《堤防工程土工合成材料应用技术》_土工合成材料应用技术
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《堤防工程土工合成材料应用技术》 第一章 综述 目 录 前 言
第一章 综述
第二章 土工合成材料的功能和设计原则 第三章 堤防系统的防渗、排渗和加固 第四章 防护工程 第五章 防汛抢险工程
第六章 使用和开发中的一些问题
前 言
洪涝灾害是我国自然灾害中危害最大、损失最严重的灾害。长江、黄河等七大江河的中下游及沿海平原地区，面积占国土总面积的8％。这里有全国40％的人口和35％的耕地，工农业总产值占全国的70％，也是中国人口最密集、经济最发达的地区。该地区的洪涝灾害严重，是我国国民经济和社会持续发展的心腹之患。
我国在防御洪涝灾害方面做出了很大努力并取得非凡成就，但由于自然、社会和经济条件的限制，我国现在的防洪减灾能力仍较低，江河和城市防洪标准普遍偏低，不能适应社会、经济迅速发展的要求，防洪减灾仍是一项长期而艰巨的任务。
河道堤防是我国防洪工程体系的重要组成部分。在长江、黄河等七大江河的中下游地区，堤防是防御洪水的最后屏障。目前我国建有各类堤防25万km，其中主要堤防6.57万km。我国现有的堤防有三大特点。一是堤基条件差，堤防傍河而建，在堤线选择上有很大的局限性，基础大多为沙基，而且绝大部分堤防的基础基本上没有进行处理。二是堤身质量差，不少堤防是在原民堤的基础上，经历年逐渐加高培厚而成，往往质量不佳。三是堤后坑塘多，尤其是长江干堤和洞庭湖、鄱阳湖区，筑堤土料严重不足，多年来，普遍在堤后取土筑堤，取土坑、塘多未做处理，覆盖薄弱。因此当遭遇洪水时，经常发生管涌、滑坡、崩岸和漫溢等险情，严重者导致大堤溃决。在1998年的洪涝灾害中，仅长江中下游干堤就出现险情6100多处，高水位时每天出险300余处。
在夺取1998年抗洪斗争全面胜利后，全国各地掀起了以堤防工程建设为重点的水利建设新高潮。党中央、国务院多次强调，在灾后重建工作中，要运用先进技术，坚持质量第一。对土工合成材料的推广应用给予了高度重视，朱镕基总理亲自指示要在大修堤防工作中采用，并对推广应用土工合成材料作了多次重要批示。为贯彻落实党中央、国务院的指示精神，科学有序、积极稳妥地做好土工合成材料的推广应用工作，在国家经贸委的支持下，水利部国际合作与科技司、水利部建设与管理司以及国家防汛抗旱总指挥部办公室，共同组织从事科研、管理、设计、施工、教学的专家，在总结多年土工合成材料应用经验和国内外最新进展的基础上，编写了这本《堤防工程土工合成材料应用技术》。本书也是“水利科技减灾系列丛书”之一。它的出版，旨在向广大工程技术人员和基层干部群众推广普及土工合成材料在堤防工程中的实用技术和应用知识，为在堤防工程中推广应用土工合成材料提供技术支撑。本书也可作为水利工程设计、施工、管理等技术人员的培训教材。在本书的编写过程中，龚履华研究员，李广信教授以及天津水利勘测设计院和浙江省水科所等为本书提供了许多资料。李广信、俞仲泉、徐少曼等专家对本书进行了审阅，提出了许多宝贵意见。此外，还得到了长江科学研究院、水利部科技推广中心的大力支持，在此一并向他们表示衷心的感谢。
由于编写时间紧迫，书中定会存在许多不足乃至错误，敬请广大水利工作者给予批评指正。第一章 综 述
千百年来，在水利工程中，人们广泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金属材料，但它们都有一些固有的缺陷，例如性能单一，质量大，寿命不长，价格昂贵等，故不能全面满足工程的特定需要。同时天然材料毕竟数量有限，而且不少天然植物材料如过分利用还会影响自然界的生态平衡，破坏人们赖以生存的环境空间，例如大规模地砍伐森林树木，破坏地表植被，会造成水土流失和荒漠化。有些金属材料虽然性能良好，但容易锈蚀，且成本较高，从而限制了其应用范围。随着近代化学工业的迅速发展，品种繁多的人工合成材料陆续问世。它们具有多种能满足工程需要的性能，可制成各种符合实用目的的产品，而且由于其质量轻、施工简易、运输方便、价格低廉、料源丰富等优点，为岩土工程提供了一种崭新的较为理想的材料，并由此带来一种实施简便和经济有效的技术途径。鉴于这种人工合成材料的强大生命力，因此近二三十年来在全世界范围内得到迅速的发展和广泛的使用。据不完全统计，它们已在数十万项工程中得到成功的应用，取得了良好的经济、社会和环境效益；在一些抗御自然灾害的斗争中，更显出其快捷、有效、简便的特点。无怪乎这一项新材料和新技术被人们誉为20世纪岩土工程中的一项技术革命。第一节 土工合成材料的含义及其应用概况
什么是土工合成材料，概括而言，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各种产品的统称。因为它们主要用于岩土工程，故冠以“土工”(geo一)两字，称为“土工合成材料”，以区别于天然材料。
土工合成材料在早期曾被称为“土工织物”(geotextile)和“土工膜”(geomembrane)。随着工程需要，这类材料不断有新的品种出现，例如土工格栅、土工网和土工模袋等，原来的名称已不能准确地涵盖全部产品，这样，在其后的一段时期内，把它们称之为“土工织物、土工膜和相关产品(related product)”。显然，这样的名称不宜作为一种技术名词或学术名词。为此，1994年在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材料的名称为“土工合成材料”(geosynthetics)。
土工合成材料的原材料是高分子聚合物(polymer)。它们是由煤、石油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材料片材，最后制成各种产品。制造土工合成材料的聚合物主要有聚乙烯(PE)、聚酯(PER)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等。
聚乙烯是在1931年前后，首先由英国ICI公司研制成功的，1939年成为商品在市场上出售，它是聚合物中分子结构最简单的一种，可分为低分子量和高分子量两类。聚乙烯的比重为0.92，耐酸碱，抗化学剂能力强，吸湿性低，低湿时仍具柔性，电绝缘性极好。在1950年前后，又开发出了高密度聚乙烯(HDPE)材料，其比重、机械强度、熔点和硬度等都比低密度的为优。
聚酰胺约在1935年研制成功，俗名为尼龙，其吸湿性较高，干燥时有一定绝缘性、机械性能好。
聚酯于1941年前后问世，它包括聚酯树脂、聚酯纤维和聚酯橡胶等。
聚丙烯于1954年研制出来，1957年成为商品出售。它的比重为0.90～0.91，耐温范围-30～1400C，耐化学剂性能较好，惰性强，价格低廉，是目前应用最多的原材料之一。
此外，常用的原材料还有聚氯乙烯，它的比重为1.4，具有极好的化学稳定性，不燃烧，可用于制造透明薄膜、管道、板材等。
以上五种原材料的性能对比如表1-1所示。
应当指出，材料的强度还与纤维的制作方法有关。在应用土工合成材料时，其性能更受施工方法、应用环境和侧限压力大小的影响。
土工合成材料的最早应用可追溯到本世纪二三十年代。1926年美国南卡罗林拉州公路部门曾采用过在棉布上洒沥青而制成的材料，其形式类似于土工膜。其后，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也有较长历史。
以近代人工聚合物为原料的土工织物的最早应用实例，是50年代初的荷兰三角洲工程。据估计，用量超过了1000万m2，大大促进了土工合成材料的工程应用。60年代，美国逐渐扩展了采用土工织物修建护坡下的垫层和反滤以及护岸等，并将土工织物铺在沥青路面中以防止路面反射裂缝。土工网于1968年在日本开始应用，主要用在填土坡，帮助坡缘填土压实，以增大其强度和稳定性。与此同时，土工网也被用在软基上筑堤，以后又发展为在堤底全面铺设。
非织造土工合成材料技术可能于1967年在美国、法国、英国开始应用，它是一种较厚的聚酯非织造土工织物，作为大坝上游抛石护坡下的反滤层，或作为基土与其上覆盖的粗粒料之间的隔离层。非织造织物的出现为土工织物的应用开辟了较广阔的天地。
80年代后出现了排水带，路堤下用非织造织物作加筋，以及土工织物加筋挡墙等应用实例。我国应用土工合成材料开始较晚，但发展速度很快。目前几乎在各种类型的岩土工程和大量的水利及堤防工程中都得到应用。1974年江苏省江都嘶马用织造型土工织物制成的软体排，结合混凝土块压重，进行长江护岸。稍后江都西闸和湖北省长江堤防也都采用了软体排。非织造土工织物用作反滤料的工程实例更多，云南麦子河水库用得最早。80年代中期，非织造土工织物在尾矿坝和灰堤等工程中得到应用。塑料排水带早在80年代初即在天津新港用于加固软基，目前排水带在高速公路和机场工程已应用得十分广泛。混凝土模袋最早用于江苏南宫河口岸，80年代末已成功应用于30多项工程。加筋土挡墙已修建不少。近年来我国已能生产土工格栅，其工程需求量很大，预计会大大促进加筋土技术的快速发展。聚苯乙烯板块在我国寒冷地区早已用于工程防冻。近来土工格室、植被土工网垫等新技术也已开始应用。根据不完全统计，迄今我们采用土工合成材料的工程已逾8000项。
在1998年夏秋，在长江和松花江、嫩江特大洪灾的防汛抢险工作中，土工合成材料发挥了重要作用。国务院领导高瞻远瞩，在灾后多次批示和指示，工程界和制造厂商积极响应，展现了前所未有的应用土工合成材料热潮。可以预见，我国的土工合成材料的应用程度、技术水平、以及产品的质量和品种在不远的将来必将迈上一个新台阶。第二节 土工合成材料的种类
我国GB50290—98《土工合成材料应用技术规范》将土工合成材料分为以下四大类：土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料，它们又各分为数种。现择要介绍如下。
一、土工织物（geotextile）
土工织物是一种透水性材料，按制造方法不同。可进一步划分为图1-1所示的各种类型。
(一)织造型土工织物(woven geotextile)这类产品又称有纺土工织物，是最早的土工织物产品。它的制造分两道工序：先将聚合物原料加工成丝或纱或带，再借织机制成平面结构的布状产品。织造时常包括相互垂直的两组平行丝，如图1-2。沿织机(长)方向的称经丝，横过织机(宽)方向的称纬丝。这种织物看来简单，却有着不同的丝种和不同的织法。
