國內(nèi)外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)兩種。工程選料時(shí),主要根據(jù)以下幾個(gè)方面來選定合適的土工膜:
①力學(xué)特性,上述兩種材料制成的土工膜的拉伸強(qiáng)度相差不大。由于土工膜只用于防滲而不作為加筋材料使用,故其拉伸強(qiáng)度不是選材的重要指標(biāo)。但從另一方面來說,PVC膜因添加有塑化劑,使得其拉伸率比PE膜的大一些,柔性較好,與砂粒接觸時(shí)可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂,從而增加二者之間的摩擦系數(shù)。因此,PVC膜與砂之間的摩擦系數(shù)明顯大于PE膜與砂之間的摩擦系數(shù),摩擦角平均至少大5o ~6o 。這是一個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo),會(huì)影響到膜與土體接觸面以及膜與其上保護(hù)層之間的抗滑穩(wěn)定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三種:一是采用復(fù)合土工膜,因復(fù)合土工膜外層的土工織物與土料的摩擦系數(shù)較大,接近于PVC膜與土料的摩擦系數(shù)。二是對(duì)PE膜采用加糙措施,例如在土工膜的光滑表面上壓紋或噴涂加糙材料。三是改變水工建筑物的結(jié)構(gòu),如調(diào)整壩坡,加防滑槽或防滑檻等。另外,當(dāng)PE膜的厚度從0.12mm增加到0.24mm時(shí),其與粗砂的摩擦系數(shù)可以增加30%。
②可連接性。土工膜無論出廠時(shí)幅有多寬,在實(shí)際使用時(shí)仍需將其幅與幅之間連接起來,以成為一個(gè)整體的防滲膜體。一般PE膜只能用加熱熔合的方式連接,而PVC膜除此之外,還可以采用特殊的粘合劑進(jìn)行粘接。薄型土工膜由于不能用熱焊方法連接而必須用粘接法連接,因此只能選用PVC膜。
③經(jīng)濟(jì)性。目前兩種材料的價(jià)格大體相當(dāng),一般均在1萬元/T左右,而PE膜的比重小于PVC膜的比重,所以同樣厚度的情況下每單位面積的價(jià)格PE膜要少一些。另外PVC膜出廠時(shí)的幅寬一般為1.5~2.0m,PE膜幅寬可達(dá)4~4.5m,相應(yīng)地PE膜的接縫數(shù)量就比PVC膜的要少,因而搭接的用量就少一些,現(xiàn)場(chǎng)接縫的工作量也少一些。
一般防滲工程中的復(fù)合土工膜都是鋪設(shè)在散粒土體上,而堆石壩在瀝青混凝土斜墻或混凝土面板上鋪設(shè)復(fù)合土工膜有自己的特點(diǎn),既有其有利的一面也有其不利的一面,在設(shè)計(jì)中盡量揚(yáng)長(zhǎng)避短,發(fā)揮利用其有利因素,盡量減少不利方面的影響。
(1)瀝青混凝土斜墻或混凝土面板是鋪膜的難得的好基面,它表面平整、光滑、較之散粒土體粒徑小,不易墊破復(fù)合土工膜。
(2)如果將復(fù)合土工膜不用粘接劑粘接而直接鋪設(shè)在斜墻上,土工膜在一定范圍可伸長(zhǎng)變形,這一點(diǎn)無異于將膜鋪在散粒土基上。但因膜上水壓力大,膜與基面摩擦力對(duì)膜的變形范圍有一定限制。有一點(diǎn)不同的是斜墻既有均勻變形也有集中變形(裂縫塌坑),而土基一般是緩變的。
(3)如用粘接劑將復(fù)合土工膜牢牢粘貼在瀝青混凝土或混凝土面板上,此時(shí)粘接力大于或等于復(fù)合土工膜的拉力,膜的伸長(zhǎng)變形受到斜墻的約束和限制,此時(shí)復(fù)合土工膜伸長(zhǎng)變形大的優(yōu)勢(shì)將不能充分發(fā)揮,這一點(diǎn)對(duì)工程非常不利,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求避免,即盡量不用粘接劑,如果必需則應(yīng)使粘接劑的粘結(jié)力小于膜本身的拉力,當(dāng)膜即將拉斷破壞時(shí),膜能沿著斜墻滑移錯(cuò)動(dòng)。
(4)目前瀝青混凝土斜墻或混凝土面板的設(shè)計(jì),主要從控制滲透流量和抵抗水壓力的抗彎強(qiáng)度兩個(gè)方面考慮,對(duì)于承受較高水頭的斜墻其厚度主要受后者控制。復(fù)合土工膜只能受拉而不能抗彎,即鋪膜不能提高斜墻承載力,所以將來斜墻仍可能產(chǎn)生裂縫。但如處理得當(dāng),復(fù)合土工膜可在斜墻一定寬度裂縫處不斷裂,這樣就可以起到防滲作用。
堤壩建在透水地基上,當(dāng)?shù)鼗穸冗^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。
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。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_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,在我國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。