徐騫騫 孟慶祥

(1.中廣核能源開(kāi)發(fā)有限公司，廣東深圳 518000; 2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京 210000)

0 引言

土工膜在碾壓混凝土壩上游防滲層的應(yīng)用最早可以追溯到1984年。國(guó)際大壩委員會(huì)收集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明土工膜防滲可以作為永久的方法使用，可以保證碾壓混凝土壩的安全運(yùn)行。土工膜系統(tǒng)所提供的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了其在全球使用。采用最先進(jìn)的技術(shù)土工膜可以安裝在很多系統(tǒng)中，包括暴露的系統(tǒng)、覆蓋系統(tǒng)或者永久嵌入混凝土板作為防滲設(shè)施。

國(guó)際大壩委員會(huì)根據(jù)世界各地收集的性能數(shù)據(jù)，土工膜認(rèn)為永久的方法給予不透水和所有類(lèi)型的大壩的安全運(yùn)行，包括大型碾壓混凝土壩。新的國(guó)際大壩委員會(huì)的數(shù)據(jù)公告顯示世界各地超過(guò)280座大壩使用土工膜作為防水設(shè)備。2007年世界有37座在建的碾壓混凝土壩采用土工膜防滲系統(tǒng)。

目前，很多碾壓混凝土壩開(kāi)始最大限度地發(fā)揮土工膜防滲的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始使用外露型土工膜作為碾壓混凝土壩的上游防滲，如在偏遠(yuǎn)荒漠建設(shè)的Taishir碾壓混凝土壩就采用這種形式，該地區(qū)溫度變化很大，年變化幅度從-50℃～+40℃。

1 外露土工膜防滲系統(tǒng)

目前，在現(xiàn)代水利工程中土工膜防滲應(yīng)用十分廣泛，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的幾種土工膜與襯砌系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始普遍應(yīng)用于民用建筑物的防水。根據(jù)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用塑料薄膜的各種系統(tǒng)可以進(jìn)行如下的一些分類(lèi)，研究中考慮了薄膜耐久性、老化以及后期的維護(hù)運(yùn)行等問(wèn)題。

對(duì)于碾壓混凝土重力壩(RCC重力壩)而言，外露式土工膜防滲系統(tǒng)已經(jīng)試用于大壩壩身的垂直護(hù)面，像金屬板、噴混凝土、噴土工膜瀝青襯砌等等方法。針對(duì)土工膜的材料，目前主要包括以下幾種：綠磺化聚乙烯、高密度聚乙烯、氯—磺酸鹽聚乙烯(CPE)、丁基合成橡膠(橡膠)、聚氯乙烯、瀝青土工膜和聚丙烯(CPP)［1］。

土工膜在土石壩中的應(yīng)用比較早，最早可以追溯到20世紀(jì)50年代末。目前該領(lǐng)域最大的企業(yè)是美國(guó)的卡皮公司，該公司的外露土工膜防滲系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)40年，也是全世界外露式土工膜防滲應(yīng)用最廣泛地系統(tǒng)之一，世界不同的地區(qū)大約有50座從幾米到幾百米的大壩都使用該系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)和修復(fù)。

2 相關(guān)研究回顧

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)外露型土工膜的應(yīng)用開(kāi)展了研究。下面選用國(guó)外的相關(guān)研究做一個(gè)簡(jiǎn)單的概述。

Bob L.Whitfield著重介紹了相當(dāng)獨(dú)特的應(yīng)用土工合成材料的水庫(kù)蓄水壩。這種特殊的設(shè)計(jì)采用了一個(gè)非常低的水泥含量的多孔碾壓混凝土，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牟牧瞎?yīng)或替代建筑材料成本的最實(shí)用和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)選擇，該項(xiàng)目仍在建設(shè)中，包括約74 220 m3碾壓混凝土(97 000 m3)的約6 420 m2(69 100 ft2)土工膜［2］。

A.Scuero和G.Vaschetti以蒙古國(guó)的Taishir為例介紹了外露型土工膜防滲在碾壓混凝土壩(RCC壩)上游防滲的作用，著重介紹了土工膜防滲系統(tǒng)在溫差很大的環(huán)境中如何安裝，保證防滲系統(tǒng)的有效性。A.Scuero和G.Vaschetti還研究了外露土工膜防滲在大壩修復(fù)中的作用，表明PVC土工膜長(zhǎng)期的高性能安裝可以在寒冷的氣候條件下有效地修復(fù)水壩，并且安裝時(shí)間短。在Midtbotnvatn較低的舊大壩的一部分，安裝該系統(tǒng)后泄漏從550 L/s減少到1.5 L/s。在瓦爾德克，安裝同一系統(tǒng)可以取得類(lèi)似成功的表現(xiàn)［3］。

Tarbox，G.S.Rogers等人介紹了外露型土工膜防滲系統(tǒng)使用的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)最高的碾壓混凝土壩(奧利文海恩壩)上游壩面采用的外露土工膜系統(tǒng)進(jìn)行防滲得到非常成功的實(shí)踐。Tarbox，G.S.Rogers等人針對(duì)該系統(tǒng)在工程中的設(shè)計(jì)和施工情況，對(duì)取得的寶貴的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)展示［4］。

