堤壩建在透水地基上,當(dāng)?shù)鼗穸冗^(guò)大,采用其他防滲形式不經(jīng)濟(jì)或不可能時(shí),可采用鋪蓋防滲。它是將透水性小的材料水平鋪設(shè)在堤壩上游的一段長(zhǎng)度內(nèi),并與堤身或壩身的防滲體系相連接,以增加滲徑,減少滲透坡降,防止地基滲透變形并減少滲流量。一般用于鋪蓋材料的滲透系數(shù)至少應(yīng)比地基的透水性小100倍,故以往常用粘性土。土工膜比粘土的透水性還要小,具有極大的柔性,能和地面密切貼合,而且施工相當(dāng)方便,防滲效果良好。
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土工膜用于堤防的防滲加固,其心墻式或斜墻式等形式的選用與堤基地層結(jié)構(gòu)及其滲透性有關(guān)。堤基的地層結(jié)構(gòu),一般可分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)三種。單層結(jié)構(gòu)是指從地表往下至基巖基本上是同一類(lèi)土,粘性土的單層結(jié)構(gòu)均質(zhì)地層不會(huì)發(fā)生滲透變形,而均質(zhì)的砂性土單層結(jié)構(gòu)在靠近背水坡的地面易發(fā)生滲透變形,遠(yuǎn)離堤段的地方則是安全的,這種地層在大江大河上比較少見(jiàn)。雙層結(jié)構(gòu)(二元結(jié)構(gòu))是指地層大致由兩種土層組成,上層透水性較弱,其下為較厚的透水性較強(qiáng)的土層,當(dāng)?shù)貙邮荛_(kāi)挖造成與江水連通或上覆層較薄時(shí),往往是zui容易發(fā)生滲透破壞。這種“二元結(jié)構(gòu)”在大江大河上比較常見(jiàn),在我國(guó)是一種頗具代表性的堤基地層結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)往往是弱、較強(qiáng)、弱、較強(qiáng)、強(qiáng)透水層結(jié)構(gòu)的組合,即在深度上是弱透水層與透水地層互層,而深層則往往是砂卵石等強(qiáng)透水層,這種地層也比較常見(jiàn)。
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土工薄膜作用機(jī)理:由于薄膜的極弱透水性,可將其應(yīng)用于堤壩中起隔水作用。當(dāng)薄膜置于壩體中心作防滲心墻時(shí),其兩側(cè)的筑壩材料特性基本相同。因而,在施工和蓄水期,薄膜兩側(cè)壩體豎向沉降同時(shí)發(fā)生且基本一致。由于薄膜心墻相當(dāng)柔軟,可隨壩體同時(shí)下降而蜷曲在堤壩體內(nèi),故薄膜與堤壩體材料兩者的變形基本協(xié)調(diào),產(chǎn)生相對(duì)位移的可能性甚小。對(duì)于水平位移而言,施工期堤壩體內(nèi)的上、下游兩部分壩殼各自朝上、下游方向發(fā)生變形,因而對(duì)薄膜心墻的影響甚微。但在蓄水期,受上游水壓作用,壩體的水平位移均朝向下游。心墻上游壩體的水平位移將抵消施工期其向上游的變形,而心墻下游壩體位移量將增加。這時(shí),薄膜隨壩體的水平位移將產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。鑒于薄膜具有較高的抗拉強(qiáng)度,能對(duì)壩體的水平位移產(chǎn)生抑制作用。抑制作用的大小取決于薄膜的抗拉性能。當(dāng)采用薄膜連同心墻土料作組合防滲體時(shí),薄膜置于上游壩殼與心墻土料之間,其兩側(cè)的材料特性截然不同,且壩體內(nèi)各部位的豎向沉降或水平位移均相差甚大。柔軟的薄膜可隨壩體的變形而位移,但因其兩側(cè)變形量不同,且薄膜與心墻土料、薄膜與上游壩殼材料間的摩擦力也不一致。薄膜將隨著摩擦力較大的一側(cè)同時(shí)變形,而對(duì)具有一定摩擦力的另一側(cè)產(chǎn)生抑制作用。薄膜的抗拉強(qiáng)度將抵抗因壩體各部位位移的不同而產(chǎn)生拉伸應(yīng)變,同時(shí),又抑制著壩體的應(yīng)變,兩者相輔相成。
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此外,防滲薄膜置于支撐材料之間,必然遭受支撐材料的擠壓,尤其在蓄水后又受到水壓的作用,則薄膜可能在支撐材料的孔隙中產(chǎn)生頂破;同時(shí),還可能被支撐材料尖銳棱角所刺破,最終喪失其抗?jié)B性。薄膜的頂破和穿刺程度取決于法向應(yīng)力的大小、支撐材料的形狀和大小、薄膜自身的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。因此,在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)根據(jù)土工膜的受力情況,確定其抗拉強(qiáng)度,選擇合理的材料,做好土工膜上下過(guò)渡層,確保薄膜的整體安全,提高其抗?jié)B性。對(duì)于重要堤防工程的防滲加固,目前普遍采用垂直防滲或臨水坡鋪設(shè)土工膜以及兩者聯(lián)合防滲等形式,可大大縮短施工工期。許多工程實(shí)錄都表明它的防滲效果良好、經(jīng)濟(jì)、施工方便,有推廣使用的價(jià)值。
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水力性能指標(biāo),主要為滲透系數(shù)或抗?jié)B強(qiáng)度,是土工膜很重要的水力特性指標(biāo),反映土工膜的抗?jié)B透能力。其滲透系數(shù)或抗?jié)B強(qiáng)度通過(guò)抗?jié)B強(qiáng)度試驗(yàn)確定。
土工膜與介質(zhì)面相互作用性能指標(biāo),即土或混凝土面—土工膜界面的摩擦系數(shù),土工膜埋在土中,通過(guò)土—土工膜界面摩擦力傳遞土中應(yīng)力,形成連續(xù)穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng);土工膜鋪設(shè)在混凝土或?yàn)r青面板上聯(lián)合防滲,兩種介質(zhì)間通過(guò)膠結(jié)粘合在一起,共同承擔(dān)防滲作用,通過(guò)界面摩擦力抗衡內(nèi)部孔隙水應(yīng)力,防止滑坡形成穩(wěn)定的復(fù)合壩面體。需通過(guò)試驗(yàn)方法確定土工膜與界面間的摩擦系數(shù)。
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土工膜的耐久性指標(biāo),影響聚合物土工膜耐久性的因素包括:熱、光、氧、臭氧、濕氣、大氣中的二氧化氮和二氧化硫、溶劑、低溫、酶和細(xì)菌、應(yīng)力和應(yīng)變等。土工膜的破壞可能由于:反聚合作用和分子斷裂使聚合物分解,從而使聚合物物理性能衰化和發(fā)生軟化;失去增塑劑和輔助成分,導(dǎo)致聚合物硬化變脆;薄膜遇液體發(fā)生膨脹或溶解而發(fā)生強(qiáng)度的衰減,滲透性增大;接縫不良或拉開(kāi)。
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