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土工合成材料的工程应用
第一节 概述
土工合成材料是应用于岩土工程的、以合成材料为原材料制成的新型建筑材料，已广泛应用于水利、公路、铁路、港口、建筑等工程的各个领域。
目前，国内外通常采用聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维及聚乙烯醇纤维等原料制造土工合成材料，形成了八大系列产品，如：土工织物、土工膜、土工网、土工格栅、土工席垫、土工格室、土工复合材料及相关产品等。其中土工膜是土工合成材料中应用最早也是最广泛的一种系列产品，土工膜为相对不透水的聚合物薄片，在岩土和土木工程中用于防渗和气体的输送；土工复合材料为用两种以上土工合成材料经人工组合的复合体，用于排水、截水及加筋等。
土工膜最早应用可追溯到上世纪二三十年代，人们曾采用聚氯乙烯PVC土工膜作为游泳池的防渗材料；50年代初，美国垦务局采用PVC土工膜作防渗衬砌；前苏联以聚乙烯膜进行渠道防渗。我国对土工膜的研究和应用起步虽较晚，但发展不久。60年代中期，塑料薄膜用于渠道防渗，较早的工程有河南人民胜利渠、陕西人民引渭渠、北京东北旺灌区和山西的几处灌区，重要原料是聚氯乙烯，个别是聚乙烯，以后推广到水库、水闸和蓄水池等工程。70年代中后期运用聚丙烯编织布进行防渗护底解决，1979～1980年宁夏石嘴山市修建了一座容积为25万m3的蓄水池，采用厚度为0.1mm的聚氯乙烯薄膜防渗。1984年陕西西骆峪水库采用三层厚0.06mm的聚乙烯薄膜作防渗。
随着高分子化学工业的发展，自20世纪以来相继出现了聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚丙烯等各种纤维，这些合成材料具有强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀、不会发霉、不怕虫蛀及吸湿性小等特点，用于工程又具有施工简便、易保证质量、施工进度快、造价低等优点，故被人们所重视，应用也日益广泛。
目前，国内外堤坝渗流控制中所应用的土工合成材料，重要是透水的土工织物和相对不透水的土工薄膜两大类。本章重要讲述土工膜及其应用，其他类型的土工合成材料在此不再赘述。
一、土工膜的种类及性能
1．土工膜的种类
土工膜是一种由高聚合物制成的透水性极小的土工合成材料。根据原材料不同，可分为聚合物和沥青两大类。为满足不同强度和变形需要，又有不加筋和加筋的区别。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。
国内外制造土工膜的基本材料大体可分为如下几种：
（1）热塑性材料：如聚氯乙烯（PVC）、耐油聚氯乙烯（PVC-OR）等；
（2）结晶热塑性材料：如低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）等；
（3）弹性材料：如二烯一异丁烯橡胶（IIR）、氯丁橡胶（CR）、环氧丙烷橡胶（CV）等；
（4）热塑性弹性材料：如氯化聚乙烯（CPE）、氯磺聚乙烯（CSPE）、氯化聚乙烯熔合物（CPE-A）等；
（5）沥青和树脂：如沥青、煤焦油沥青、改性沥青、环氧树脂和丙烯树脂等。
这几种重要材料的性能如表10-1所示
表10-1 几种土工膜基本材料性能
材料

性能
氯化聚乙烯
CPE
高密度聚乙烯
HDPE
聚氯乙烯
PVC
氯磺聚乙烯 CSPE
（Hypalon）
耐油聚氯乙烯
PVC-OR
力学特性顶破强度
好
很好
很好
好
很好
撕裂强度
好
很好
很好
好
很好
伸长率
很好
很好
很好
很好
很好
耐磨性
好
很好
好
好
--
热力特性（低温柔性）
好
好
较差
很好
较差
尺寸稳定性
好
好
很好
差
很好
最低现场施工温度（℃）
-12
-18
-10
5
5
渗透系数（m/s）
10-14
--
7×10-15
3.6×10-14
10-14
极限铺设边坡
1：2
垂直
1：1
1：1
1：1
现场拼接
溶剂
很好
好
很好
很好
很好
热力
差
--
差
好
差
粘结剂
好
--
好
好
好
最低现场粘结温度（℃）
-7
10
-7
-7
5
相对造价
中档
高
低
高
中档