梅斌和金志玉以一個(gè)渠道工程為例，展示了外露式土工膜灌溉渠道防滲施工［5］。在HDPE土工膜中添加了碳黑，可以在紫外線的照射下延緩老化，根據(jù)國(guó)外的工程試驗(yàn)，使用壽命可以達(dá)到15年以上，因此外露式土工膜可以在灌溉渠道防滲改造中推廣應(yīng)用。

3 外露土工膜防滲系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采用外露土工膜防滲與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)抗震性能的提高、減少滲透壓力和內(nèi)部揚(yáng)壓力以及優(yōu)化填筑等。

3.1 提高抗震性

在地震荷載作用下，普通的混凝土重力壩或者碾壓混凝土重力壩會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些細(xì)微裂縫以及臨時(shí)或者永久性質(zhì)的位移。采用外露式薄膜使壩體具有顯著的延伸性，從而可以保證大壩在地震后護(hù)面系統(tǒng)能夠保持較好的完整，從而減少由于壩體裂縫造成的滲水。

3.2 降低壩體滲水和揚(yáng)壓力

由于地震、風(fēng)化等因素，混凝土經(jīng)常會(huì)不可避免地發(fā)生開(kāi)裂。從而形成了水流的滲透通道。采用外露土工膜防滲可以解決這些常見(jiàn)的滲透問(wèn)題。外露式土工膜防滲可以給大壩上游面提供連續(xù)保護(hù)，從而減少通過(guò)收縮縫和意外的裂縫導(dǎo)致的大壩滲水。此外，我們看到在RCC壩的施工中安裝預(yù)制垂直排水管比較困難，在實(shí)際施工中往往需要按照簡(jiǎn)化的施工方案，這就導(dǎo)致了壩體內(nèi)部的揚(yáng)壓力可能比較大。采用外露土工膜防滲護(hù)面可以消除通過(guò)大壩的滲流，從而降低壩體揚(yáng)壓力。

3.3 碾壓混凝土壩填筑的優(yōu)化

碾壓混凝土壩(RCC壩)為了實(shí)現(xiàn)快速施工，設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是簡(jiǎn)化“澆筑層”，從而實(shí)現(xiàn)快速高效的填筑。但是一些必需的工序如安裝箅水、局部采用普通混凝土、設(shè)置廊道以及埋設(shè)管道等都會(huì)導(dǎo)致壩體填筑的終端。采用外露式土工膜防滲可以通過(guò)將排水裝置移至壩外來(lái)簡(jiǎn)化或者根本不用考慮這些工序，從而實(shí)現(xiàn)了施工的優(yōu)化和工期的縮短。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，可得出以下主要結(jié)論，同時(shí)也產(chǎn)生了一些思考：

1)外露型土工膜防滲具有明顯的優(yōu)勢(shì)：首先，外露土工膜防滲系統(tǒng)費(fèi)用低、效果好;其次，可以明顯地提高壩體安全性;最后，簡(jiǎn)化施工工序，從而縮短工期以及降低成本。此外，外露型土工膜適用于多種情況，如高寒和高溫地區(qū)、老化水工建筑物的工程修復(fù)活動(dòng)中。

2)外露型土工膜防滲中外露部分的處理是一個(gè)難題。我們知道土工膜最忌諱的就是紫外線的直接照射，在水中由于水的作用，土工膜的耐久性可以保證，并且在壩底的部分也便于安裝，但是上部露出部分便是一個(gè)問(wèn)題。如何保證露出部分不受環(huán)境的侵蝕與破壞以及提高露出部分土工膜的耐久性是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

3)我國(guó)自主外露型土工膜防滲系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。眾所周知，外露型土工膜防滲系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是我國(guó)這方面的技術(shù)采用的還不多。該技術(shù)目前被一些國(guó)外企業(yè)壟斷，如卡皮公司，世界上很多碾壓混凝土重力壩采用的外露型土工膜防滲都是使用該公司的專(zhuān)利。因此，我國(guó)開(kāi)發(fā)自主的技術(shù)并加以推廣具有重要的意義。

［1］ R.Kerry Rowe，Henri P.Sangam.Durability of HDPE geomembranes［J］.Geotextiles and Geomembranes，2002(20)：77-95.

［2］ Bob L.Whitfield.Geomembrane application for an RCC dam［J］.Geotextiles and Geomembranes，1996，14(5)：253-264.

［3］ A.Scuero，G.Vaschetti.Geomembrane systems in RCC dams and a case history in Mongolia.Proceeding，2008.

［4］ Tarbox，G.S.Rogers，M.F.Steele，et al.Exposed geomembrane liner minimizes seepage at Olivenhain［J］.International journal on hydropower and dams，2005，12(4)：71-78.

［5］ 梅 斌，金志玉.外露式土工膜灌溉渠道防滲施工［J］.浙江水利科技，2009，161(1)：50-52.