丝种包括单丝、多丝及二者的混合。单丝是单根丝，典型直径约为图1-2土工织物的经纬丝0.5mm，它是将聚合物热熔后从模具中挤压出来的连续长丝。在挤出同时或刚挤出后将丝拉伸，使其中的分子定向，以提高丝的强度。多丝是由若干根单丝组成的，在制造高强土工织物时常采用多丝。多丝也有用切割成的短丝(一般长100mm)搓拧而成的。
早期的土工织物系由单丝织成，后来发展为采用扁丝。扁丝是由聚合物薄片经利刀切成的薄条，其厚度比单丝薄得多，且在切片前后都要牵引拉伸以提高其强度。扁丝宽度约为3mm，是其厚度的一二十倍。目前的大多数编织土工织物是由扁丝织成，而圆丝和扁丝结合织成的织物有较高的渗透性，如图1-3。
另一种特殊的扁丝叫裂膜丝(fabrillated yarn)，它是将一根扁丝剖成许多根细丝，但仍连在一起。由裂膜丝织成的织物较为密实，柔软而渗透性小。多丝和裂膜丝结合织成的编织物厚度可达1～2mm，比扁丝织成的要厚。
织造型土工织物有三种基本的制造型式：平纹、斜纹和缎纹。平纹是一种最简单、应用最多的织法。其形式是经、纬丝一上一下，如图1-
2、图1-3。斜纹则是经丝跳越几根纬丝，最简单的形式是经丝二上一下，如图1-4。缎纹织法是经丝和纬丝长距离的跳越，例如经丝五上一下，这种织法适用于衣料类产品。
在织造时，由于梭子要不断地牵引纬丝从经丝的空间中穿过，故要求经丝强度比纬丝的高。采用不同的丝和纱以及不同的织法，可以使织成的产品具有不同的特性。例如平纹织物有明显的各向异性，如图1-5，其经、纬向的摩擦系数也不一样；圆丝织物的渗透性一般比扁丝的要高，每厘米长的经丝间穿越的纬丝愈多，织物也愈密愈强，渗透性则愈低。单丝的表面积较多丝的要小，其防止生物淤堵的性能要好一些。聚丙烯的老化速度比聚酯和聚乙烯的要快，等等。由此可见，可以借调整丝(纱)的材质、品种和织造方式等来得到符合工程要求的强度、经纬强度比、摩擦系数、等效孔径和耐久性等项指标。在工程实施中应根据具体要求来优选产品，铺设时要注意材料的合理铺设方向。
(二)非织造型土工织物(non-woven geotextile)这类产品又称无纺土工织物。根据粘合方式的不同，非织造型土工织物分为热粘合、化学粘合和机械粘合等三种。
热粘合非织造型土工织物的制造，是将纤维在传送带上成网，让其通过两个反向转动的热辊之间热压，纤维网受到一定温度后，部分纤维软化熔融，互相粘连，冷却后得到固化。该法主要用于生产薄型土工织物，厚度一般为O.5～1.0mm。由于纤维是随机分布的，织物中形成无数大小不一的开孔。再因为无经纬丝之分，故其强度的各向异性不明显。
纺粘法是粘合法中的一种，是将聚合物原料经过熔融、挤压，纺丝成网，纤维加固后形成的产品。这种织物厚度薄而强度高，渗透性大。由于制造流程短，产品质量好，品种规格多，成本低，用途广，近年来在我国发展较快。
化学粘合法土工织物，是通过不同工艺，将粘合剂均匀地施加到纤维网中，待粘合剂固化，纤维之间便互相粘连，使网得以加固，厚度可达3mm。常用的粘合剂有聚烯酯、聚酯乙烯等。也可以在施加粘合剂前加以滚压，得到较薄的和孔径较小的产品。这类产品在工程中的应用较少。
机械粘合法是以不同的机械工具将纤维网加固，应用最广的是针刺法，还有用水刺法的。针刺法利用装在针刺机底板上的许多截面为三角形或棱形且侧面有钩刺的针，由机器带动，作上下往复运动，让网内的纤维互相缠结，从而织网得以加固。产品厚度一般在1mm以上，孔隙率高，渗透性大，反滤排水性能均佳，在水利工程中应用很广。水刺法是利用高压喷射水流射入纤维网，使纤维互相缠结加固。其产品较为柔软，主要用作卫生用品，工程中尚未应用，二、土工膜(geomembrane)土工膜是一种基本不透水的材料。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分。聚合物膜在工厂制造，沥青膜则大多在现场制造。
制造土工膜的聚合物有热塑塑料(如聚氯乙烯)、结晶热塑塑料(如高密度聚乙烯)、热塑弹性体(如氯化聚乙烯)和橡胶(如氯丁橡胶)等。工厂制造土工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出是将熔化的聚合物通过模具制成土工膜，厚0.25～4mm。压延则是将热塑性聚合物通过热辊压成土工膜，厚0.25～2mm。加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上，待冷却后将土工膜揭下来而成。现场制造土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物而成。沥青土工膜用的是沥青聚合物或合成橡胶。
制造土工膜时还需要掺入一定量的添加剂，使在不改变材料基本特性的情况下，改善其某些性能和降低成本。例如掺入碳黑可以提高抗日光紫外线能力，延缓老化；掺人铅盐、钡、钙等衍生物以提高材料的抗热、抗光照稳定性；掺人滑石等润滑剂以改善材料可操作性；掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。对于沥青类土工膜，其主要的掺人材料是一些填料或纤维。填料可为细矿粉，它能增加膜的强度且降低其成本；加入纤维，也是为提高膜的强度。
三、土工复合材料(geocomposite)土工复合材料是两种或两种以上的土工合成材料组合在一起的制品。这类制品将各组合料的特性相结合，以满足工程的特定需要。不同的工程有不同的综合功能要求，故土工复合材料的品种繁多，可以说土工复合材料是当前和今后一段时期发展的大方向。(一)复合土工膜(composite geomembrane)复合土工膜是将土工膜和土工织物（包括织造和非织造型）复合在一起的产品。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；另外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。
复合土工膜有许多优点，例如：以织造型土工织物复合，可以对土工膜加筋，保护膜不受运输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。(二)塑料排水带(prefabricafed strip drain）
塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板外面包裹非织造土工织物（滤膜）而成。芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有城垛式、和乳头式等，如图1-6。芯板起骨架作用，截面形成的纵向沟槽供通水之用，而滤膜多为涤纶无纺织物，作用是滤土、透水。塑料排水带的宽度一般为100mm，厚度3.5～4mm，每卷长100～200m，每米重约0.125kg。我国目前排水带的宽度最大达230mm，国外已有2m以上的宽带产品。
塑料排水带的施工是利用插带机将其埋没在土层中的预定位置。塑料带前端与锚靴相连，用插带机导杆顶住锚靴，插入土层中，达到预定深度后拔出导杆，但排水带仍留在预定位置，在高出地面一定高度(0.5m左右)剪断排水带。施工时可用静荷或动荷送杆，静荷送杆对土层扰动小，较为常用。我国插带机的插入深度可达约25m，入士速率可达6m/min。排水带的平面分布间距可借理论计算确定，一般为l～2m。排水带插入软基后，为排除土中的多余水量提供了捷径，多余水可水平向通过带的滤膜进入芯板沟槽，再向上由地表的透水料垫层排走。排水带在公路、码头、水闸等软基加固工程中应用广泛，以加速软土固结。
(三)软式排水管
软式排水管又称为渗水软管，是由高强钢丝圈作为支撑体，以及具有反滤、透水及保护作用的管壁包裹材料两部分构成的，如图1-7。高强钢丝由钢线经磷酸防锈处理，外包一层PVC材料，使其与空气及水隔绝，避免氧化生锈。包裹材料有三层，内层为透水层，由高强特多龙纱或尼龙纱作为经纱，特殊材料为纬纱制成；中层为非织造土工织物过滤层；外层为与内层材料相同的覆盖层。为确保软式排水管的复合整体性，支撑体和管壁外裹材料间，以及外裹各层之间都采用了强力粘结剂粘合牢固。目前市场出售的管径分别为50.1mm、80.4mm和98.3mm，相应的通水量(坡降i＝1/250)为45.7cm3/s、162.7cm3/s、311.4cm3/s
软式排水管兼有硬水管的耐压与耐久性能，又有软水管的柔性和轻便特点，过滤性强，排水性好，可用于各种排水工程中。(四)其他复合排水材料
现在已生产出各种型式芯材和外包滤膜的复合排水材料。芯材有平板上立管柱的，有做成各种奶头形的，有土工网的，还有用塑料丝缠成的网状体的等等(图1-8)，它们均具有较大的排水能力，可按工程需要选用。
四、土工特种材料
土木特殊材料是为工程特定需要而生产的产品，品种多，现选择几种主要产品说明如下。(一)土工格栅(geogrid)土工格栅是在聚丙烯或高密度聚乙烯板材上先冲孔，然后进行拉伸而成的带长方形或方形孔的板材，如图1-9。加热拉伸是让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸(孔近矩形)和双向拉伸(孔近方形)两种。前者在拉伸方向上有较高强度，后者在两个拉伸方向上皆有较高强度。
土工格栅因其高强度和低延伸率而成为加筋的好材料，例如英国奈特龙(Netlon)公司生产的坦萨(TENSAR)SR2(单向)的纵、横向抗拉强度分别为80kN/m和13kN/m，延伸率分别为9％和15％(常温下)。土工格栅埋在土内，与周围土之间不仅有摩擦作用，而且由于土石料嵌入其开孔中，还有较高的咬合力，它与土的摩擦系数可以高达0.8～1.0。
土工格栅的品种和规格很多，目前开发的新品种有用加筋带纵横相连而成的(图1-10)，也有用高强合成材料丝纵横连接而成的，等等。(二)土工网(geonet)土工网是以聚丙烯或聚乙烯为原料，应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。可因网孔尺寸、形状、厚度和制造方法的不同而造成性能上的很大差异。一般而言，土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高，以英国NETLON系列为例，其抗拉强度仅为2～8kN/m，延伸率一般达到20％以上。