制造土工膜时还需要渗入一定量的添加剂，在不改变材料基本特性的情况下，改善其基本力学性能、抗环境影响性能和减少成本。
沥青类薄膜常用的添加料重要有填料和纤维，有时掺入一定的弹性物质。填料加细粒矿粉，常用的有石灰粉、滑石粉、云母、粉煤灰、石墨等。掺量为沥青与矿粉总重的60%以内，一般为30%。添料的作用在于增长膜的劲度，还可减少成本；纤维一般用石棉或玻璃丝，其作用是增长膜的强度。弹性物质常采用再生橡胶等，掺量一般为5%～15%，其作用是改善膜的物理性质或增强抗裂能力。
聚合物类薄膜的添加料有填料、纤维、改性剂、增塑剂、炭墨、抗氧化剂、稳定剂、杀菌剂。填料为上述各种矿粉。常用的纤维有玻璃丝、聚脂或尼龙短纤维等。这两种掺料的作用与沥青类相同，其他掺料各有不同的作用。改性剂是在膜的制作过程中使混合料硬化或软化；增塑剂用于增长膜的柔性；炭黑增长膜的抗紫外线和臭氧等的老化作用，并在制作过程中使混合物保持稳定；杀菌剂用于防止菌类微生物对聚合物薄膜的侵蚀。
土工膜的类型大体可分为如下几类：
（1）现场制成的非加筋土工薄膜
现场非加筋土工薄膜即是在工地防渗面现场（土体或混凝土表面）喷涂一层热的或冷的粘性材料，常用材料是沥青、沥青和弹性材料混合物及其他聚合物（如聚氨基甲酸脂）。这种土工薄膜的重要优点是不存在拼接的问题，价格低，但厚度较厚，约3～7.5mm。
（2）现场制成的加筋土工薄膜
现场加筋土工薄膜是在现场将一层织物先铺设在需要施工的防渗面上，然后在织物上喷涂一层热的或冷的粘性材料，使透水性很低的粘性材料浸渍在织物的表层，以形成整体性的防渗薄膜。所用的粘性材料与上述第一种土工薄膜相同。起加筋作用的织物，初期重要为玻璃纤维布，现大多使用针刺无纺土工织物。这种土工薄膜的典型厚度为3～7.5mm。
（3）工厂预制非加筋土工薄膜
预制非加筋土工薄膜使用聚合物、弹性体以及低分子材料通过滚压和挤压工艺制成，是一种没有任何织物加筋的均质薄膜。其典型厚度为0.25～4mm（挤压工艺）和0.25～2mm（滚压工艺）。
（4）工厂预制复合土工膜
预制复合土工膜是将土工织物通过滚压或喷涂使表面浸渍或粘合一层聚合物薄膜，应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质量一般为200～600g/m2。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织物和膜共同压成；此外根据工程的质量也可在织物上涂抹聚合物以形成二层（俗称一布一膜）、三层（二布一膜）、五层（三布二膜）的复合土工膜。
复合工膜有许多优点，以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运送或施工期间的外力损坏；以非织造型织物复合，不仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数，在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。
2．土工膜的性能
土工膜被广泛应用于水利和岩土工程的各个领域。不同的工程对材料有不同的功能规定，并以此选择不同类型和不同种类的土工膜。土工膜的一般性能涉及物理、力学、化学、热学和耐久性能等。在工程应用中更重视其防水（渗透性及透气性）、抗变形的能力及耐久性。大量工程实践表白，土工膜有很好的不透水性；有很好的弹性和适应变形的能力，能承受不同的施工条件和工作应力；有良好的耐老化能力，处在水下、土中的土工膜的耐久性尤为突出。总之，可以认为土工膜具有十分突出的防渗和防水性能。
土工膜的特性随其类别、制作方法、产品类型的不同而变化较大。
（1）物理性能指标
①单位面积质量，系1m2土工膜的质量，称为土工膜的基本质量，单位为g/m2。它是土工膜的一个重要指标。土工膜的单价与单位面积质量大体成正比，其力学强度随质量增大而提高。因此，在选择产品时单位面积质量是必须考虑的技术和经济指标。
②厚度，指土工膜在2kPa法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为mm。土工膜厚度随所作用的法向压力而变，规定2kPa压力表达土工膜在自然状态无压条件下的厚度。
