復合土工膜施工及質量控制探析

馬新慧 北京碧鑫水務有限公司

通過幾十年的研究與發展，在眾多科學家和工程師的共同努力下，復合土工膜的施工在河道防滲中形成了一套較為完整的工藝流程，如：施工和安裝復合土工膜、周邊錨固、連接及接頭質量控制。文章針對國內水利工程中復合土工膜防滲施工技術及質量控制現狀，結合實例，著重介紹一些未解決的問題及研究動態。

一、項目背景

南泉水河橋為云居寺路跨南泉水河主要橋梁，設計標準高，但上游均為土質基礎，無防洪措施。為保證南泉水河橋上游防洪安全，對南泉水河橋進行護砌。

根據要求，應對南泉水河橋上游30m進行護砌，但南泉水河橋為斜跨橋，因此以河道右岸橋墩為不利點進行考慮。護砌范圍以南泉水河橋右岸橋墩為起點，漿砌石護砌10m，鉛絲石籠護砌40m。該工程結合南泉水河防洪調蓄工程一并實施。同時，為保證南泉水河橋下部結構穩定性及安全，河底暫不下挖，待以后條件允許在進行相應施工。

河底由人工進行清理，高程控制在±15mm范圍內，其后進行原基碾壓及砂墊層鋪設。復合土工膜鋪設前將基層整平，基層表面無尖銳物，復合土工膜質量檢驗無破損、孔眼。采用人工鋪設，鋪設時適當放松防滲膜，按規定順序分區分塊進行。復合土工膜自然松弛與基層貼實，無褶皺、懸空現象。搭接面清除污垢、沙土、積水。施工過程中禁止穿硬底鞋在復合土工膜上踩踏，禁止尖銳物直接接觸，導致復合土工膜破損。河底鋪設復合土工膜接縫順水流方向為焊接，垂直水流方向為搭接，上游復合土工膜位于下游復合土工膜上部，搭接長度300mm。

二、復合土工膜的施工技術研究

為使防滲效果更好，復合土工膜的防滲結構應為5層。由下至上為支持層、下墊層、復合土工膜、上墊層和保護層（見圖1）。可將復合土工膜兩側較厚的土工膜作為過濾層，既保護了土工膜，又減少了空氣排放，有利于土工膜的穩定。對于河道而言，支持層材料可以是分級良好的壓實土層。上、下墊層可作為過渡，并可采用砂礫材料。保護層可防風化、防腐等，并可由石材填料、石材砌塊或混凝土板組成。

圖1 土工膜防滲結構示意

（一）水利工程中的應用

在水利工程中復合土工膜的主要作用是防滲，包括土石壩、河道、圍堰、防洪堤等。復合土工膜防滲具有諸多優點，國內外多個工程以將其應用于抽水蓄能電站及渣池滲透區。抽水蓄能電站上、下庫水頭差較大，容易造成庫區泄漏，尾礦庫地區經常需要進行防滲處理[1]。更有甚者，國外已經成功地將復合土工膜用于壩體抗鹽堿腐蝕，從而解決了大壩多年來的腐蝕問題。對于大壩而言，復合土工膜一般鋪筑于壩體中部及上游，壩體底部及庫區上游均鋪筑復式防滲土工膜。壩面上的復合土工膜可沿壩體軸向或高程鋪設。不同鋪設方向的土工膜適用于不同壩高和長度。當決定鋪設的具體方向時，還必須考慮壩坡、土工膜的寬度和盤管的長度等因素[2]。

（二）復合土工膜的連接

因為有接縫，鋪設的復合土工膜沒有形成防滲裝置，結合層的質量直接影響防滲系統的整體抗拉強度和滲透性，也關系到工程建成后的運行效果。綜合復合土工膜在河道防滲工程中的應用，其接縫連接方式可分為焊接連接方式、硫化連接方式。

1.焊接法

土工膜焊接法是一種廣泛應用的復合連接法，適用于大多數熱塑性非晶態復合土工膜和熱塑性結晶復合土工膜[3]。根據接頭結構的方便程度以及復合土工膜材料本身的特點，焊縫的形狀包括搭接焊縫（見圖2（a）和圖2（b））。

圖2 接縫形式示意

在這些材料中，搭接焊縫應用最廣泛。通過抽樣和試驗，發現聯合抗剪強度只有基材的20%-40%。為解決上述問題，專家提出了采用 KS熱熔膠粘結薄膜、布料、布料和布料的相關加固方法。測試結果表明，加固效果顯著，接頭強度滿足規范要求。

按加熱方式的不同，有熱楔焊、熱熔擠出焊、高頻熱焊、高溫氣焊等焊接方式。各種焊接方法的基本原理基本相同：接頭處的復合土工膜是通過熱源熔化，熔化形成后再施加擠壓。最后將連接的復合土工膜融合為一體。熱楔焊焊接技術目前在中國廣泛應用。

需要指出的是，大多數復合土工膜采用雙縫焊接，在兩縫之間留出空隙，并按規定的間距焊接和密封。腔體的作用是促進后續充氣，檢查焊接質量。另外，熱楔焊法和上述高溫氣焊法均可進行雙縫焊以形成充氣檢查腔。