这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。一般说来，它只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。(三)土工模袋(fabriform)土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料，袋内充填混凝土或水泥砂浆，凝固后形成整体混凝土板，可用作护坡。这种袋体代替了混凝土的浇注模板，故而得名。模袋上下两层之间用一定长度的尼龙绳来保持其间隔，可以控制填充时的厚度。浇注在现场用高压泵进行。混凝土或砂浆注入模袋后，多余水量可从织物孔隙中排走，故而降低了水分，加快了凝固速度，使强度增高。
按加工工艺的不同，可将模袋分为两类，即机织模袋和简易模袋。前者是由工厂生产的定型产品，而后者是用手工缝制而成。
机织模袋按其有无排水点和充填后成型的形状分成许多种。我国现行的机织模袋有下列五种，其形状、规格与用途见表1-2
1．有过滤点模袋(FP)过滤点将上下两片织物连在一起，滤点处不让泵液进入，它可供排除土坡渗水，消除孔隙水压力。这类模袋充填砂浆。2．薄型无过滤点模袋(NF)这类模袋只有接缝排水，充填料用砂浆，适用于无水位骤降和无防渗要求的护坡。3．厚型无过滤点模袋(CX)充填细砂混凝土，厚度大，用于重型防护工程，如海湾、码头护岸。4．铰链型模袋(RB)这类模袋充填砂浆凝固后，形成许多独立而又以尼龙绳相联的块体，块与块间能自由转动，排水通畅，适用于有较大不均匀沉降和地形变化大的坡面或地基防冲。5．框架型模袋(NB)这类模袋充填砂浆后形成方形或长方形格子，格中可种植花草，既可护坡，又美化环境。此外，近年来美国HYDROTEX公司还生产一种称为AB型的模袋，其中插有钢筋，为铰链式，强度高，适用于海岸防护。(四)土工格室(geocell)土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2mm、宽100mm，每隔300mm进行焊接。闭合和张开时的形状如图1-11。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。
(五)土工管(geotex tube)、土工包(geocontainer)土工管、土工包是用经防老化处理的高强土工织物制成的大型管袋及包裹体，可有效地护岸和用于崩岸抢险，或利用其堆筑堤防，解决疏浚弃土的放置难题。
土工包是将大面积高强度的土工织物摊铺在可开底的空驳船内，充填200～800m3料物，将织物包裹闭合，运到一定部位，沉至预定位置。在国外，该技术大量用于环保。(六)聚苯乙烯板块(EPS)聚苯乙烯板块称泡沫塑料，是由聚苯乙烯聚合物为原料，加入发泡剂制成的。它的主要特点是质量极轻、导热系数低、吸水率小，但也有一定抗压强度。其单位体积质量仅20.4～40.8kg/m3，为砂和混凝土的1/50～1/100，属超轻型材料；导热系数为λp＝0.03～0.038kcal／mH·℃，吸水率仅为O.15～0.20g/100cm3。由于其质轻，可用它代替土料，填筑桥端的引堤，解决桥头跳车问题。其导热系数低，故在寒冷地带，可用该材料板块防止结构物冻害，例如在挡墙背面或闸底板下，放置泡沫塑料以防止冻胀等。(七)土工合成材料粘土垫层(Geosynthetic Clay Liner简称GCL)土工合成材料粘土垫层是由两层或多层土工织物(或土工膜)中间夹一层膨润土粉末(或其他低渗透性材料)以针刺(缝合或粘接)而成的一种复合材料。它与压实粘土垫层相比，具有体积小、质量轻、具柔性、密封性良好、抗剪强度较高、施工简便、适应不均匀沉降等优点，可以代替一般的粘土密封层，用于水利或土木工程中的防渗或密封设计。国外大量用于废料坑的底部防渗衬砌和顶部封盖。产品的具体规格和用途可参见第六章第三节。第三节土工合成材料的耐久性和防护保养
一、影响耐久性的主要因素
土工合成材料的原材料是高分子聚合物。这种物质是链节结构，它对氧化(老化)十分敏感，容易发生降解反应和交换反应，导致材料破坏。为此，土工合成材料的使用寿命自然引起工程人员的高度关注。氧化包括热和温度引起的热氧化，以及阳光中紫外线产生的光氧化。其中光氧化的破坏作用很强，因为紫外线具有很大能量，能切断聚合物的分子链，或引发光氧化反应。此外，影响材料耐久性的还有化学与生物侵蚀、干湿作用、冻融变化和机械磨损等，但以日照紫外线的影响最重要。
各种原材料抗紫外线的能力以聚丙烯和聚酰胺最差，聚酯最佳，聚乙烯、聚氯乙烯介乎其间，颜色浅的比深的差。由于老化是从表层逐渐向内部发展，故产品厚的较薄的耐老化。
二、延缓老化的措施
老化是高分子材料的固有特性之一，不能完全消除，但如果采取有效措施，可以大大延缓。延缓老化的措施可以从两方面着手：一方面是在原材料中加人防老化剂，抑制光、氧、热等外界因素对材料的作用，如掺适量的抗氧剂、光稳定剂和深色碳黑等。有的单位在聚丙烯中加入防老化剂，经4年日光直接爆晒，强度仅损失25％，如果不加防老化剂，直接在日光下照射2～3月，强度即损失殆尽。另一方面是在工程中采取防护措施，如尽量缩短材料在日光中的暴露时间，用岩土(要求在30cm厚以上)或深水覆盖等。老化破坏程度常以材料的某物理力学量的变化率来反映，例如材料抗拉强度的损失或延伸率的变化等。
三、部分现场观测成果
以下是一些实际工程中土工合成材料经长期工作后的检测结果。
(1)1958年，美国佛罗里达州海岸护坡首先用PVC织造型土工织物作垫层，27年后取样试验，其性能仍十分良好。
(2)1965年，中国水利水电科学研究院在北京东北旺农场用PVC土工膜(厚0.12～0.15mm)铺在渠道上作防渗试验，埋在土下30～40cm，运行20年后仍保持良好防渗性。
(3)1970年，法国法拉克罗斯土坝用涤纶(聚酯)非织造土工织物作护坡垫层，运行6年后取样测定，抗拉强度仅减小8％。法国许多工程采用这种织物，运行12年后，绝大部分强度损失不到30％。
(4)1981年，葛洲坝水力发电工程二江泄水闸基础按长江委长科院的研究成果采用改性聚丙烯塑料管、聚氨脂泡沫塑料、涤纶织造土工织物的组合体作为基岩排水孔的过滤体。运行15年后抽样检测，发现织物在pH值为9.02～10.58的水下工作，其经向强度仅下降4％～8.5％，纬向强度下降7.5％～22.5％。
(5)西德汉诺威大学的试验表明，在有防护条件下，运行15年，涤纶织物强度损失不到5％，丙纶织物强度损失不到10％。而且老化速度随时间明显减缓。鉴于土工合成材料在工程应用中具有一定的抗老化能力，故有些国家的某些文件中对其使用年限作了较为宽限的规定，如前苏联BCH07-74《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。奥地利林茨公司发表的“聚丙烯土工合成材料的长期性状”一文中的结论写道：“对聚丙烯的15年以上的现场应用经验表明，它们的化学和生物稳定性高；织物的最大损坏是在施工中；铺设以后没有大变化；……可预期超过100年的稳定性”。
综上所述，根据经验和合理推论，一般认为土工合成材料的使用寿命至少在30年以上。事实上，英国NETLON公司对其产品的设计年限是120年。第四节 土工合成材料的性能和测试方法
一、土工合成材料性能指标的分类
土工合成材料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要求，并因此而选择不同类型和不同品种的土工合成材料。为使土工合成材料在施工期和运用期能正常工作，必须有合理的设计方法和使用规范，统一的设计指标，并通过实验验证。土工合成材料的指标一般可分为物理性能指标、力学性能指标、水力性能指标、土工合成材料与土相互作用指标及耐久性指标等。下面逐一加以简单介绍。(一)物理性能指标 1.单位面积质量
单位面积质量，系1平方米土工织物的质量，称为土工织物的基本质量，单位为g/m2。它是土工织物的一个重要指标。对于任何一种系列产品来说，土工织物的单价与单位面积质量大致成正比，其力学强度随质量增大而提高。因此，在选用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
指土工织物在2kPa法向压力下，其顶面与底面之间的距离，单位为mm。土工织物厚度随所作用的法向压力而变，规定2kPa压力表示土工织物在自然状态无压条件下的厚度。由图1-12可见不同类型土工织物的压缩量差别很大，其中针刺非织造土工织物的压缩量最大。因此，当考虑非织造土工织物水力特性时，必须注意到上覆压力变化使水力特性变化的特点。3．孔隙率
定义为非织造土工织物所含孔隙体积与总体积之比，以百分数(％)表示。该指标不直接测定，由单位面积质量、密度和厚度计算得到。可按下式计算
土工织物常用原材料的密度为：聚丙烯0.91g/m3，聚乙烯0.94～0.96g/m3，聚酯1.22～1.38g/m3，聚酰胺1.05～1.14g/m3，聚乙烯醇1.26～1.32g/m3，聚氯乙烯1.39g/m3。孔隙率与厚度有关，所以孔隙率也随压力增大而变小。有时织造和非织造土工织物的孔径和渗透系数很接近，但不能认为两者水力性能相似。非织物土工织物的孔隙率远大于织造土工织物，因此其具有更好的反滤和排水性能。(二)力学性能指标
针对土工织物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项试验中，试样为单向受力，其纵向和横向强度需分别测定；而后4项试验中，试样为圆形，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
抗拉强度也称为条带法抗拉强度，为单向拉伸。纵向和横向抗拉强度表示土工织物在纵向和横向单位宽度范围能承受的外部拉力，单位为kN/m。对应抗拉强度的应变为土工织物的延伸率，用百分数(％)表示。抗拉强度是力学性能中的重要指标。在各种功能的应用中对抗拉强度都有一定的要求。当用于加筋和隔离功能时，抗拉强度是主要的设计指标，而在排水和反滤功能的工程中，抗拉强度虽不是主要指标，但由于铺设过程中会受到扯拉、顶压、撕破等各种施工荷载，运用过程中也可能因建筑物变形而受拉，所以对强度也有一定要求。2.握持强度