（2）力学性能指标，针对土工膜在设计和施工中所受荷载性质不同，其力学强度指标分为下列几种：抗拉强度、握持强度、撕裂强度、胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度等。在前3项强度实验中，试样均为单向受力，其纵向和横向强度需分别测定；而后4项强度的实验都表达土工膜抵抗外部冲击荷载的能力，其共同特点是试样均为圆形，用环形夹具将试样夹制住，承受轴对称荷载，纵横双向同时受力。在上述众多力学指标中，最基本的是抗拉强度。
①抗拉强度和延伸率，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表达土工膜在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，其相应抗拉强度的应变为土工膜的延伸率，用百分数（%）表达。抗拉强度是力学性能中的重要指标，用于产品质量控制。聚合物土工膜拉断时的极限延伸率可达成150%～900%。加筋土工膜的最大抗拉强度高达10～30KN/m。
②握持强度，是反映土工膜在挟持情况下分散集中荷载的能力，经常用作土工膜的质量控制。实验时仅1/3试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工膜对集中荷载的扩散范围越大，则握持强度越高，单位为N。
③撕裂强度，是土工膜沿某一裂口或切口蔓延过程中的最大拉力，单位为N。
④胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度，这四个强度都表达土工膜抵抗外部冲击荷载的能力。其差别是实验时试样尺寸、加荷方式不同，胀破强度单位为kPa,其它3项强度单位为N。水力胀破实验是拟定土工膜平铺在孔洞上的抗拉强度，以模拟实际情况。圆球顶破实验是量测土工膜的局部顶破强度，是土工膜的基本特性指标之一。CBR实验是模拟土工膜铺设在软基和密实的粗粒料间，土工膜所能承受的应力。水力刺破实验是量测土工膜支承在带有锋利棱角的支承物上时的刺破强度。
各实验示意图见图10-1所示。

图10-1 顶破类实验示意图（单位：mm）
(a)胀破实验；(b)CBR顶破实验；(c)圆球顶破实验；(d)刺破实验。
除抗拉强度外，其它各力学强度指标并不直接用于设计，它们重要是作为参考指标，根据工程实际情况，便于对产品进行比较和选择。
（3）水力性能指标，重要为渗透系数或抗渗强度，是土工膜很重要的水力特性指标，反映土工膜的抗渗透能力。其渗透系数或抗渗强度通过抗渗强度实验拟定。
（4）土工膜与介质面互相作用性能指标，即土或混凝土面—土工膜界面的摩擦系数，土工膜埋在土中，通过土—土工膜界面摩擦力传递土中应力，形成连续稳定的应力场；土工膜铺设在混凝土或沥青面板上联合防渗，两种介质间通过胶结粘合在一起，共同承担防渗作用，通过界面摩擦力抗衡内部孔隙水应力，防止滑坡形成稳定的复合坝面体。需通过实验方法拟定土工膜与界面间的摩擦系数。
（5）土工膜的耐久性指标，影响聚合物土工膜耐久性的因素涉及：热、光、氧、臭氧、湿气、大气中的二氧化氮和二氧化硫、溶剂、低温、酶和细菌、应力和应变等。土工膜的破坏也许由于：反聚合作用和分子断裂使聚合物分解，从而使聚合物物理性能衰化和发生软化；失去增塑剂和辅助成分，导致聚合物硬化变脆；薄膜遇液体发生膨胀或溶解而发生强度的衰减，渗透性增大；接缝不良或拉开。
聚合物土工膜一般不会因温度而分解，只有工业废水池中衬护聚合物薄膜会因氧化温升而起分解作用。许多聚合物对紫外线很敏感，会使聚合物分解（加炭黑后可增强抵抗紫外线分解的能力）。臭氧破坏不饱和主链，当聚合物薄膜的拉应变达15～25%时，容易受臭氧作用而开裂。
在长期应力或反复应力作用下，有的聚合物会因蠕变或疲劳而变薄、破裂。聚合物一般能抵抗生物分解，但增塑剂或其他单体成分会在湿空气中产生生物分解，而变软或发脆。
交联型聚合物有很好的抵抗化学分解的能力；结晶型聚合物成分简朴，含增塑剂和填充料很少，不会因增塑剂容易丧失而不久老化。PVC是热塑型的，老化快。丁基橡胶薄膜是由异丁烯和小比例的异戊二烯聚合而成的，它重要具有烷族的性质，允许硫化解决，是紧序高分子，具有很好的抗氧化、化学、紫外线等侵害的性质（但容易被臭氧破坏）。
土工膜耐久性指标重要有耐磨、抗紫外线、抗生物、抗大气环境等多种指标，但大多没有可遵循的规范、规程，一般根据工程实际情况，按工程经验来选取。当土工膜铺设于渠道边坡和渠底时，上面应覆盖土厚25～30cm，当土工膜铺设于混凝土或沥青混凝土面板上时，上面应设立10～20cm厚的防护层。
