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    土工膜在水工建筑物中的應用

    2018/4/3 9:05:39      點擊:

    土工膜用作水工建筑物的止水可追溯到半個世紀以前:美國墾務局最先應用于渠道,1946年以來一直在進行各種渠道襯砌的研究和現場試驗。同一時期,前蘇聯也在渠道方面進行了類似的應用。在大壩上安裝土工膜,始于20世紀50年代的歐洲,這與新建的土石壩有關,逐漸推廣到修復各種類型的大壩和新建碾壓混凝土(RCC)壩。目前,全世界已采用數億平方米的土工膜,用于大壩、渠道、水工隧洞、調壓塔、抽水蓄能水庫、前池水庫、地下水池等的止水。

    其中,要求最高的建筑物是大壩。國際大壩委員會(ICOLD)在其最近批準的關于土工膜的手冊中列出了250多個采用土工膜止水的大壩。土工膜用于混凝土壩的修復(意大利高174m的AlpeGera壩),在設計土石壩(冰島高196m的Karahnjukar壩)和RCC壩(哥倫比亞高188m的Miel 壩)中也已采用土工膜。以上列出的世界紀錄都是采用裸露的PVC土工膜,占總數的84%。

    土工膜的選擇

    20世紀60和70年代,在早期應用中,雖然采用過各種類型的土工膜,但是,在要求更加嚴格的新建工程中,只采用性能更高的土工膜。由于在研究、試驗、設計和制造方面的進步,使停止使用原先采用的低質土工膜成為可能。

    國際經驗表明,以塑性PVC樹脂為基質的土工膜應用于水工建筑物是最可靠和最耐久的。塑性PVC樹脂的彈性模量低,柔韌性更好,因此,更能防止刺破和頂破,更能耐受機械和天氣的破壞,這已由數十年的現場經驗所證明(在1960年首次安裝)。而且,因為它們可靠和易于焊接,安裝質量更高。相反,彈性模量高、尺寸穩定性低的土工膜,例如高密度聚乙烯(HDPE),比較硬,容易被不規則的粗糙墊托層刺破和頂破。

    水工中應用最廣的是復合膜,也稱為土工復合材料,由一層PVC土工膜在擠壓過程中疊到土工織物上形成。PVC土工膜具有不透水性,土工織物提供抗剌破保護,還降低了表面準備的要求,尺寸穩定性更高,摩擦角更大,在傾斜表面上具有自穩定性,還有一定的排水能力。經驗表明,安裝土工復合材料比安裝一層土工膜和一層土工織物好,因為摩擦角更大且能更好地將應力傳遞到錨固系統和墊托層。

    PVC的現場成果已經由美國陸軍工程師團進行的研究所確認。陸軍工程師團調查了21種由不同的樹脂和不同厚度組成的土工膜,來評估哪種土工膜在水工應用中性能最好。指導評價土工膜材料的參數為:

    (1)材料對刺破和頂破的抗力、均質性和各向同性。必須保證在水頭作用下土工膜不致因墊托層不平整而破壞。

    (2)對墊托層的適應性和彈性恢復。這些對降低錨固系統的應力很重要。

    進行了足尺三維試驗,以確認上述性能。滿分為35。在試驗的21種土工膜中,發現PVC遙遙領先:SibelonCNT土工復合材料(本文討論的工程中所采用的)得35分。高壓聚乙烯(HPPE)得分最低,只有5分。

    為了完成該評估,調查了土工膜的所有其他有關特性(不透水性、抗撕裂性、尺寸穩定性、縫合性等),以及陸軍工程師團在選擇一種合適的材料時認為重要的其他參數(可施工性、以前的用途、耐久性、可用性、可修理性和成本):PVC土工復合材料名列前茅,得256分,滿分為260,而HDPE得140分。

    PVC土工膜的厚度和層壓土工織物的密度因地而異,取決于水頭、墊托層的粗糙度、受紫外線作用、所要求的壽命、建筑物本身的耐久性等等。裸露土工膜的耐久性與其厚度直接有關。試驗表明,相同配方的土工膜,厚度增加一倍,則壽命增加3倍。實際上,推薦的PVC最小厚度通常對大壩為2.5mm,渠道2mm。對大壩工程而言,土工膜的費用通常只占整個防滲系統費用的10%~20%,占大壩工程總費用的3%~5%。因此,增加土工膜的厚度在財務上是節約的,因為土工膜費用的增加只占工程費用的一小部分,但是大大增加了使用壽命。

    柔軟的PVC和沒有彈性的HDPE土工膜的采購費用差不多,后者略便宜。但是,PVC的預計壽命要長得多,這已經30多年在大壩和渠道上的使用經驗所證明。因此,少花一點錢,選擇HDPE不合算,因為考慮壽命成本,PVC壽命長得多,所以PVC土工膜要便宜得多。這些因素解釋了為何最初因沒有經驗而可能會選擇HDPE土工膜的原因。但是,當做了適當的工程和經濟分析后,如ICOLD的大壩數據庫所表明的那樣,壓倒性證據表明PVC由于性能與經濟原因是明智的選擇。

    將PVC襯砌錨固在大壩上游面,以防風浪卷起,在周邊錨固,以防水滲透到襯砌后面。表面錨固系統因地制宜。在混凝土壩和RCC壩中,土工膜大多數暴露在外,表面錨固是一個有專利的張拉系統。該張拉系統可安裝在大壩表面(例如,印度的Kadamparai砌石壩),或者埋設在表面內(例如,印度尼西亞的BalambanoRCC壩)。在特定工地條件下(如在深谷中的落石),嚴重的破壞風險要求將土工膜覆蓋,表面錨固可用現澆混凝土板、土壤或復合材料蓋板覆蓋(表面傾斜時,如土壩和渠道),或者將土工膜埋在混凝土板中,如澳大利亞的伯內特RCC壩。另一種錨固系統則用專門的膠水將土工膜錨固到混凝土上。

    錨固系統最后一個環節是周邊防水密封。周邊防水密封可以是機械的(使用不銹鋼壓條),或者將土工膜埋入一個溝或槽中,或者將土工膜熱焊到事先埋在混凝土結構中的PVC止水上。

    上述系統都已在東南亞采用。以下實例概述了最新PVC技術的一些應用情況。

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