握持强度表示土工织物抵抗外来集中荷载的能力，试验时仅1/3试样宽度被夹持，进行快速拉伸。土工织物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
撕裂强度表示沿土工织物某一裂口将裂口逐步扩大过程中的最大拉力，单位为N。4.胀破强度、CBR顶破强度、圆球顶破强度、刺破强度
这四个强度的试验都表示土工织物抵抗外部冲击荷载的能力，其共同特点是试样为圆形，用环形夹具将试样夹住；其差别是试样尺寸、加荷方式不同，各试验示意图见图1-13。不同顶杆尺寸模拟不同顶压物，如块石、树枝等。胀破强度单位为kPa，其他3项强度单位为N。此外，落锥强度也属此类，其试样尺寸与CBR相同，试验时一个重1kg的圆锥自50cm高处自由落下，测定试样被刺破的孔洞尺寸，单位为mm，该试验重复性较差。除抗拉强度外，其他各力学强度指标直接用于设计的情况还不多见，它们主要是做为参考指标，根据工程实际情况，便于对产品进行比较和选择。
（三）水力性能指标
水力性能指标主要为等效孔径和渗透系数，是土工织物两个很重要的特性指标。由于土工织物是与土共同工作的，对织物的基本要求是既能保土又能排水，这就要求土工织物的孔径很小(能挡住土)而排水又很通畅，两者看来是有矛盾的，而土的多变性更增大了问题的复杂性。某一土工织物对这种土是合适的，而对另一种土未必也是合适的。目前常用保土准则和透水准则来选择土工织物的等效孔径和渗透系数，即将土工织物的等效孔径和土的特征粒径建立关系式，同时将织物的渗透系数与土的渗透系数建立关系式，以求达到既保土又排水的目的。保土准则和透水准则由实验得到。由于实验时控制的条件不同，得到的准则也有差异。可按具体情况选择准则，有条件进行模拟实验则更好。鉴于目前仍以保土和透水作用做为选择土工织物反滤层的准则，因此等效孔径和渗透系数两个水力特性指标是反滤和排水功能中的重要指标。
1.等效孔径(表现孔径)以土工织物为筛布，用某一平均粒径的玻璃珠或石英砂进行振筛，取通过土工织物的过筛率(通过织物的颗粒质量与颗粒总投放量之比)为5％(留筛率为95％)所对应的粒径为织物的等效孔径O95，表示该土工织物的最大有效孔径，单位为mm。用同样的步骤，则相应得到O85、O50和Ol5的孔径值。土工织物的孔径分布曲线形状与土的颗粒分布曲线相似，见图l-14。
2.垂直渗透系数和透水率
垂直渗透系数为水力梯度等于l时，水流垂直通过土工织物的渗透速率，单位为cm/s。透水率为水位差等于1时的渗透速率，单位为1/s 3.水平渗透系数和导水率
水平渗透系数为水力梯度等于1时水流沿土工织物平面的渗透速率，单位为cm/s。导水率为沿土工织物单位宽度内的输水能力，单位为cm2/s。(四)土工织物与土相互作用性能指标 1.土—织物界面摩擦系数 埋在土中的土工织物，通过土—织物界面摩擦力将外荷传递至土工织物，使土工织物承受拉力，形成加筋土。工程实例有加筋土挡墙、堤基加筋垫层等。按试验方法可分为直剪摩擦系数和拉拔摩擦系数。2.土 织物渗透特性
土—织物联合应用时，如何使土工织物能长期保持良好的保土及排水性能，不发生淤堵，目前还没有满意的理论准则。为判断织物是否会发生淤堵，可进行长期淤堵试验或梯度比试验，前者试验历时达500～1000h，后者需测试24h或更长。两种试验都还存在一些问题，有待积累经验逐步改进。(五)耐久性能指标
耐久性能指标主要有耐磨、抗紫外线、抗生物、抗化学、抗大气环境等多种指标。大多没有可遵循的规范、规程。一般按工程要求进行专门研究或参考已有工程经验来选取。(六)有关土工合成材料功能、设计指标种类及其品种的考虑 在表1-3中列出了土工合成材料用作不同功能时，其常用的设计指标种类和通常选用的材料品种。
二、测试方法
(一)试验操作和资料整理时应泣意和遵守的事项 1.制样原则
每项试验一般剪取6～10个试样，应从卷材长度和宽度方向上随机剪取样品，距卷材边缘不小于100mm。同一项试验的各试样应避免它们位于卷材同一纵向或横向位置上。2.试样调湿
大多数织造或非织造土工织物在测试时对试验室无温湿控制要求，只要记录试验时温度和湿度即可。而一些对温度较敏感的土工合成材料，如土工格栅、土工网等，试验前应对试样进行调湿，即将试样在温度为20土2℃和湿度为65土5％环境中静置24h以上，然后在该环境下试验。3.夹具
在力学指标试验中离不开夹具，单向拉伸用扁夹具，圆形试样用环形夹具。都要求夹具能均匀可靠地夹住试样，应能防止试样在钳口内打滑，且不会被夹坏。当有打滑或夹坏现象时应采取下列措施：①钳口内加衬垫；②钳口内试样用涂料加强；③改进钳口面。在试验过程中应随时观察夹具边缘试样是否有打滑或局部损坏现象。任何打滑、夹坏或局部损坏现象均将大大降低测试结果。4.资料整理
式中符号意义见式(1-2)。
Cυ反映样品的均匀程度。当样品很不均匀，测试值变化范围较大，Cυ就大，平均值的代表性就差。增加试样数量，平均值更具代表性，同时Cυ下降。(3)按式(1-5)计算所需要的试样块数nN。
上式表明了试样个数与Cυ 的关系。土工织物均匀性越差，要求试样的数量就越多。非织造土工织物均匀性比织造土工织物差些，因此前者的试验通常取10块试样，而后者可取6块。对于同一等级的两个产品，由Cυ值可比较两者的均匀性。(二)几项主要试验测定方法的一些问题
关于土工合成材料各项指标的测定方法可参阅有关的规程规范，这里只对几项测定技术比较复杂的项目作些说明。
1.孔径试验(干筛法)中的几个问题(1)振筛用的颗粒材料，按标准筛孔径分级如下：0.063～0.075mm，0.075～0.090mm，0.090～0.106mm等等。
(2)需测定孔径分布曲线时，应取得不少于3～4级连续分级颗粒的过筛率，并要求试验点均匀分布。若仅测定等效孔径O95，则有两组的筛余率在95％左右即可。
(3)孔径试验有干筛法、湿筛法、显微镜直读法、水银压入法等，不管哪个方法都存在一些问题。最近国际标准(ISO)及我国国标(GB)都规定孔径试验采用湿筛法。但实际应用中国内和国外都普遍采用干筛法。
(4)孔径曲线的纵标为筛余率。由于筛余量包括了留在织物上面和嵌在织物内的颗粒，因此是不容易直接测准的，而过筛量可以准确测定，所以通常测定过筛量，计算筛余率。2.拉伸试验中的几个问题
(1)目前国内试验室大多采用窄条试样，即试样宽50mm、长100mm。国际上大多采用宽条试样，试样宽200mm、长100mm。这两种试样的试验方法相同，但宽条试样试验要具备一对实际有效宽度为210mm的夹具，试验荷载相应增大，操作技术也复杂一些。目前国际上只认定宽条法试验成果，为此国内有关部门还需不断改进设备、提高操作技术，逐步过渡到宽条法。
(2)拉伸过程中应记录拉力 伸长量曲线。目前设计往往要求提供某一应变时的抗拉强度，有时要求提供初始模量，两者都由拉力 伸长量曲线上获得。
(3)握持试验和撕裂试验的方法与条带拉伸试验方法相似，仅夹持方法不同。握持和撕裂试样如图1-15所示，图中阴影线部分为夹持部分。由图可知，握持试验夹持面积(长×宽)为50mm×25mm，撕裂试验夹持宽度为84mm。两试验拉伸速率为100mm/min。拉伸过程中最大拉力即为握持强度或撕裂强度，单位为N。
(4)土工带、土工格栅和土工网等的抗拉强度试验方法类似，而取样方法各不相同。土工带取整条带进行拉伸，计量长度100mm，拉伸速率为50mm/min。拉伸过程中的最大拉力即为土工带的抗拉力，单位为kN。土工格栅和土工网试样，在宽度和长度方向上均以一根筋(或一孔)作为单元进行拉伸。拉伸速率每分钟为试样计量长度的20％。拉伸过程中的最大力为一根筋(或孔)的拉力，再计算l米宽度范围内的筋(或孔)数，即可得出每米宽的抗拉力，即抗拉强度，单位为kN/m。
(5)拉力机上配一反向器即有加压功能，可进行刺破和圆球顶破试验。两种试验的试样直径相同，可用同一环形夹具，再分别配一个φ8mm顶杆和一个φ25mm圆球顶杆即可。项压速率为100mm/min，单位为N。
对于CBR试验，试样直径φ150mm，顶杆φ50mm，通常在压力机上加压，顶压速率为60mm/min，单位为N。另胀破试验应用专门设备进行试验。3.垂直渗透试验中的几个问题
(1)垂直渗透系数的定义为水力梯度等于1(或单位水力比降)时的渗透速率。这并不是规定试验时的水力梯度为l。试验用的水力梯度变化范围较大，主要由织物的透水程度、测读精确度和保证层流条件而定。
(2)通常进行无压下的垂直渗透试验，而实际工程上都是有压的。有压时的垂直渗透系数很重要，但试验比较困难。若要在试样上加压，势必在试样上面有加压板，同时在试样下面有托板。这上下两块板，即使用开孔面积很大的板，也会影响试样的过水面积。目前还没有直接测定的好办法。
(3)渗透试验采用单片试样还是多片试样取决于试样类型。从理论上说，用单片试样最好，但往往难以实施。如非织造土工织物由于孔隙大，透水性大，若用单片，则要求所用的水位差很小，但过小的水位差测读误差大，为此应该加大渗径长度，取多片试样进行测试。通常非织造土工织物试样的总厚度应达到20mm左右。对于织造土工织物，视其孔隙而异，有时用单片，有时用2～3片。
(4)土工膜的防渗性能也可用垂直渗透系数表示。一般土工膜的渗透系数值小于1×10-11cm/s。试验原理与土工织物垂直渗透试验相同。不同之处有，试验在有压力(一般为100kPa，相当于1000cm水位差)下进行，由于渗水量很小，试验持续时间较长。
第二章 土工合成材料的功能和设计原则
土工合成材料具有多方面的功能，一种土工合成材料往往就兼有数种功能。随着土工复合材料的发展，所兼有的功能就更多。总的说来，土工合成材料的主要功能可归纳为六类，即反滤功能、排水功能、隔离功能、防渗功能、防护功能以及加筋和加固功能。现分别加以叙述。有关各种材料在不同工程中的应用原则和施工方法参阅后续各章。第一节 反滤功能
一、反滤作用
当土中水流过土工织物时，水可以顺畅穿过，而土粒却被阻留的现象称为反滤(过滤)。反滤不同于排水，后者的水流是沿织物表面进行的，而不是穿越织物。当土中水从细粒土流向粗粒土，或水流从土内向外流出的出逸处，需要设置反滤措施，否则土粒将受水流作用而被带出土体外，发展下去可能导致土体破坏。土工织物可以代替水利工程中传统采用的砂砾等天然反滤材料作为反滤层(或称滤层)。
用作反滤的土工织物一般是非织造型(无纺)土工织物，有时也可以用织造型土工织物。