二、土工膜在水利防渗工程中的应用
土工薄膜是由高分子聚合物制成的透水性甚小的材料，渗透系数一般为10-11～10-12cm/s，这样低的透水性是一种颇为抱负的防渗材料。其在水利防渗工程中可应用于以下几个方面：
（1）堤坝的防渗斜墙或垂直防渗心墙。
（2）透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙。
（3）混凝土坝、圬工坝及碾压混凝土坝的防渗体。
（4）渠道的衬砌防渗。
（5）涵闸水平铺盖防渗。
（6）隧道和堤坝内埋管的防渗。
（7）施工围堰的防渗。
图10-2是一些常见的防渗结构示意图。

图10-2 土工膜防渗形式
土工膜作为一种良好的防渗材料，目前在土石坝中，特别是堤防防渗工程中已被广泛地采用，在混凝土坝或碾压式混凝土坝的修补中，作为防渗护面也逐渐增多，其使用量约为土工织物使用量的11%左右。在我国的土坝建设和堤防加固中，作为垂直防渗墙的墙体材料等，被广泛地使用。为了说明土工膜在堤防防渗中的应用，表7-2列出了国内部分坝工中采用土工膜防渗的工程实例。
表10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例
序号
工程名称
地点
使用时间
最大挡水水头(m)
土工膜使用部位
使用情况
土工膜类型
1
石砭峪
陕西
2023
81
斜墙
加固
复合土工膜
2
塘房庙
云南
1997
52
斜墙
新建
复合土工膜
3
钟 吕
江西
1998
51
斜墙
新建
复合土工膜
4
温泉堡
河北
1993
46.3
碾压混凝土坝表面
新建
复合土工膜
5
田 村
广西
1990
41.9
心墙
新建
复合土工膜
6
小岭头
浙江
1991
36
斜墙
新建
复合土工膜
7
先 锋
四川
1987
33
斜墙
修复
三层0.12单膜
8
甲日普
西藏
1992
31.4
心墙
新建
复合土工膜
9
西北峪
陕西
1978
31
库区
修复
3×0.06单膜
10
李家箐
云南
1988
30.6
斜墙
新建
复合土工膜
11
红 卫
广西
1999
30.2
斜墙
修复
复合土工膜
12
田 头
福建
1992
30
斜墙
修复
单膜
13
贡拜尔沟
新疆
1999
28
铺盖
修复
复合土工膜
14
松子坑坝群
广东
1994
28
斜墙和心墙
新建
复合土工膜
15
水口围堰
福建
1990
26.5
心墙
新建
复合土工膜
16
白河301
吉林
1989
21.5
心墙
新建
3层0.4单膜
17
切 吉
青海
1992
20
斜墙
加固
单膜1
18
毛儿冲
湖北
1993
20
斜墙
修复
单膜0.32
19
小青沟2号
辽宁
1995
20
斜墙
新建
复合土工膜
20
军 山
江西
1988
19.6
斜墙
修复
复合土工膜
21
湾 子
云南
1995
18
库区
修补
复合土工膜
22
温 泉
青海
1999
17.5
斜墙
新建
复合土工膜
23
六 甲
福建
1991
15.5
斜墙
修复
单膜
24
三官塘
福建
1991
15.5
斜墙
修复
单膜
25
黄尖山
江西
1988
14.6
斜墙
加固
单膜0.1、0.07
26
罗 坑
江西
1986
14.2
斜墙
修复
单膜0.16、0.18、0.22
27
黑 河
辽宁
1989
13.9
心墙
新建
复合土工膜
28
大 宁
北京
1985
13.5
斜墙
新建
复合土工膜
29
土 坎
四川
1999
13.3
斜墙
新建
膜+织物0.25
30
三峡二期围堰
湖北
1999
13.2
斜墙 心墙
新建
复合土工膜
31
伍 沟
四川
1999
10.5
斜墙
加固
复合土工膜
32
放马峪
北京
1984
10
斜墙
修复
3×0.1单膜
33
王甫洲
湖北
1999
10
斜墙 铺盖
新建
复合土工膜
34
乱 木
河北
1989
10
斜墙
加固
单膜0.8
35
麦 坑
江西
1987
9.75
斜墙
修复
单膜0.32
36
新 立
广东
1990
8
铺盖
修复
单膜

续表10-2 我国部分使用土工膜防渗的工程实例
37
滑 子
北京
1984
8
斜墙和库区
修复
复合土工膜
38
闽 江
福建
1987
7.8
