水利工程施工中的防滲技術與土工膜應用研究

0 引言

水利工程在防洪、灌溉和發電等方面具有極大的工程意義，但其滲漏問題一直是影響其安全性和耐久性的主要因素。有數據顯示，全球約 30% 的水利工程因滲漏問題導致功能失效或維護成本大幅增加[1]。近年來，防滲技術的研究和應用已成為水利工程領域的關鍵課題。

土工膜作為一種新型防滲材料，因其高抗滲性和良好的適應變形能力，廣泛應用于堤壩、渠道和圍堰工程的防滲工程中[2-3]。林森森[4]概括了水利工程中所用防滲技術的必要性和應用原則，介紹了幾種常用的防滲技術，并用具體工程案例評估了所用防滲技術的防滲效果。劉健[5]分析了水利工程中防滲技術的重要性，并提出了未來防滲技術的發展趨勢。方勁等[采用土工膜水平防滲和水泥攪拌樁垂直防滲相結合的方案，解決了水庫庫水與江水相互滲透及庫底淤泥污染供水的問題。鄭光俊等[通過開展試驗獲得壩料的模型參數，并建立準三維有限元模型，分析了復合土工膜與防滲墻綜合防滲體系的應力變形特性。近年來，隨著材料科學和施工技術的不斷進步，

本文結合現有研究成果，系統分析水利工程中所應用的防滲技術，并通過對某水庫工程中土工膜防滲技術的分析，評價其實際應用效果，以期為相關工程提供理論指導。

1工程概況

某山區水庫位于河流的中上游地帶，主壩為均質土壩，壩高 25m ，壩長 800m 。壩址基巖以泥質砂巖和頁巖為主，整體透水性較低，但局部發育的節理裂隙增大了基巖的透水性，為壩體滲漏提供了潛在通道。

壩體填筑土主要由粉質黏土組成，夾雜少量砂質土和細粒砂土，顆粒組成不均勻且細顆粒含量較高，導致密實度和均勻性較差。地質勘察結果顯示，壩體填土的滲透系數為 5×10^-4cm/s ，屬于中等透水性土層，使得壩體在高水位運行時滲漏嚴重，嚴重影響了水庫的蓄水能力和運行安全。

經過方案比選，采用復合土工膜（厚度 0.5mm ）進行防滲處理，其設計滲透系數為 1×10^-13cm/s ，以顯著降低滲漏風險并保障水庫運行安全。

2防滲關鍵技術

2.1 防滲墻技術

2.1.1碾壓式混凝土防滲墻

碾壓式混凝土防滲墻的防滲原理，即當地基表面鋪設混凝土后，通過碾壓設備進行壓實，形成防滲墻體。該方法適合大面積施工，但對混凝土的配合比和施工工藝要求較高。碾壓式混凝土防滲墻的厚度通常較淺筑式稍厚，以確保防滲效果。

防滲墻的厚度設計需根據抗滲坡降要求進行計算，其設計公式為：

式中： d 為防滲墻厚度； K 為防滲安全系數，通常取3～5，以確保墻體的防滲性能； ΔH 為作用于防滲墻的最大水頭差； J 為允許坡降，即墻體允許的最大水力坡降[8]

2.1.2攪拌樁防滲墻

在使用攪拌樁防滲墻施工時，將水泥漿通過攪拌樁機注入土體，通過機械攪拌使水泥漿與土體充分混合，形成具有一定強度和防滲性能的樁體，樁體之間相互連接，形成連續的防滲墻體。該技術優點在于其防滲性能優異，滲透系數可達到 10^-7cm/s ，能夠有效阻擋水流的滲透。然而該技術的施工難度較高，對攪拌均勻性和樁體連接質量要求嚴格，且施工過程中需要嚴格控制水泥漿的配比和攪拌深度，以確保墻體的連續性和完整性。攪拌樁防滲墻適用于軟土地基和需要較高防滲性能的工程，但施工成本相對較高[9]。

2.2土工膜防滲技術

土工膜作為當前水利工程上較為流行的防滲技術，以高分子聚合物為原料的柔性防滲材料，通過鋪設于工程結構表面形成防滲層。

2.2.1 基面處理

在進行土工膜鋪設時，首先要進行基面處理。將清除坡面上的雜物、樹根、石塊等，確保坡面平整、干凈。然后對坡面進行壓實處理，并鋪設墊層。為選擇與土工膜貼合度較好的墊層材料，需要開展不同墊層材料下土工膜與墊層料貼合度隨壓強變化的試驗，

2.2.2 土工膜鋪設

土工膜鋪設時，應從坡頂開始，自上而下呈波浪形鋪設，以適應坡面的起伏和變形。為確保土工膜在運行過程中，能夠適應一定的變形而不被拉伸破壞，需預留1.5% 的松弛度。

施工中采用熱熔焊接技術對土工膜接縫進行連接，焊接溫度控制在 220^°C 左右，以確保焊接牢固且不損壞土工膜材料。焊接完成后，需對焊縫進行質量檢測，確保焊縫無漏焊、虛焊現象，以保證防滲層的完整性。