二、典型应用(举例)堤坝工程中可以用土工合成材料作滤层的情况很多，以下是一些常见的使用场合。（1）堤坝粘土斜墙和粘土心墙的反滤层。（2）堤坝内部和下游排水体滤层。
（3）渠道、堤防、海岸等乱石或混凝土板护面下的滤层。（4）水闸分缝处、下游护坦、河漫下的滤层。（5）挡土墙、岸墙等背面排水系统中的滤层。（6）排水暗管或排水暗沟外面的包裹体。（7）减压井或测压管的外裹体。以上应用的示意见图2-1。
此外，公路和机场跑道的基层，铁轨下道渣与土基间的隔离层等，也都同时要求反滤功能。
三、反滤和淤堵机理
以往的直观概念都认为土工织物起反滤作用等同于过筛作用，后来的研究却证明土工织物所以发挥反滤功能主要是由于它具有促进天然滤层形成的“催化”作用。另外，当土工织物作为滤层而长期作用时，发现有淤堵现象，从而使其反滤作用减弱或至消失。为此需要弄清淤堵的成因，方能有效地防止淤堵发生。
（一）反滤机理
土工织物的反滤作用可以用图2-2来说明。图中左侧为大孔隙堆石体，右侧为被保护土，二者之间夹有起反滤作用的土工织物。当水流从被保护土自右向左流入堆石体时，部分细土粒将被水流挟带进入堆石体。在被保护土一侧的土工织物表面附近，较粗土粒首先被截留，使透水性增大。同时，这部分较粗粒层将阻止其后面的细土粒继续被水流带走，而且越往后细土粒被流失的可能性越小，于是就在土工织物的右侧形成一个从左往右颗粒逐渐变细的“天然反滤层”。该层发挥着保护土体的作用。可见土工织物的存在只是起了促成天然反滤层形成的“催化”作用。(二)淤堵机理
土工织物中的孔道被堵塞，过水面积减小，渗透性下降的现象称淤堵。形成淤堵的原因可分为机械淤堵、化学淤堵和生物淤堵。一般情况下，机械淤堵为主要形式。
机械淤堵是土体中的细颗粒随水流进入土工织物孔隙中，并停留其中，随时间增长，停留的细粒愈来愈多，织物的透水性愈来愈小。化学淤堵是由于渗流水中的各种离子，受化学作用形成不溶于水的化合物，如CaC03、Fe02等，停留于织物孔隙中，减少水流通道从而降低织物的渗透性。生物淤堵是土体或土中水内的藻尖、菌头微生物和有机质在织物孔隙中滋长繁殖，堵塞孔隙所造成。
淤堵对织造型和非织造型土工织物有着不同影响。织造型织物孔口通道单一，管状通道间不连通，故孔口或通道内任一处被堵塞，整个通道即不通。针刺非织造土工织物则兼有垂直和水平结构，而且它们之间是相通的，织物孔隙呈迂回树枝状的立体结构，水分进入后即可相互串通，所以即使大部分孔隙被堵塞，仍可保持相当的透水性。
四、反滤设计准则
为了让所选用的土工织物能长期发挥反滤作用，对织物应该提出一定的要求。正像以往采用粒状土料(砂砾料)作反滤层时那样，应使土料粒径符合一定的准则。对用作反滤的土工织物，基本要求如下，(1)被保护的土料在水流作用下，土粒不得被水流带走，即需要有“保土性”，以便防止管涌破坏。
(2)水流必须能顺畅通过织物平面，即需要有“透水性”，以防止积水产生过高的渗透压力。(3)织物孔径不能被水流挟带的土粒所阻塞，即要有“防堵性”，以避免反滤作用失效。(一)保土性准则
既然要求织物保土，则织物的孔径与土的粒径之间就必须符合一定的关系。孔径过大，土粒会穿过孔洞而流失；过小又妨碍透水和容易被堵塞。
借鉴传统的粒状土反滤层的保土要求，并依据众多的试验研究表明，为了保土，织物的某等效孔径Oe和被保护士的特征粒径d85之间应该符合以下关系：
式中Oe是一个由试验测得的等效孔径值。目前国内外采用最多的是Oe＝O95，或者Oe＝O90。O95和O90之间的统计关系为O95/O90≈1.2。d85是被保护土的一个特征粒径，可从被保护士的颗粒分析试验曲线上查得，它表明土中粒径小于该值的颗粒的质量是全土质量的85％。而式中的n则是与土中的细粒(土粒粒径d≤0.075mm的部分)含量和不均匀系数Cu(＝d60/d10)等相关的经验系数。
SI/T225—98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》规定，Oe＝O95，n一般为1～2，选用该值的详细规定请参考该《规范》。必须指出，以上对n值的规定是针对一般水流情况而定的，对于较为复杂的情况，例如对有往复水流或有动力作用的情况，则织物的孔径应该要求大一些。因为在往复水流情况下，织物的保土侧难以形成“天然反滤层”；对有浪击的情况，负压会通过织物孔隙对土产生抽吸作用，等等。鉴于上述情况，故SL/T225—98对此作出如下规定：
另外在一些特殊场合的特殊工程，如防汛抢险，往往要求滤层中水流十分畅通，此时需要采用孔径较大的材料，有时甚至采用窗纱来做反滤。(二)透水性准则
目前对土工织物透水性的要求，是以织物和被保护士的渗透系数的相对关系来表示。规范对此作了如下规定：
(1)被保护土级配良好，水力梯度低和预计不致发生淤堵(中粗砂等)时
(2)若排水失效会导致土体结构破坏，且修理费用高，或水力梯度高，流态复杂等情况
有的标准要求比式(2-4)中10更大的系数，是考虑土工织物在实际工作中，其渗透系数可能会由于织物被阻塞或受压变薄而降低的情况发生。(三)防堵性准则
为防止土工织物在长期工作中被淤堵，应该用选定的织物和被保护的现场土料作较长期试验来检验。这样做费时费事，因此SL/T225—98对于土工织物防堵性提出了以下要求：(1)被保护土级配良好，水力梯度低，流态稳定，修理费用小及不发生淤堵时
(2)被保护土易管涌，具有分散性、水力梯度高、流态复杂、修理费用大的情况。
这里需要解释一下“梯度比”的意义。梯度比是美国陆军工程师团为了用较短时间判断土工织物滤层的工作状态而建议的一个指标，由淤堵试验装置测定，如图2-3。图中的6代表待测定的土工织物，它被安放在作为支承体的透水铜丝布7上。织物上面是由现场取来的并按要求压实的土。在织物上面25mm和再上面50mm处的试验筒两侧壁上，各安装有测压水管(同一高程两侧各设一管是为了取其平均值作为测读水位)，试验筒顶不断供水，使水流通过土体、织物，由图中的调节管8排出。量测通过上面50mm土层后测压管的水位差，计算出相应的梯度is；同样量测通过下面25mm土层和土工织物的测压管水位差，计算出相应的梯度isg。后一梯度对前一梯度的比值，即GR＝isg/is称为梯度比。GR≤3的准则可以转化为渗透系数的概念。按此，应该有
附带说明，上面所述的和其他一些现有的保土准则都是针对非织造型土工织物制定的。对于织造型土工织物，现在还没有公认的准则，SL/T225—98的条文说明中介绍了部分单位的经验，可供参考。另外，为了防堵，许多专家主张，采用的土工织物的孔径宜较准则要求的适当加大。
五、设计要点
采用土工织物作为反滤层时，首先要求选用的材料必须满足反滤准则；其次，它们在铺设后必须是稳定的；再次，虽然它们并不是作为受力部件来作用，但需要有一定的强度，应能承受施工应力和可能遇到的其他荷载。因此一般的设计应该包括以下内容。(一)提供必要的基本数据
1.被保护土的主要物理力学性指标
被保护土的主要物理力学性指标包括：土的分类、颗粒分析曲线(由此可查取土的特征粒径d85、d60、d15、d10…)、土的不均匀系数Cu＝d60/d10、土的渗透系数K、土的抗剪强度指标、土的化学成分等，它们可由试验确定。2.填土的性质指标
填土的性质指标即回填土的击实试验曲线，从曲线上确定填土的最大干容重γdmax和最优含水率Wop。
3.待选土工织物的性质指标 待选土工织物的性质指标包括土工织物的单位面积质量M、等效孔径O95、垂直渗透系数Kυ、水平渗透系数Kh、抗拉强度以及由淤堵试验测得的梯度比GR等。(二)一般的强度要求
织物要求的强度T很难计算确定，通常可以根据经验按以下情况取值。
(1)一般闸坝，要求无纺土工织物的M≥300g/m2，T≥8.0kN/m，纵横向强度比为2/3～3/2(M为单位面积质量，T为抗拉强度)。
(2)预计应力较大时，M≥400g/m2，T≥10kN/m，纵横强度比为2/3～3/2。(3)应力更大时，M≥500g/m2，T≥12kN/m，纵横强度比为2/3～3/2 第二节 排水功能
一、排水作用
水利工程中需要将土中水排走的情况很多，例如堤坝工程中降低浸润线位置，以减小渗流力；挡墙背面排水，以消减水压力，提高墙体稳定性；土坡排水，减小孔隙压力，防止土坡失稳；隧道和廊道排水，以减轻渗水压力；软土地基排水，以加速土固结，提高地基承载力等等。传统的排水材料多采用强透水粒状材料，土工织物用作排水时兼起反滤作用，同时，不致因土体固结变形而失效，它具有施工简便，缩短工期，节约工程费用等优点。
二、典型应用(举例)以下是堤坝工程中可以应用土工合成材料作为排水设施的一些常用场合。(1)堤坝体内烟囱式排水及下游排水褥垫层。(2)堤坝防渗土工膜下的排水、排气垫层。(3)设于水力冲填坝中的孔压消散层。(4)土堤下游坡的排水层。(5)挡墙及岸墙后的排水层。
(6)加速软基固结的排水带或排水板。
(7)冻胀区用于截断毛细水上升，防止冻害；干旱区防止毛细水上升造成盐碱化。
三、设计要点
土工合成材料用作排水体的设计方法与反滤层的基本相同。但由于在此项用途中，织物应有足够的平面排水能力以导走来水，所以要进行排水能力的校核。本节先介绍一般的排水设计方法，而后再就几种特殊情况，做些说明。(一)一般的排水设计 1.所需的基本资料
与反滤设计中要求的类似，应提供土体的物理力学特性，如土的分类、土的颗粒分析曲线、土的渗透系数等；有关地质、水文资料；来水量(或根据条件估算)；土与水的化学成分等。另外，应提供待选土工织物的厚度δ、等效孔径O95、水平渗透系数Kh、垂直渗透系数Kυ等。
2.以反滤准则检验待选土工织物
用于排水的无纺土工织物首先应符合反滤准则，故待选材料应先按第一节中的三项准则逐一加以检验，如不合格，应更换其他合格材料。3.排水能力校核
这里我们先介绍一种反映土工织物透水性的指标。土工织物排水是依靠其平面渗透性，按照理论应该以其水平渗透系数Kh来表示。但是，由于织物埋在土内要受到一定的压力，其厚度δ要变薄，垂直渗透性和水平渗透性都将减小，为了回避可变的厚度δ，根据达西定理，推导出反应织物渗透性的另外两个指标：
式中： q表示单位宽度的来水量；△h为土工织物上下两侧的水位差值；A为通过水流的面积； i为水流通过织物时的水力梯度。某种土工织物用作排水时是否合适，需要先计算两种导水率：一个是由需要排除的水量q(亦即来水量)计算得要求的导水率θr，另一个是根据所提供织物的指标算出的织物可提供的导水率θa，按以上所述，它们可以按式(2-10)及式(2-11)计算：