铺盖
修复
单膜0.24
39
梨壁桥
福建
1988
7.5
斜墙
修复
复合土工膜
40
万家寨围堰
山西内蒙古
1995
5.5
心墙
新建
复合土工膜
41
四 扣
山东
1992
5
斜墙
新建
复合土工膜
1.土工膜的防渗结构
土工膜的厚度很薄，容易遭破坏，为了有效保护和提高其在坡面上的稳定性，在土工膜与堤身或堤基接触处应加一定厚度的垫层（过渡层）或反滤层，特别对于膜与粗粒料直接接触的情况。若防渗膜选用复合土工膜材料，则反滤层可以简化。对于已有的堤防加固情况，由于铺反滤层较困难，可以直接选用复有较厚的非织造土工织物的复合土工膜作为反滤层，以便于施工。但应强调指出，不管什么情况下，反滤层是必不可少的。土工膜防渗结构原则上应涉及5层，如图10-3所示。

图10-3 土工膜防渗结构
1-防护层；2-上垫层；3-土工膜；4-下垫层；5-支持层
（1）防护层，是与外界接触的最外层，是为了防御外界水流或波浪冲击、风化侵蚀、冰冻破坏和遮蔽日光紫外线而设立。该层由堆石、砌石或混凝土板构成，厚度一般15～25cm。
（2）上垫层，是防护层和土工膜之间的过渡层，由于防护层多是大块粗糙材料且易移动，假如直接置于土工膜上，很容易破坏土工膜，因此上垫层必须做好。上垫层一般采用透水性良好的砂砾料，厚度应不小于15cm；假如防渗材料采用的是复合土工膜，可不必另设垫层。
（3）土工膜，是防渗主体，除规定有可靠的防渗性外，还应当能承受一定的施工应力和使用期间结构物沉降等引起的应力，故也有强度规定，土工膜的强度与其厚度直接有关，可通过理论计算或工程经验来拟定。
单一土工膜表面光滑，摩擦系数小，易产生滑动，不宜铺设在坡面上，在此情况下，一般多采用复合土工膜，其表面的非织造土工织物与土的摩擦系数要比单膜的大得多，此外，有时也可将单膜加上纹路以增长糙度。
（4）下垫层，铺在土工膜的下面，有双重功能：一是排除膜下的积水、积气，保证土工膜的稳定；二是保护土工膜，使其不受支持层的破坏。
对于粗粒的堆石坝，下垫层也可起堆石与土工膜之间过渡层的作用，这时的下垫层由细砾和砂构成，三者之间的粒径应符合一定的层间关系。对于面板堆石坝的防渗加固工程，多采用复合土工膜，可用沥青直接粘结在防渗面板上。对于碾压式土坝，一般采用复合土工膜，下垫层一般可以省去，由于非织造土工织物可以起到保护和排水作用，并且增长膜与坝体间的摩擦力。
下垫层对土工膜起支持层的重要作用。假如土工膜直接放在粗粒料上，在水压作用下，它会被压进粗粒的大孔隙中，而被拉破。相反，假如膜下为平整硬层或细粒土料，则情况就会不同。实验研究证明，0.25mm厚的聚乙烯土工膜铺在级配良好的砂卵石层上，作用水头达成200m，土工膜也没有破坏，这表白膜下垫层的状态对膜的安全至关重要。
（5）支持层，土工膜是柔性材料，必须铺设在可靠的支持层上，它可以让土工膜受力均匀。对于堤坝，支持层可采用级配良好的压实土层，粒径应根据膜厚来选择，对于0.2mm厚的土工膜，支持层的最大粒径应不大于6mm，不均匀系数应不小于20。对于堆石坝，支持层可采用混凝土或沥青混凝土面板斜墙。假如是碾压式土石坝，由于其坝面平整，又有较大密实度，可不设支持层。
2.土工膜的防渗形式
（1）堤坝地基垂直防渗墙
对于已建堤坝的防渗加固工程，一般采用垂直铺塑技术建造垂直防渗墙。垂直防渗墙是在堤坝地基内造孔或开槽，填入透水性极低的材料形成的连续墙。我国现在用铺塑技术已完毕多处垂直防渗墙工程。
修建防渗墙的土工合成材料多采用土工膜、复合土工膜。采用插入土工膜，则膜厚度应不小于0.5mm。在目前技术条件下，插入深度可以达成约15m，规定地基土中大于5cm的粗颗粒不多于10%，最大颗粒粒径不大于15cm，否则将超过开槽宽度。
对于新建堤坝，采用中央复合土工膜作垂直防渗墙时，其规定与土工膜斜墙防渗相同。但垫层和过渡层在填筑压实时，应注意不使土工膜损伤。施工时规定堤坝填筑与土工膜心墙同时上升，并且土工膜应做锯齿形铺设，以适应堤身的沉陷。
（2）水平防渗铺盖
堤坝建在透水地基上，本地基厚度过大，采用其他防渗形式不经济或不也许时，可采用铺盖防渗。它是将透水性小的材料水平铺设在堤坝上游的一段长度内，并与堤身或坝身的防渗体系相连接，以增长渗径，减少渗透坡降，防止地基渗透变形并减少渗流量。一般用于铺盖材料的渗透系数至少应比地基的透水性小100倍，故以往常用粘性土。土工膜比粘土的透水性还要小，具有极大的柔性，能和地面密切贴合，并且施工相称方便，防渗效果良好。