2.2.3 保護層施工

保護層施工是土工膜防滲施工的最后一道工序，其目的是保護土工膜免受外界環境因素（如紫外線、機械損傷等）的影響，延長土工膜的使用壽命。施工時，在土工膜表面覆蓋一層厚度為 30cm 的砂礫石保護層。砂礫石應選擇粒徑適中、級配良好的材料，以確保保護層的穩定性和透水性。覆蓋完成后，采用機械碾壓的方式將保護層壓實，確保壓實度滿足設計要求，保護層密實且均勻，防止因保護層松動導致土工膜受力不均而損壞。

3土工膜的力學性能分析

土工膜防滲性能優異，其滲透系數極低，通常不超過 10^-12cm/s ，能夠有效阻擋水流的滲透，即使在高水頭差的條件下也能保持良好的防滲效果。土工膜施工流程如圖1所示。土工膜具有良好的柔性和延伸性，能夠適應各種復雜的地基變形。在工程運行過程中，即使地基

發生一定的沉降或變形，土工膜仍能保持其防滲性能，不會因裂縫或斷裂而失效。為檢驗水利工程中土工膜的應用效果，對其力學性能展開分析，并對其防滲水平做出評價。

3.1 貼合度分析

本文將衡量土工膜與墊層材料之間接觸緊密程度的指標用貼合度來表示。不同墊層材料貼合度隨壓強變化規律如圖2所示。由圖2可知，在對 5～10mm 碎石墊層進行加壓時，隨著壓強的增加，貼合度逐漸減小，下降速率減緩，當壓強達到一定閾值后，貼合度趨于穩定。

圖2不同墊層材料貼合度隨壓強變化規律

另外3種墊層也呈現貼合度隨壓強增加而減小的趨勢。但 10～20mm 碎石墊層的貼合度要比 5～10mm 碎石墊層的貼合度要小，說明其與土工膜的接觸更緊密。而30mm 卵石墊層在較高水壓下，其貼合度與 25mm 球狀墊層較為接近。在相同壓強下， 25mm 球狀墊層的貼合度是最小的，而 30mm 球狀墊層的貼合度最高。貼合度越小，說明土工膜受墊層材料凸出部分的影響也越大。上述試驗結果表明，墊層材料的粒徑和形狀對土工膜的貼合度有顯著影響，其中砂墊層適用于作為墊層材料。

基于此，本工程選擇在坡面上鋪設一層厚度為3cm的砂墊層，用以保護土工膜，同時為土工膜提供一個穩定的支撐面，減少坡面不平整對防滲效果的影響。

3.2滲透系數分析

土工膜鋪設完成后，需對防滲層進行現場取樣測試，測試其滲透系數并評估其防滲水平。從壩體邊坡由低到高選取4個取樣點，對4處取樣部位施加一定的水壓，測量水的滲透速率。土工膜滲透系數如圖3所示。

由圖3可知，所有取樣點的滲透系數都在 1×10^-14～ 1.5×10^-13cm/s 之間，這表明這些土工膜的滲透系數較低，其滲透性能相對較好。

其中取樣點1的滲透系數最低，表明其延伸率也較低，其阻隔性能較好；而取樣點4的滲透系數最高的，說明其阻隔性能相對較差。隨著取樣點高程的變化，滲透系數呈現出逐漸增加的趨勢。分析認為，隨著壩體邊坡高程的增加，由于土工膜產生差異位移，造成延伸率增加，致使其滲透系數也相應升高。

圖3土工膜滲透系數

圖4施工前后滲流量對比

3.3土工膜防滲水平評價

施工完成后，為評估土工膜鋪設前后水庫滲水量情況，通過選取壩體邊坡上兩個點位，進行滲流量采集分析。施工前后滲流量對比如圖4所示。

圖4中4條曲線分別展示了在不同取樣點和不同時間下，土工膜鋪設前后的日均滲流量變化情況。在鋪設前，取樣點1的日均滲流量整體較高，約在1.2～1.4mm之間，有明顯的月度變化，但整體趨勢相對穩定。而取樣點3的日均滲流量也相對較高，約在 1.1～1.3mm 之間，但滲流量整體略低于取樣點1。

在鋪設后，點1的日均滲流量顯著降低，降至約0.2mm 以下；而點3的日均滲流量同樣顯著降低，但略高于點1鋪設后所降低的滲流量，有效驗證了土工膜技術的防滲水平。

由兩個取樣點位的對比分析結果可知，土工膜的鋪設可以有效控制和減少壩體邊坡的滲流量，提高水庫壩體的防滲性能。

4結束語

水利工程防滲技術是保障工程安全與水資源高效利用的核心環節。本文結合某山區水庫工程實踐，系統分析了工程中常用的防滲技術及其原理，并通過試驗和監測驗證了土工膜技術的應用優勢。

研究表明，墊層材料粒徑與形狀對土工膜貼合度的影響規律為施工優化提供了依據。此外，土工膜憑借其極低的滲透系數與優異的變形適應性，可有效阻隔滲流，從而顯著降低壩體滲漏量，提升水庫防滲性能，充分體現了其在復雜地質條件下的適用性。

盡管防滲墻等防滲技術在水利工程中仍然不可替代，但土工膜以其經濟性、施工便捷性及高可靠性，已成為水利防滲的主流選擇之一。本文研究成果可為同類工程提供參考和借鑒。

參考文獻

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