2.粘接法

與 PVC復合膜連接相似，除焊接外，還可采用粘接薄膜。連接工藝的應用范圍比焊接工藝要小。接合法可以用來接如PVC 等非晶體的熱塑性復合土工膜，但一般不能用來接熱塑性晶體復合土工膜。然而，對于由無定型熱塑性材料（如聚氯乙烯（PVC）、氯化聚乙烯（CPE）和氯磺化聚乙烯（CSPE））制成的復合土工膜而言，使用粘結方法進行粘結連接仍有較大的優勢。連接方法包括溶劑法和粘結法。粘合劑可使復合土工膜在結合區內融合成一體，粘合劑可將復合土工膜粘合成一體。雖然綁定原理不同，但是它們的構造方法是相同的。兩個復合土工膜表面均涂有溶劑或粘結劑，用滾筒連接壓緊，也可放置沙袋作進一步壓實。

3.硫化法

在復合土工膜的連接中，常采用合成橡膠或天然橡膠進行硫化處理。其原理是對接合部位的橡膠復合土工膜和從接合面插入的橡膠板進行硫化處理，使接合牢固（見圖3）。

圖3 硫化法示意

因為硫化反應必須在特定的環境和條件下進行，各種連接主要在工廠的硫化室中進行。可采用硫化夾具對施工現場少量接縫進行硫化處理。

（三）施工過程中應注意的若干細節

軟質重物（如沙袋）可用于在覆蓋保護層之前將土工膜傾斜，以防止土工膜受到強風的損害。

三、復合土工膜的施工質量控制

（一）性能指標的抽樣檢測

各種水利工程對復合土工膜的要求及相應的力學性能要求各不相同。選擇復合土工膜時，應根據實際工程項目和要求，并在復合土工膜到達現場后，對相關的性能指標進行抽樣檢測。

1.抽樣檢測數量

具體的試樣量可根據以下原則確定：如果復合土工膜卷數少于50卷，則至少去除2個卷數；如果復合土工膜卷數少于50卷，則至少去除3個卷數。

2.抽樣檢測指標

試驗結果表明，需對復合土工膜的力學性能得到了充分的了解。密度、彈性模量、斷裂拉伸應力、斷裂伸長率、撕裂強度、滲透性系數等是需要測試的主要性能指標。測試指標要有代表性、針對性，能反映復合土工膜的物理、力學性能，符合技術要求和實際情況。

3.連接試驗

為了提高復合土工膜的連接質量和效率，在復合土工膜正式連接之前，應通過連接試驗確定相關參數。針對目前河道防滲工藝中的復合土工膜多為焊接連接形式，本文主要介紹焊接試驗。對接頭質量有影響的主要因素有焊接溫度、焊機移動速度、焊縫重疊寬度。試驗采用控制變量法，既可設定兩個參數，又可改變其余參數。對試件進行焊接后的拉伸試驗，比較其力學性能，確定復合土工膜制作時的最佳焊接溫度、焊機運行速度及焊縫重疊寬度。

（二）連接質量檢測

1.無損檢測

非破壞檢測是對復合土工膜接頭進行現場檢測的一種方法。目前國內廣泛采用的無損檢測方法有目測、充氣、真空罐、電火花、超聲波等。《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術規范》（SL/T231-1998）規范中推薦采用充氣方式。

2.有損檢測

相對于非破壞試驗，破壞試驗可用于進一步測試連接強度和評價復合土工膜連接質量。目前大多數破壞性試驗方法都參照了國外的設計標準，主要有剪切試驗（或拉伸試驗）試驗和縫合試驗。

四、土工膜施工技術與質量控制研究趨勢

（一）消除周邊錨固處“夾具效應”

在剛性建筑物如波浪墻、防滲墻、岸坡和巖基等處，常出現土工膜宏觀缺陷。不適當的錨固設計將導致“錨固效應”。以往，消除錨固效應最常用的方法之一是創建伸縮縫。人們認為，當薄膜被拉伸和變形時，會發生膨脹和收縮，從而節約能量，補償材料變形，從而消除夾緊效應。但通過試驗測試和機理分析，發現這種方法很難實現。舒張期伸縮縫未開啟，但將膜片及膜片壓緊。排除周圍錨固部位“錨固效應”的觀點是明確的，即有效的將幾何變形取代了材料變形。當大多數常用方法都失敗時，就需要開發一個新的有效方法。

（二）復合土工膜連接及檢測智能化

由于我國生產工藝的改進，復合土工膜的基材性能已達到工程要求，而連接件的性能直接影響到其整體性和滲透性。應重視土工膜研制過程中的質量控制措施。一般而言，雖然現階段比較成熟的各種連接方式可以滿足工程需要，但連接工作規模較大，連接效率不高。具體來說，這主要是連接方法，連接過程需要大量人力。為此，有必要研制一種既能機械化連接又能實時檢測反饋的設備，即能實現復合土工膜連接與智能檢測的設備。這樣不但可以加快施工速度，還可以檢測連接質量，并提供實時反饋，就不需要在下一階段重復的檢查和維修工作，而有效地完成連接和檢查工作。

五、結語

復合土工膜是一種新型的防滲材料，具有優良的防滲性能，對變形的適應性強，構造方便快捷，造價低廉等優點，非常適用于水利工程。但是，我們也要清醒地看到還有很多問題需要解決，例如施工過程中復合土工膜的鋪設、連接，以及在項目完成后運營方面的維護也是未來研究的重點。在解決上述技術問題的同時，還需要加深對復合土工膜性能的了解，推廣專業施工技術團隊的維護和培訓，以及復合土工膜在水利工程中防滲的應用，也是重要任務之一。