土工膜用于堤防的防渗加固，其心墙式或斜墙式等形式的选用与堤基地层结构及其渗透性有关。堤基的地层结构，一般可分为单层结构、双层结构和多层结构三种。单层结构是指从地表往下至基岩基本上是同一类土，粘性土的单层结构均质地层不会发生渗透变形，而均质的砂性土单层结构在靠近背水坡的地面易发生渗透变形，远离堤段的地方则是安全的，这种地层在大江大河上比较少见。双层结构（二元结构）是指地层大体由两种土层组成，上层透水性较弱，其下为较厚的透水性较强的土层，本地层受开挖导致与江水连通或上覆层较薄时，往往是最容易发生渗透破坏。这种“二元结构”在大江大河上比较常见，在我国是一种颇具代表性的堤基地层结构。多层结构往往是弱、较强、弱、较强、强透水层结构的组合，即在深度上是弱透水层与透水地层互层，而深层则往往是砂卵石等强透水层，这种地层也比较常见。对于不同的地层形式，在堤防防渗措施上有明显的不同特点。
（1）对于堤基透水性土层厚度不大（10m左右）的情况，采用垂直铺塑技术建造防渗心墙是有效和可靠的，由于土工膜心墙可以从堤身穿过透水地层直接与不透水土层相连，形成封闭式的防渗结构，保证背水坡不发生渗透破坏。
（2）对于透水性土层比较深厚的地基，心墙达不到不透水土层，故只能形成“悬挂式”的防渗结构。然而研究和经验表白，这种“悬挂式”防渗体系的防渗效果不佳，应采用复合土工膜斜墙加铺盖或其他防渗结构。
（3）近年，在防渗建设中还碰到防渗性各异的另一种多层地基结构的情况，其特点是在深厚的透水层中存在一层透水性较弱的土层，埋深也不大，可以作为防渗的相对不透水层，这时仍可以专心墙的形式，使其达成相对不透水层，以形成“半封闭”的防渗结构。
3.土工膜铺设的范围和部位
土工膜在堤坝中铺设的范围可从堤基开始，直到堤顶。堤坝临水面若设立铺盖，则铺盖长度应按渗流计算拟定，大于或等于5倍水头。土工膜材料目前的挡水水头已达30～40m，因此完全可以满足一般江河堤防的规定。
土工膜的铺设部位，对新建的堤坝，可以铺设在堤坝的中间（即心墙）或临水面（即斜墙），两种形式各有特点。心墙布置方式比较省料，但施工时规定堤坝填筑与土工膜心墙同时上升，并且土工膜应做成锯齿形铺设，以适应堤坝的沉陷，因此施工比较复杂。斜墙式布置的优点是堤坝填筑完毕后才铺膜，施工干扰小，铺膜质量较易保证。因此国内外新建的堤坝工程大多采用斜墙形式的结构。但对于已建堤坝的防渗加固工程，由于临水面有水，为避免水下施工，故采用堤内开槽铺膜方法施工，筑成心墙。若临水面无水，则用斜墙形式更为方便。
4.土工膜的选择
土工膜的选择涉及两个问题，一是选择何种原材料的土工膜，二是选用何种形式的土工膜（单膜或复合土工膜）。
（1）国内外土工膜所用的原材料重要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）两种。工程选料时，重要根据以下几个方面来选定合适的土工膜：
①力学特性，上述两种材料制成的土工膜的拉伸强度相差不大。由于土工膜只用于防渗而不作为加筋材料使用，故其拉伸强度不是选材的重要指标。但从另一方面来说，PVC膜因添加有塑化剂，使得其拉伸率比PE膜的大一些，柔性较好，与砂粒接触时可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，从而增长两者之间的摩擦系数。因此，PVC膜与砂之间的摩擦系数明显大于PE膜与砂之间的摩擦系数，摩擦角平均至少大5°～6°。这是一个关键性的指标，会影响到膜与土体接触面以及膜与其上保护层之间的抗滑稳定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三种：一是采用复合土工膜，因复合土工膜外层的土工织物与土料的摩擦系数较大，接近于PVC膜与土料的摩擦系数。二是对PE膜采用加糙措施，例如在土工膜的光滑表面上压纹或喷涂加糙材料。三是改变水工建筑物的结构，如调整坝坡，加防滑槽或防滑槛等。此外，当PE膜的厚度从0.12mm增长到0.24mm时，其与粗砂的摩擦系数可以增长30%。
②可连接性。土工膜无论出厂时幅有多宽，在实际使用时仍需将其幅与幅之间连接起来，以成为一个整体的防渗膜体。一般PE膜只能用加热熔合的方式连接，而PVC膜除此之外，还可以采用特殊的粘合剂进行粘接。薄型土工膜由于不能用热焊方法连接而必须用粘接法连接，因此只能选用PVC膜。