式中：Fs是安全系数，一般应不小于3；q为来水量，可以借流网法或其他方法估算(可参考有关资料)。
式(2-11)如果得不到满足，可以更换厚一些的织物，或改用排水量大的其他排水土工合成材料。
(二)烟囱式排水布置
上游来水流到竖向排水体土工织物(图2-4)，将沿织物往下流，通过下游底部排水层导向堤外。
这种情况下的计算与上述
（一）中所述的基本相同，即先按流网估算进人烟囱式排水体的来水量q，由此按式(2-9)算出θr(其中的i＝sinβ)；其次由提供的土工织物指标，按式(2-10)算出θa；再由式(2-11)检验提供的织物是否合适。
要注意的是流入织物的渗流量是由上而下累计增大的，如图2-4(b)，其底部流量最大，应该逐段验算。
(三)堤坝底部排水层
软基上堤坝底部铺设土工织物作为排水层的示意如图2-5。饱和软土地基在堤坝重力作用下将排水固结，排出的水量通过土工织物向两侧流走。
这种情况的排水计算较前述的稍复杂，因为它要涉及土的固结计算。这里不作详细介绍，仅写出以下公式作为参考。式(2-12)假设土工织物的最大承压力为地基中最大水压力的10％～15％，并根据单向固结理论推导得出：
式中：B为堤坝底宽；Ksυ是地基土的垂直向渗透系数； Cυ为土的固结系数，它是由地基土的固结试验求得的反映固结快慢的一个指标；t为筑堤的时间。同样，可按式(2-11)检验所采用的织物是否有足够的导水能力。(四)塑料排水带垂直排水设计
在第一章中已简单介绍了塑料排水带的构造，它是由塑料排水芯材外包非织造土工织物(滤膜)构成的一种土工复合排水材料，在软土地基加固中应用广泛。这种材料是由早期的“排水砂井”演变而来。
利用砂井加速软土地基固结的基本概念如下：假设有一处饱和软土地基，如图2-6(a)，在其表面施加外荷载(建筑物重量)，土中会产生超过静水压力的孔隙水压力，于是，土体中多余水分逐渐从排水面(地表)排出，这种现象称为排水固结。当土层厚度H(假设其下为不透水层)较大时，排水行程(即H)太长，土层完成排水固结的时间也将增大。若粘土渗透性小，则固结时间需要很长，故建造在软土上的建筑物将长期处于持续下沉的状态。为了加速固结，可以在软基中设置垂直方向的砂井(砂井是用造孔机械在平面上按一定间距和布置方式(常为正方形或梅花形分布)造孔(一般穿过软土层)，同时填入砂料，形成砂柱，如图2-6(b)。砂柱为软土提供了排水面，排入砂柱的水向上进入地面的砂垫层，再沿水平方向排走。根据固结理论，排水固结的时间与排水距离的平方成反比。例如在图2-6中，不设砂井时的最大排水距离为H，设砂井后，相应距离为de/2。式中的de约为砂井间距，则为达到一定的固结度后者所需的时间t与前者时间T的关系为：t＝[（de/2）2/H2]T，所以只要调整de，即可使固结所需的时间缩短到要求的时间。事实上，所需时间比上式计算的还要短一些，因为在砂井水平排水的同时，还有土层自身的垂直向排水。
砂井设计的要点在于按现有的土质特性(固结系数Cυ等)、砂井的直径和深度，现有的造孔设备规格(孔径和造孔深度)，以及许可的固结时间，通过三维固结理论来估算砂井的分布间距。很明显，间距愈小，固结将愈快，但为了使地基土不因砂井造孔而过分地扰动，砂井的间距不宜过小，一般为2～3m。
塑料排水带加速地基固结的概念与砂井的完全相同，只是以截面为矩形的排水带代替了截面为圆形的砂井，排水带计算仍然采用砂井理论中的固结理论，所以需要将排水带截面的周长(宽度和厚度分别为b和δ)转化为等效砂井直径d，显然d＝（2/π）(b十δ)。这样排水带就可以完全按直径为d的砂井设计。
在塑料排水带插带过程或砂井施工过程中，不可避免会引起地基土的扰动，并因此在排水带或砂井周围形成一相对不透水的土层，这种因对地基土扰动引起透水性降低的作用，称为涂抹作用。同时，塑料排水带或砂井的导水能力需要在一定的水头差作用下才能起作用，以排出从地基土流人的水量，这种砂井导水能力的有限性可称之为井阻。考虑涂抹和井阻作用的计算方法很多，有的方法可估算扰动土层的范围和渗透系数，以及塑料排水带的渗透系数，然而，这些量的确定仍然是困难的。这里不再介绍有关的计算方法，仅引用《建筑地基处理技术规范》中的规定：对长径比较大和井料渗透系数小的袋装砂井或塑料排水带，应考虑井阻作用，当采用挤土方式施工时，尚应考虑土的涂抹和扰动影响。考虑的方法是将理想条件下计算得到的平均固结度乘以0.80～0.95的折减系数。
用以上介绍的方法进行软土地基的排水固结计算一般已能满足工程设计的要求。在设计中还可针对实际情况进一步考虑其他因素(如分级加载，井深不穿过软土层，或地基土强度等)的影响，这里不再作进一步介绍，如有需要可参考有关文献。第三节 隔离功能
一、隔离作用
隔离是指在两种物理力学性质不同的材料之间铺设土工合成材料，使它们不互相混杂。例如将碎石和细粒土隔离，软土和填土之间隔离等等。隔离可以为工程带来许多预期的良好效应，举简例说明如下：
(1)通过隔离层，引起应力扩散作用，使地基土的沉降量得到一定程度的均化。(2)隔离提供排水面，加速地基土固结，使承载力提高。
(3)隔离层起整体性作用，可使要求的地基粗粒料支持层的厚度减少，节约建筑材料。(4)地基中有部分软弱区域，或有小范围洞穴，铺隔离层有架桥作用，以掩盖和减弱洞穴区或软弱区的影响。
(5)在地下水位较高的地基中，隔离层可以切断毛细水上升，防止盐碱化，或减弱冻胀。(6)道路基床中，隔离是防治翻浆冒泥的有效措施。(7)隔离层还起一定的保温作用。前面已经谈过，一种土工合成材料常具有多种功能。利用它作为隔离层，更能说明这一特征，在水利工程中，经常遇到的是水流从土体中通过，有时要穿越颗粒粗细不同的土层，或从土体中流出。因此，应用于隔离的材料除要求有一定的强度外，还需要有足够的透水性，让水流畅通，避免引起过高的孔隙水压力；有足够的保土性，防止形成土骨架的土粒流失，保证土体稳定性；堤坝坡防护层下的土工织物垫层要保护垫层下的土体不被冲刷带走，实际上也起到隔离作用。由此看来，隔离功能往往不是单独存在的，它常与排水、反滤，甚至防护功能连系在一起，难以截然分开。
本节中所述的隔离作用主要侧重于那种用于持力层，因而对材料的抗顶破和刺破能力特别需要关注。
二、材料及其应用举例
用于隔离的土工合成材料应以它们在工程中的用途来确定。应用最多的是有纺和无纺土工织物。如果对材料的强度要求较高，有时还要求以土工网或土工格栅作为材料的垫层。当要求隔离防渗时，则需要土工膜或复合土工膜。
水利工程中要求隔离的实例很多，兹举典型的如下：(1)堤坝粘土心墙和斜墙上下游的过滤层。(2)堤坝排水体与坝体的隔离层。
(3)岸坡防护层下的垫层以及地基上填筑粗粒料时的界面隔离层等。
为了重点阐明隔离层的受力状态，可以图2-7作示意性解释。图2-7(a)为在粗粒土上覆盖细粒土，并有荷载作用；图2-7(b)与图2-7(a)相反，为在细粒土上填筑粗粒土；图2-7(c)则既有粗、细粒土的相邻，又有渗流运动；图2-7(d)则是在两种不同界面处有孔穴存在。在这几种情况中，明显看出，在标有号码“1”处，隔离材料在粗粒土的孔隙部位或两种材料界面的孔穴部位将受到来自受压软土的挤顶作用，为此，要求隔离材料必须有足够的抗顶破能力；在标有号码“2”处，隔离材料则将受到由粗土粒棱角施加的穿刺力，故隔离材料还应有抵抗刺破的能力。
三、工程设计要点
设计及验算的内容应根据隔离层预计的工作条件来确定：(一)非持力层情况
隔离层不要求承受施工应力以外的较大荷载，不需要按受力部件来考虑，则按本节中“反滤”和“排水”两段所述要求来选择隔离材料即可。
(二)持力层情况
如图2-7所示情况，受上覆荷载作用，隔离材料有抵抗顶破和刺破的要求，则除满足反滤和排水准则，还需要对其进行力学分析。由于力学分析与Mullen胀破试验及CBR顶破试验紧密相连，因此有必要在这里先简单介绍这两种试验的情况。1.胀破和顶破试验
(1)Mullen胀破试验。这个试验是为了模拟土工织物铺在凹凸不平的层面上受到挤压，评价其强度而设计的。所用仪器如图2-8。环形夹具中间为一可扩散的薄膜(加筋的人造橡胶)。试验时将土工织物试样覆盖在薄膜上，用环形夹具将其夹紧，然后开动机器加液压，使薄膜连同土工织物同时鼓胀，直到织物被胀裂，将胀破压力扣除使薄膜扩张至胀裂状态所需的压力称胀破强度或顶破强度。
(2)CBR顶破试验。这个试验是为模拟粗粒石料对土工织物的顶压作用，评价其强度而设计的。试验所用CBR试验仪如图2-9。试验方法是将土工织物试样紧夹在图2-8(a)的环形夹具中，然后用图2-8(b)中直径为50mm的CBR仪的圆柱顶压杆在织物平面垂直向以一定速率顶向织物，直至试样被顶破，顶破过程中的最大顶压力称顶破强度或刺破强度。
2.力学分析
故用作隔离的土工织物的Mullen试验的顶破强度应不小于按式(2-13)算得的数值。有的学者建议dc取值如下： 带棱角颗粒dc＝（1/4）d50 圆钝颗粒 dc＝（1/2）d50
故用作隔离的土工织物的刺破强度应不小于按式(2-14)算得的数值。第四节 防渗功能
一、防治作用及其应用举例
防渗是防止流体渗透流失的作用，也包括防止气体的挥发扩散。日常生活中要求防渗的事例很多，水利工程中要修建大量的挡水蓄水、引水和输水等建筑物，更有防渗、防漏的要求。在水利工程中常见的防渗工程可列举如下。(1)堤坝的防渗斜墙或心墙。
(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、海漫与护坦的防渗。(6)隧道和堤坝内埋管的防渗。(7)施工围堰的防渗。
图2-11是一些防渗结构的示意。
以往的防渗材料大多为透水性低的粘土、沥青油毛毡和各种涂料，它们的用量大，施工复杂，还往往出现干裂等质量事故。土工合成材料为防渗材料增加了一种极有前途的品种，国内外的使用经验证明，土工膜用于防渗效果很好，质量轻，运输方便，施工简单，造价不高，只要使用得当，在绝大多数情况下，完全可以替代传统的防渗材料。但是，为了保证土工膜发挥其应有的防渗作用，应该注意一些关键性问题。
(1)土工膜材质。土工膜的原材料有多种，应该根据当地的气候条件等进行适当选择。例如在寒冷地带，应考虑土工膜在低温下会不会变脆破坏，是否会影响焊接质量；土质和水质中的某些化学成分会不会给膜材或粘结剂带来不良作用等。
(2)排水、排气问题。铺设土工膜后，由于种种原因，膜下有可能积气、积水，如不将它们排走，可能因受顶托而破坏。
