行现场检测的一种方法。目前国内广泛采用的无损检测方法有目测、充气、真空罐、电火花、超声波等。《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T231-1998）规范中推荐采用充气方式。

2.有损检测

相对于非破坏试验，破坏试验可用于进一步测试连接强度和评价复合土工膜连接质量。目前大多数破坏性试验方法都参照了国外的设计标准，主要有剪切试验（或拉伸试验）试验和缝合试验。

四、土工膜施工技术与质量控制研究趋势

（一）消除周边锚固处“夹具效应”

在刚性建筑物如波浪墙、防渗墙、岸坡和岩基等处，常出现土工膜宏观缺陷。不适当的锚固设计将导致“锚固效应”。以往，消除锚固效应最常用的方法之一是创建伸缩缝。人们认为，当薄膜被拉伸和变形时，会发生膨胀和收缩，从而节约能量，补偿材料变形，从而消除夹紧效应。但通过试验测试和机理分析，发现这种方法很难实现。舒张期伸缩缝未开启，但将膜片及膜片压紧。排除周围锚固部位“锚固效应”的观点是明确的，即有效的将几何变形取代了材料变形。当大多数常用方法都失败时，就需要开发一个新的有效方法。

（二）复合土工膜连接及检测智能化

由于我国生产工艺的改进，复合土工膜的基材性能已达到工程要求，而连接件的性能直接影响到其整体性和渗透性。应重视土工膜研制过程中的质量控制措施。一般而言，虽然现阶段比较成熟的各种连接方式可以满足工程需要，但连接工作规模较大，连接效率不高。具体来说，这主要是连接方法，连接过程需要大量人力。为此，有必要研制一种既能机械化连接又能实时检测反馈的设备，即能实现复合土工膜连接与智能检测的设备。这样不但可以加快施工速度，还可以检测连接质量，并提供实时反馈，就不需要在下一阶段重复的检查和维修工作，而有效地完成连接和检查工作。

五、结语

复合土工膜是一种新型的防渗材料，具有优良的防渗性能，对变形的适应性强，构造方便快捷，造价低廉等优点，非常适用于水利工程。但是，我们也要清醒地看到还有很多问题需要解决，例如施工过程中复合土工膜的铺设、连接，以及在项目完成后运营方面的维护也是未来研究的重点。在解决上述技术问题的同时，还需要加深对复合土工膜性能的了解，推广专业施工技术团队的维护和培训，以及复合土工膜在水利工程中防渗的应用，也是重要任务之一。