③经济性。目前两种材料的价格大体相称，一般均在1万元/T左右，而PE膜的比重小于PVC膜的比重，所以同样厚度的情况下每单位面积的价格PE膜要少一些。此外PVC膜出厂时的幅宽一般为1.5～2.0m，PE膜幅宽可达4～4.5m，相应地PE膜的接缝数量就比PVC膜的要少，因而搭接的用量就少一些，现场接缝的工作量也少一些。
综合这三个方面的优缺陷，再结合工程实际情况，可以对膜材作出合理的选择。
（2）选用单膜还是复合土工膜重要是从复合土工膜的作用和经济性两个方面综合考虑来选定。复合土工膜的一个作用是可以增长与土料之间的摩擦系数，第二个作用是保护土工膜不受运送和施工过程中外力的损害。复合土工膜的力学性能比单一膜有很大提高，其破坏应变虽不如单膜大，但仍远大于土体的破坏应变，因而有较强的适应各种情况的能力。复合土工膜的强度和防渗性能要优于单一膜和土工织物两者叠加的性能，其优良的限度与膜和织物之间复合的紧密限度密切相关，因此复合土工膜的设计不能简朴地参照膜和织物个别的性能指标直接套用。第三个作用是复合土工膜具有反滤排水功能。由于土工膜不可避免地总会有一些缺陷发生渗水，此时膜一侧的土工织物可以起到反滤排水作用，从而维护了保护层的稳定。如复合土工膜是铺设在透水性弱的堤坝临水面，则膜下的土工织物可以迅速消除库水位骤降时在膜后形成的孔隙水应力，避免土工膜被水应力顶起的危险。
我国的堤坝建设心墙式垂直防渗大多采用单膜或多层单膜，斜墙式临水面铺设的土工膜大多采用复合土工膜。从已采用单膜的堤坝防渗效果以及SL/T225-98规范中对土工膜类型的规定看，单膜对低水头的小型水库防渗效果良好，仍然是一种具有竞争力的膜材。但在经济允许的条件下，复合土工膜有着更为优越的工程特性。
三、土工膜在水利防渗工程中应用情况及优缺陷
土工膜在坝工中的应用，从地区上看已很广泛，国内已经普遍接受了这种新型的防渗材料和技术。许多工程实录都表白它的防渗效果良好、经济、施工方便，有推广使用价值。国内在坝工中使用土工膜防渗虽然较晚，但从土工膜承受20m以上水头的实例所占的百分数来看，接近了国外的水平，且国内也有土工膜承受超过50m水头的实例。这些都说明国内在坝工使用土工膜的技术水平已逐渐接近国际先进水平。关于土工膜的厚度目前有两种观点：一种是主张用厚膜（膜厚>1.0mm），以欧洲国家为多；另一种观点是使用薄膜（膜厚<1.0mm），以美洲国家和我国的实例较多，这些坝的使用情况至今仍然很好，因而值得很好地总结经验。根据上述情况以及目前SL/T225-98《水利水电工程土工合成材料应用技术技术规范》和GB50290-98《土工合成材料应用技术规范》中所列入的土工膜在堤坝中的防渗使用规定，都表白土工膜防渗技术在我国堤坝中的应用已经逐渐成熟。这将为这项新技术和新材料在堤坝中的推广应用提供良好的范例。
土工膜与混凝土、粘土、钢板衬砌等几种防水材料相比，有以下几个弱点：
（1）容易破裂，土工膜是一种高分子化合物的柔性材料，强度低，厚度也比较薄，因此容易破裂。导致破裂的因素有：①在施工过程中受损破裂；②被土石料中的石块等尖硬物刺破或顶破；③由于设计选择不妥或没有局部约束被过大的水压力击穿；④铺设在支承土与混凝土面板之间的土工薄膜由于温度胀缩、重力、土体位移、浪击和水位变化的因素，也许引起界面滑动，土工薄膜将承受过度伸长、撕裂或擦伤；⑤斜面上用土和混凝土板保护土工薄膜的情况，当水位骤降，土中孔隙水应力与库水位失去平衡，土体失稳而滑动。⑥建筑物过大的变形或不均匀沉降而导致破裂；⑦由于保护层薄或埋深浅，特别是用于渠道防渗时，被人畜或植物根系弄破。这些问题很容易发生，但又是可以避免的。
（2）容易脆裂，土工膜在低温环境下，性能恶化，容易脆裂。这方面可通过选择耐低温的品种或增长保护层厚度解决，一般也不成问题。
（3）老化问题，土工膜在接触阳光、冷热气候、臭氧的条件下，将较快老化而失去性能。但是埋在水中或处在水下，不接触这些因素，其老化还是相称慢的。目前对土工膜的使用寿命，还没有一个确切的规定，实验研究和实测资料都表白，在正常的保护条件下，其寿命可达50～12023。
（4）化学腐蚀，土工膜遇上某些化学物质，如酸性、碱性液体，或矿物油，也许会被腐蚀破坏。但是在一般的工程应用中，不接触这些物质因而不必紧张。但在用于封闭废弃的固体或液体时，则应考虑这方面的问题。