(3)表面防护。聚合物制成的土工膜容易因日光紫外线照射而降解或破坏，故在储存、运输和施工等各个环节，都必须时时注意封盖遮阳，特别是在施工过程中，应尽量缩短其外露时间，原则上应随铺随用土覆盖。
二、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，要求按一定的结构形式铺设。原则上防渗结构应包括5层，如图2-12。1.防护层
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、风化浸蚀、冰冻破坏和遮蔽日光紫外线而设置。该层由透水的堆石、砌石或预制混凝土板构成，要求有一定厚度。2.上垫层
上垫层是防护层和下卧土工膜之间的过渡层，由于防护层多是大块粗糙材料，如果直接置于土工膜上，很容易破坏土工膜，如果防护层的块体有移动，更会伤害膜材，因此上垫层必须做好。上垫层可以采用透水性良好的砂砾料，厚度应不小于10cm，根据具体情况，有时也可采用无砂混凝土或沥青砂浆等；如果防渗材料采用的是复合土工膜，则膜两侧的非织造土工织物可以起保护膜的作用，不必另设垫层。3.土工膜
土工膜是防渗主体，除要求有可靠的防渗性外，还应该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，故也有强度要求。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确定。单一土工膜表面光滑，摩擦系数小，铺在坡面上要考虑下滑的可能性。为此，在可能条件下，一般要求采用复合土工膜，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；另外，也有地方将单膜加上纹路以增加糙度；再有则是从铺设方式上着眼，例如按锯齿形、台阶形铺设，或在坡面上设戗台等(图2-13)。
4.下垫层
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，确保膜的稳定；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，这时的下垫层由砾石、细砾和砂构成，三者之间的粒径应符合一定的层间关系。如果采用的是非织造土工织物复合膜，而且是用于碾压式土坝，则下垫层一般可以省去，因为非织造土工织物已经可以起到保护和排水排气作用，而且又增加了与土工膜的摩擦力。
下垫层对土工膜起支持层的重要作用。如果土工膜直接放在粗粒料上，在水压力作用下，它会被压进粗粒的大孔隙中，而被拉破。相反，如果膜下为平整硬层或细粒土料，则情况就会不同了。前人的试验研究证明，0.25mm厚的聚乙烯土工膜铺在级配良好的砂卵石层上，作用水头甚至达到200m，土工膜也没有破坏，这表明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。除上述的下垫层外，支持层还可采用级配良好的压实土层，粒径应根据膜厚来选择。有学者建议，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。如果是碾压式土石坝，由于其坝面平整，又有较大密实度，可以不专门设置支持层。
三、设计要点(一)堤坝的防渗
土工膜仅是土石坝的一个组成部分，其总体布置、设置范围与高程等应遵循SDJ218—84《碾压式土石坝设计规范》的规定。针对土工膜的核算有两方面。1.稳定性验算
心墙土工膜不存在滑动失稳问题，对于斜墙稳定目前主要验算两种失稳情况。
(1)土工膜以上的防护层、上垫层连同膜本身沿下垫层或支持层面的滑动。这种情况一般不致发生，因为膜上端要求固定于坝顶，加之膜下下垫层要求透水，不致产生过高的孔隙水压力使接触面强度降低。这种形式的破坏可不考虑。
(2)土工膜以上防护层和上垫层沿土工膜表面的滑动。这种情况的抗滑稳定验算一般采用土力学中的极限平衡法。由于土坡有不同工况，验算需要按正常运行(即水位保持不变，堤坝内有稳定渗流和非常情况(通常指外水位由某水位快速下降到某一低水位)进行。对于非常情况，还有上垫层材料是透水和不透水之分，后一情况是当该层与膜的交界面处存在过高的孔隙水压力，使强度显著下降造成的，这是验算中的一种最危险的控制工况。2.土工膜下的排水能力的验算
前面已经提及，堤坝坡面铺土工膜后，其下仍将会有一定的渗流量，应该及时充分排除，以避免孔隙水压力的产生。但是，对此迄今还没有较好的估算方法，最好是采取防预措施较为稳妥。例如采用非织造土工织物复合土工膜，通过织物排水，就是一种方便途径。若预计来水量较大，则不妨用较厚的织物复合，甚至在膜下再铺薄砂层。以上两种验算的具体方法可以参考有关规范。(二)堤坝前的水平防渗铺盖 土石堤坝建在透水地基上，当地基厚度过大，采用其他方式防止地基渗流不经济或不可能时，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，以增加渗流路径，减小渗透坡降，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，故以往常用的材料为粘性土。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，而且施工相当方便，只要正确应用，就能收到良好的效果。
土工膜铺盖设计与粘土铺盖的基本相同，主要是根据透水地基的厚度、地层土渗透系数、坝前水深和地层土容许的渗透坡降等指标，通过水力学计算来确定垂直于堤坝轴线的合理长度。
根据规范，土工膜所需厚度应按作用水头，地层中可能存在裂隙的形状与大小，以及膜材的抗拉强度和破坏应变等，借薄膜理论来估算，根据经验，对于中水头堤坝，要求厚度一般为0.5～0.6mm。土工膜铺盖长度也应按计算确定，不过，大量的工程经验表明，长度取为坝前水深的5倍左右即可，太长了效果不大。
应指出：①土工膜下应该设反滤层，以防止铺盖万一穿孔时造成地层土流失，采用非织造土工织物的复合土工膜可以同时满足运行需要。②大面积铺盖下很可能会积水、积气，应根据具体情况设排放措施，将它们排除，例如在膜下建纵横排放沟或采用专门的排放设备(如逆止阀)。③注意铺盖和堤坝防渗体、与其连接的结构物以及岸坡的有效连接，以形成完整的封闭防渗系统。
与建铺盖类似，土工膜也可用于库区防渗。使用时，将其妥善地铺在需要堵漏的部位。(三)地基垂直防渗墙
垂直防渗墙是在透水地基内造孔或挖槽，以透水性极低的材料填入建成的连续墙。我国堤坝中以往常用的混凝土防渗墙厚度为0.6～1.3m，目前在堤防工程中的墙厚已减至0.3m，甚至更薄。建造这样的防渗墙，除需要造孔设备外，还要有浇注混凝土的专用机具，施工比较复杂。我国现在已经用土工膜完成多处垂直防渗墙工程。修建防渗墙的土工合成材料可以采用土工膜、复合土工膜或防水塑料板。国外采用打钢板桩的技术和设备来插入高密度聚乙烯板，板的两侧附有锁口，用以将两块板连接在一起。锁口中的间隙则放人密封条，遇水后密封条膨胀，充满间隙，可以做到基本不漏水。安装时由震动打桩机实施，板前端有一铁靴，保护膜板的插入，深度可达40m。若采用插入土工膜，则膜厚度应不小于0.5mm。在目前技术条件下，插入深度可以达到约15m，要求地基土中大于5cm的粗颗粒不多于10％，最大颗粒粒径不大于15cm，否则将超出开槽宽度。
造墙的基本步骤是：首先用高压水冲，或链斗或液压式锯槽机开槽，以泥浆护槽壁，将与槽深相当的整卷土工膜铺入槽内，倒转轴卷，使土工膜展开，相邻两幅之间用搭接的方式连接；及时进行膜两侧的填土，并在槽底回填粘土，厚度不少于1m，目的是密封，以防止水从下部绕渗；接着填一般土，待其下沉稳定后，往槽内继续填土压实；最后待土工膜出槽后，立即将其与建筑物连接，不得外露。应当注意在与建筑物连接处土工膜应留有足够的富裕，以防建筑物变形时拉断土工膜。第五节 防护功能
一、防护作用及其应用举例 防护作用具有广泛的涵义。为了消减自然现象、环境影响和人类活动对堤坡和岸坡造成的危害，常要采取适当的防护措施。岸坡防护包括河岸、湖岸、海岸等的防水流冲刷，波浪冲击等，这类防护措施古已有之，有许多迄今仍在继续采用。传统的防护办法有利用埽枕、柴排、石笼、抛石保护岸坡或打护坡桩等。它们虽然也能起到护坡的良好作用，但耐久性较差，常要不断维修。根本的弱点，是它们放在被保护土面上，不具有反滤功能，受水流冲蚀和潮浪淘刷抽吸的作用，被保护土颗粒容易被水流带走，导致剥蚀和坍塌。
土工合成材料的发展，为上述岸坡防护提供了新的途径，简单地说，只要在被保护士面上覆一层有良好反滤性能的土工织物，压上一定盖重，即能有效地保护岸坡不受水流和波浪等的破坏。
不仅如此，土工织物质轻、耐腐、有柔性、整体性强、价廉、施工简便，它们在防护工程中的推广应用正在迅速发展。其实，这类材料不只有抗水流的能力，它们的产品之一——泡沫塑料板(聚苯乙烯EPS)在岩土工程中还被用于防止土体冻胀。水利工程中利用土工合成材料的常见防护工程有：(1)江河湖海岸坡防护。(2)水库岸坡防护。
(3)水道护底和水下防护。(4)渠道和水池护坡。(5)水闸护底。(6)岸坡防冲植被。
(7)水闸、挡墙等防冻胀措施等。土工合成材料用于防护的范围很广，本节仅介绍利用软体排、模袋和三维植被土工网作岸坡防护，利用土袋、土枕及土工管筑堤坝护坡等，其他利用可举一反三。
二、防护制品
防护用的土工织物应符合反滤准则和具有一定的强度。由于要受到往复双向水流作用，对织物应有更高的反滤要求，故应符合式(2-1)，同时强度也应符合第一节“五”中的规定。为满足防护的各种特殊需要，应先将土工合成材料预制成符合一定需要的制品。举例说明如下。1.土袋、土枕 土袋、土枕是以织造型(有纺)土工织物缝制成的管袋形制品。土袋尺寸较小，类似于一般草袋，充填土料后成为块状土体，可用于堵塞洞坑，建筑堤坝，或作为压载。土枕是尺寸较大的长土袋，直径可达0.4～ 1m，长度可达数米或更长，一般沿长度每隔0.5m要绕一道横箍，它们既能作筑堤坝的填充体，又可作为压重。2.软体排
软体排是用织造型土工织物缝制成的大片排布，分单片和双片两种，单片排四周边和中间缝上纵横绳网，既加强排体，又可作为定位索之用，排上加压重块，保证其稳定；双片排由双层土工织物缝制成，其中还缝有管袋，供充填土料，形成自身压重，它也需缝上纵横绳网。软体排应用时，排体铺在需要防护的部位，再加上足够压重，即可防止土体被冲刷。3.土工模袋
