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土工材料在河堤防护工程中的应用

当进行土工膜的定量渗流分析时,可以把渗透系数很小(Km=l×10-2cm/s),厚度很薄(1mm)的土工膜,换算为1m厚的渗透系数Ks为l×10-9cm/s的粘土层进行计算;同时考虑到土工膜中不可避免的缺陷,再将其渗透系数加大100倍,亦即按Ks=10-7cm/s的lm厚的不透水材料进行渗流量和水头分布的数值计算,可以得到近似值。

5.斜墙式土工膜的稳定性

斜墙式土工膜的失稳情况除第二章中列举的两种以外,还可能有以下两种,即土工膜上的表面保护层被水压力顶起失稳和土工膜受其下水压力的作用而被拉断或被顶起失稳。

(1) 第一种失稳情况主要和保护层的渗透性有关。当保护层是透水的,且其坡角与土工膜铺设垫层的坡角相同时,一般都利用通常的斜坡稳定分析法(见第二章)。但若保护层透水性不良(如现浇混凝土板等),库水位下降时,容易在保护层上下形成水位差.到一定程度后,就可能造成面板的抬动而失稳。此时的关键问题在于如何使保护层下的透水垫层与底部排水通道连通,以迅速消散保护层下的滞留水。如王甫洲工程(图3-5),其现浇混凝土面板下的透水垫层下部有排水通道,当库水位变化时,透水层中的水位也随之变化,水位差有限,故不会影响到膜上保护层的稳定性。据估算,1m水头就足以把250mm的混凝土板推动上抬,造成失稳。解决问题的关键是采取措施令透水层的水位基本上与库水位同步下降。

(2) 第二种失稳情况的安全系数一般要大一些,因为土工膜在堤顶都要锚固在锚固沟内并有一定的压重,如果土工膜要滑动就会产生一个抗滑动的锚固力,这个力是不出现在计算中的,因此成为一个隐含的安全储备。一些工程实践中将土工膜在堤坝顶折叠一定的长度,其用意是给土工膜一个可以伸延的变形余度,以便适应堤坝的变形。但实际上,由于土工膜拉断时的破坏应变比土的破坏应变大得多,只要土体不产生破坏,土体中的土工膜不至于形成过大的位移而拉断。但若堤坝的结构比较特殊,如内有刚性的混凝土或钢的结构物,则要注意其与土工膜接触处膜的破裂可能性;在混凝土防渗墙上接土工膜的防渗体系中要特别注意两者连接处的安全,防止土体、刚性墙和土工膜三者之间因变形不协调引起的土工膜被拉断。另一方面,由于无论新建或加固的堤坝表面土工膜下面的透水下垫层一般不设排向下游的渗流出路,因此在库水位下降时膜下的水压力要大于膜上的水压力,这个压差足够大时既可以把土工膜顶起,同时也削弱了膜与下垫层之间的有效正应力,从而减少其抗滑摩擦力,有可能导致膜沿下垫层滑动。当然在一般情况下,外水位的下降并不是很快,而膜又不是密不透水的,未能形成较大的压差,故目前还未见这种失稳的报导,但这个问题还是应当在设计中考虑的。

6.铺盖的保护

在需要设置水平铺盖的土堤中,采用土工膜作为铺盖材料已是一种优化的选择,它是一种有效的、经济的合理方法,但随之也带来一个土工膜铺盖保护的新问题。这个问题发生在两个阶段:第一个阶段是施工阶段,一定要防止施工人员和施工机械对土工膜可能产生的损伤;第二个阶段是铺设完毕后一直到运行期间,这个阶段要防止土工膜受阳光直接暴晒,人畜或施工机械在表面行走造成的损伤,要注意船艇在河中运行可能带来的伤害。解决的办法有多种,例如禁止抛锚,设立浮筒让船艇停泊,或在土工膜表面覆盖一定厚度的河床透水料保护层,其厚度起码在1m以上,并且要与膜同时铺放。

土工膜铺盖下还存在一个排水排气问题,对此应结合工程具体情况进行解决。采用膜上加盖重的方法简便易行,能保持长期的效果。另外,也有一些工程采用了“逆止阀”结构,见图3-6。其工作原理是:当膜下水压力高于膜上外水压力时,图中铝盖板(4)便被顶起,地基中水压力得到消散;反之,铝盖板压住其下孔口,外水不得进入。但有的地方这种措施不很成功。

7.施工中的注意事项

(1)准备工作。要求清除地面一切尖硬物质,作好排渗设施,挖好锚固沟。准备好土工膜,尽量用宽幅膜,或先按要求尺寸焊拼好,卷在钢管上,妥运至现场备用。

(2)在平地上铺放,借拖拉机或人工展放,在坡面上借卷扬机从坡顶徐徐反滚至坡底,将其固定。铺放时应注意:①尽可能在干燥和暖天气进行。②铺放应留足够余幅,不可太紧,以便拼接和适应气温变化。③应随铺随压重,防止风吹。④接缝应与最大受力方向平行。⑤发现损坏,应立即修补。⑥铺设人员应穿软底鞋,以免破坏土工膜,并密切注意防火。

(3)土工膜拼接有热熔焊法和胶粘法,大面积拼接一般用热熔法,局部拼接才用胶粘,应注意太薄的聚乙烯(PE)膜经加热要烧坏,故不能用热熔焊法。胶结法只适用于聚氯乙烯膜。用胶粘法时应注意粘结胶的耐久性,不能因长期浸水或遇水中化学物质而失效。大规模拼接前,应进行拼接试验。

(4)拼接质量检查。可以先作目测检查,即检查缝有无疏漏,有无烫损,有无褶皱和是否均匀,然后借仪器检漏。例如两条焊缝间有约10mm空腔末焊,可以将待检段两端封死,往空腔内充气,静置一段后,观察其压力有无下降。如发现漏缝,应及时修补。

对较大工程,尚应取样检测,即割取部分接缝试样作拉伸试验,要求接缝强度不低于母体的80%。

(5)回填土料。铺膜后应及时回填,严禁膜较长时间外露。填土一般应不薄于30cm;冬季水位变动时,厚度应加大。如分期施工,应注意两期间膜的良好连接。

(6)防渗土工膜的周边和与结构物连接处应构成密闭系统,具体结构可按地基土质和结构物类型确定。

2)砂卵石地基:挖除部分砂卵石直达不透水层,浇混凝土底座,将膜埋人。对新鲜及微风化岩底座宽度应为水头的1/10~1/20;对半风化和全风化岩应为水头的1/5~1/10,所有裂缝都要填实,如图3-7(b)。如砂卵石太厚,无法控制不透水层或开挖不经济,可将土工膜向上游延伸,作成水平防渗铺盖。

4)与结构物的连接:如与输水管、箱涵水闸等的连接,应根据具体条件确定,图3-7(d)是部分举例,一般应遵循以下原则,相邻两种材料的弹性模量不要相差过大;应平顺过渡;应为结构物可能产生的较大位移留有余幅。

(三) 工程实例

[实例3-1]