由于土工薄膜在工程中也许碰到以上几个问题，因此，要对的设计，精心施工，保证土工膜良好地工作。同时也可根据不同情况在土工薄膜上面或下面，或者上、下两面加以保护，将土工薄膜与针刺土工织物通过挤压、滚压或喷涂等工艺制成整体结构的复合土工薄膜，其土工织物能起到排水排气以及缓冲受力的作用，并能填补薄膜自身强度之局限性，又能改善接触界面的摩擦特性。它与单一土工薄膜相比具有以下优点：①提高了土工薄膜的抗拉、抗撕裂、抗顶破及抗穿刺等力学强度；②在相同应力作用下，伸长率有所减小，模量增大；③趋于各向同性，能避免在物理条件和温度变化时所产生某个方向上的过量收缩和移动；④易于避免下层土体冻融时土工薄膜的损坏；⑤易于压力均布，避免应力局部集中；⑥易于消散土工薄膜与土体接触面上的孔隙水应力及浮托力；⑦改善土工薄膜的摩擦性能，增长其稳定性。因此，复合土工膜改善了薄膜的工程性能，简化施工程序，保证施工质量。目前工程中大多采用复合土工膜作防渗材料。
土工膜在水利防渗工程中应用的优点
土工膜是一种柔性防渗材料，具有可靠的防渗功能。防渗是土工合成材料应用最早的，也是目前最为广泛的功能之一。土工膜可用于水库库盘防渗、土石坝的直立防渗墙或倾斜防渗层、闸坝的上游防渗铺盖、混凝土坝的挡水面防渗层、沥青混凝土面板或混凝土面板堆石坝的防渗层、尾矿坝的初期坝防渗层、渠道防渗、污水防渗和危险性废物堆场的封闭等等。
土工膜用于水利防渗工程，具有结构简朴，施工方便，防渗效果好，节省工程造价，加快工期等显著优点。只要对的设计，精心施工，就可保证安全可靠地运营，宜于在我国大力推广。
土工膜或复合土工膜用于堤坝防渗工程，除上述一般优点外，在力学上它还可以改善堤坝自身的结构性能。
（1）复合土工膜对堤坝应力的影响。在土体压缩变形时，复合土工膜由于是柔性材料蜷曲在堤坝内，当坝体承受拉应力时，由于它有较高的抗拉强度，故可承担土体的部分拉应力，从而克制土体的应变。
（2）复合土工膜对堤坝竖向沉降的影响。当考虑复合土工膜与心墙间相对滑移时，坝体竖向沉降类同于未铺设复合土工膜的沉降等值线分布，其最大沉降量略小些，在复合土工膜处的等值线不连续。
（3）复合土工膜对堤坝水平位移的影响。复合土工膜采用接触单元模式，由于考虑相对滑移则上游坝壳向上游位移，比不设复合土工膜时位移要大。当复合土工膜采用线单元模式时，其上游坝壳的位移明显减小，增长了复合土工膜处的水平位移量，说明复合土工膜抗拉强度起着一定的克制作用。
（4）渗流场的改变相应力的影响。对于具有渗流条件的堤坝，存在着体积渗透力，铺设复合土工膜后堤坝内渗流场发生了变化，坝体内应力应变随之发生变化，引起应力的重新调整，使小主应力有较大改变，而大主应力变化较小。
总之，复合土工膜是一种柔性防渗材料，它与砾质粘土心墙做组合防渗体时，由于其具有较高的抗拉强度，克制了土体的应变，从而使土体各部位的应力有所调整。另一方面，复合土工膜的渗透系数相称小，可消刹作用水头，使坝体内的自由水面减少甚多，渗流量减小，有助于下游坝坡的稳定。
第二节 堆石坝的复合土工膜防渗工程
目前堆石坝工程重要有混凝土面板堆石坝、沥青混凝土面板堆石坝、混凝土心墙堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝等。不管是新建的还是已运营数年的堆石坝体，由于两种材料的压缩性差异大，两种材料压缩厚度不同样，以及应力不均等因素，坝体容易产生不均匀沉降，导致斜墙或面板发生裂缝、坝体沉陷塌坑，发生渗漏破坏，危及水库坝体的安全，这种现象在工程中经常见到。这种不均匀沉降在不同的部位发生的破坏机理是不尽相同的。下面就不同的渗漏部位，对其破坏机理进行初步分析。
（1）岸边裂缝。当在基岩内或在防渗墙与基础接触处发生的裂缝渗漏破坏，一般不是由于不均匀沉降导致，而是库水位压力沿着基岩裂缝面或防渗墙结构薄弱面劈入，将裂面扩展，产生渗流通道。
（2）岸坡裂缝。由于与基岩接触的岸坡堆积有杂填土，发生大的变形，产生不均匀沉降，将混凝土面板或沥青混凝土斜墙拉开库水注入，产生渗流通道。同时在绕渗水流作用下，将细颗粒带走，加剧渗透破坏，以致形成塌坑。
（3）伸缩缝裂缝。堆石体发生沉降变形，或坝面分布有较厚的杂填土，杂填土变形大，沿着伸缩缝处的结构薄弱面发生拉张变形。斜墙或面板沿着伸缩缝产生裂缝，库水沿裂缝劈入，基础发生渗透破坏，细颗粒被带走，形成空洞。
（4）戗台裂缝