前面已对土工模袋作了简单介绍，是由两层编织型土工织物缝成的四周封闭的袋体，放于被保护岸坡上，并往其中浇注混凝土或砂浆，凝固成硬块体护坡。模袋由工厂预制，有不同厚度、不同规格。此外，还有在现场缝制成的简易模袋。4.泡沫塑料板块
泡沫塑料板块是由聚苯乙烯块锯成的薄板，其导热系数为土的1/3～1/4，具有保温性，放于混凝土板护面或土面上，可达到防止土体冻害的目的。
三、设计原则
(一)软体排护坡与护底 1.排体布置
软体排布置于可能受冲刷破坏的部位，它的铺设范围及高程等应遵从《堤防工程设计规范》GB50286—98的规定。
排体顺水流方向的尺寸为排宽，垂直水流方向的尺寸为排长。枯水位以上为水上部分，以下为水下部分。排体水上部分长度为坡面长和挂排所需长度之和；水下部分长度由与水上部分衔接段长度、水下坡面长度(其中应包括排体褶皱和收缩长度)以及因坡底可能发生冲刷需要预留的长度三部分组成。水上部分与水下部分长度之和为要求的排长。排宽应为待保护区的宽度、相邻排块搭接所需宽度和考虑排体收缩需预留的宽度之和。相邻两块排的搭接宽度一般为0.5m，上游排块盖在下游排块上。2.排体稳定性
排体应始终处于稳定状态，故应进行排体的抗飘浮、抗沿坡面下滑和要求压载的验算，要求的压载可参考规范，或参考图2-14。当水流流速不大于3m/s时，压载可为1kPa。为确保排体稳定，要求排体在坡顶和坡底给予锚固，底部为防止冲刷，锚固可采取沟埋方式。坡底防冲非常重要，应根据具体条件做成有效的防冲结构，图2-15是几种参考形式。(二)土工模袋护坡
1.选型
模袋有多种形式，应根据现场地形、工程类型和重要性以及水流条件等综合因素选型。按工程类别选择时，可参考表2-1。
2.模袋稳定性
一般情况下，模袋稳定性按其在斜坡上的抗滑安全系数Fs来评价(图2-16)
为了改善模袋稳定性，可以补充采取一些抗滑措施，参考图2-17。
另外，模袋底部的渗水应及时排除，如果模袋排渗能力不足，可以在模袋浇注后1小时，在袋内插排水管，如图2-18。
(三)三维植被网植草护坡 1.护坡机理
植被网是一种类似于丝瓜瓤状的植草土工网垫，以加入炭黑的尼龙丝加工制成。丝与丝的交叉点熔合粘接，相互缠绕，质地蓬松，孔隙率在90％以上，在其孔隙中可填加土料和草种。植草穿过网垫生长后，其根系深入土中，植物、网垫、根系与土合为一体，形成牢固密贴于坡面的表皮，可有效地防止坡土被暴雨径流或水流冲刷破坏。以往植被网垫应用于无水或背水坡，目前国外已用于河道迎水坡防护，在有水流条件下，植被起良好的消能作用，促进落淤。有报导说，在水流较深情况下，它甚至能抗御高达6m/s的短期流速，对历时两天的水流，也能经受4m/s的流速，这种植被可使流速显著降低。2.设计要点
植被护坡设计主要包括判别采用植被的必要性；确定铺设范围；草种选择。
(1)植被必要性。坡上受冲刷破坏的程度与土类密切相关。另外对于水上坡，要不要防护，决定于降雨强度；对于水下坡，则要看水流流速的大小。植被必要性判别，对于水上坡和水下坡可分别参考图2-19和图2-20。
(2)铺设范围。植被应遍及要求防护的部位，在高程上，水上坡应铺到坡顶，再横向延伸不少于0.5m；水下坡下端应至低水位以下1m(斜坡长)，上端应达高水位以上0.5m(斜长)。(3)草种选择。各地气温、降水和土质条件等差别很大，应根据当地大体情况，遵循几项基本原则来选择草种：适应当地环境，如耐寒、耐旱、耐涝等；适应土质条件，如耐盐、耐碱，耐酸等；生长期快，根系发育且长；价格经济等。(四)土袋、土枕筑堤坝 1.堤坝形式
土袋、土枕筑堤坝可以采取不同的形式，归纳起来可分为两类：①全断面式，即整个堤坝体均由充填土料的袋或枕堆成，其底部铺设透水织造土工织物垫层，坡面设置防护层。②土心填筑式，即堤坝中心部分为填土，两侧外坡用袋、枕堆筑，或填土后外部用土工织物整体包裹，如图2-21(a)，或填土即是逐层包裹而成，它们的底部及背部为土枕，如图2-21(b)。2.设计要点
(1)制作枕、袋采用织造土工织物，它们应符合反滤准则，且能承受施工应力，其单位面积质量应不低于130g/m2，抗拉强度应不小于18kN/m。
(2)为了保证袋、枕的稳定性，它们的尺寸应符合以下条件：
上式中的L、B、H、分别为填土后袋枕的长度、宽度和高度。土料充盈系数应不小于80％，但也不宜过大，填土应压实到规定密度。
(3)堤坝稳定性可按传统的圆弧滑动法验算。
(4)堤坝外坡都必须作好保护层，例如块石或模袋混凝土护面等。第六节 加筋功能
一、加筋作用
土体一般具有一定的抗压强度，但抗剪强度很低。设想有一块自由土体，即其侧面上全无约束，在其顶面上施加压力，则在不大的压力下，土体即将被压坏。如果同样的一块土被放进一个刚性盒中，即其侧面受到完全约束，不可能有横向扩张，则在其顶面上加压，压力虽然达到很大值，土块也不会被压坏。这个现象阐明了一个简单的道理：土体受压时，其破坏与否与土的侧向变形大小有关，允许的侧向变形愈小，它能承受的压力将愈高，所以，要提高土的承受能力，可以从设法减小其侧向扩张着手。
加筋土正是利用了这一原理。在土体中的一定部位铺设水平方向的加筋材料，将土压实后，土与加筋材密切结合成一复合土体(加筋土)，当在复合土体的表面施加荷载，由于加筋材与周围土之间有较大的摩阻力(有时尚有咬合力)，限制了土的侧向变形，相当于在土体侧面上施加了约束力。从上面的道理可知，这种复合土体的承压能力理所当然地得到提高。
以往人们只是从概念上懂得这个道理，一直到了本世纪的60年代，法国工程师维德尔才从理论上建立了一套加筋土的设计方法，最初采用的加筋材料是金属条带，到70年代后期，金属材料才逐渐被土工合成材料所取代。
二、加筋材料和加筋土应用(一)加筋材料
加筋土中的加筋材料通常采用织造土工织物、土工带和土工格栅等，只有当对强度和变形要求不高时，才采用非织造土工织物。从以上的加筋原理得知，加筋在于最大限度地限制受压土体的侧向变形，而限制要靠土体中的筋材与周围土的相互作用，为此，要求筋材与土之间应结合好，亦即两者之间应有较高的界面强度(摩擦力与咬合力大)。此外，加筋材料的蠕变性应较低。蠕变性指材料受不变的拉力下，长度不断伸长的现象。蠕变使筋材承受拉力的能力不断下降。因此，在目前的加筋材料中，土工格栅的蠕变性较低，是较为理想的加筋材料。(二)加筋土应用
加筋土主要用于三个方面，形成三种类型的加筋土结构。1.软土地基加固
软土地基上建堤坝的困难在于土的抗剪强度低，承载力不足，压缩性过高。传统的方法是将填筑速度放得极慢，以待在增加的荷载下软土固结，强度增加；或采取分期填筑方法；或在堤坝两侧，将填土延伸一定距离，形成戗台或反压马道，以平衡部分促进滑动的滑动力矩等等。这样，工期会拖得很长，费用高，有时填筑高度仍受到一定限制。而若在填筑之前，先在场地上预铺一层织造土工织物或土工格栅，对地基进行加固，可以较好解决这一难题。2.堤坝边坡加筋
堤坝如果将边坡做陡，不仅能减少填土方量，还可节约用地，是一举两得的好事。如果地基的承载力较高，堤坝不致因坡度过陡而破坏，这时采用土工织物加筋陡坡即可达到此目的。3.加筋土挡墙
它可以代替混凝土重力式挡墙。其最大优点是对地基的要求比重力式挡墙要低，抗震性较好。这三种加筋土结构各有其不同的设计方法，下面分别作介绍。
三、加筋土设计要求(一)软土地基加固 1.筋材及其布置
地基加固用的筋材可为织造土工织物或土工格栅，使用时将它水平铺放在软基面上，两端包折，如果土很软，可以先铺层薄砂，再铺加筋材，如图2-22(a)。如果一层筋材强度仍不足，可在第一层筋材上填约0.5～1.0m厚度土层(最好是透水料)，再铺第二层筋材，两层筋材在端部连接起来。2.稳定性验算
根据软土层分布情况不同，稳定性验算分为两种：深层滑动和平面滑动。
(1)深层滑动。当软土层较厚，土坡失稳可能是沿某一圆弧面滑动的，如图2-22(b)。深层抗滑稳定一般采用传统的圆弧条分法校核，在没有加筋前，可以通过试算求得堤坝土坡的最小安全系数Fs1如下：
注意：在采用一层以上加筋材料时，每二层间应铺一定厚度的土料（最好是透水砂料）。(2)平面滑动。当软土层较薄，其下为硬层，则上述滑动圆弧不易切入下卧硬层，因而可能产生浅层的平面滑动。浅层滑动可能有三种形式，如图2-23。①土坡的一部分沿加筋材的顶面滑动，如图2-23（a）；②土坡的一部分连同部分软土沿下卧硬层的顶面滑动，如图2-23（b）；③加筋材底面与下卧顶面间的部分软土被挤出，如图2-23（c）。三种形式中给出最小安全系数的一种是最可能发生滑动的情况。
平面滑动验算采用一般的极限平衡法求取安全系数，这种方法已为广大土工工作者所熟悉，不再赘述。
注意：计算中应保证加筋材料不被拉断，才能发挥加筋作用。并且根据经验，要求加筋材顶面的摩阻力的大小不能超过加筋材料在下列应变时的抗拉力 对压实粘土，ε=5.0%～10%； 对无粘性土和少粘性土，ε≤2%。
（二）堤坝加筋 1.筋材及其布置
加筋材可采用与软土地基方式示意图如图2-24。筋材水平向铺设，其长度和沿堤坝高度要求的垂直间距应根据试算来确定。
2.稳定性验算
稳定性验算的目的有二：①确定加筋要求的范围，即水平向不同高程上加筋需要的长度；②求得为使加筋后土坡的稳定性达到规定的安全系数Fsr，需要加筋材提供的加筋力Ts。(1)加筋范围的确定。针对要求加筋的土坡，用传统的稳定分析圆弧滑动法，对不同滑动圆心和半径的圆弧逐一求其安全系数，可以得到许多个Fsu，将这些圆弧画在同一张纸上，勾划出Fsu≈Fsr的那些圆的外包线，如图2-25中所示的实线，该线包围的区域即是需要加筋的范围。
(2)需要的加筋力。为将土坡的安全系数从Fsu提高到Fsr，可以将滑动土坡视为一个整体，先求出所需的总加筋力Ts，假设它作用位置在坡高的1/3处，如图2-26。为此，针对上述的许多试算滑动圆的每一个，按下式算出对应的Ts：
(3)加筋力的分配。求得的Tsmax需要分配到沿坡高的各个高程上去。建议对低于6m的土坡可以均匀分配，两层间的垂直间距一般不宜大于0.6m。当坡高大于6m，则建议按以下比例分配。
按二区分：底区Ts=（3/4）Tsmax；顶区Ts=（1/4）Tsmax 按三区分：底、中、顶各为（1/2）Tsmax、（1/3）Tsmax和（1/6）Tsmax(4)强度验算和抗拔验算。按以上方法分配后的筋材还应该满足两方面的要求：①每层加筋材不得因受拉力过大而断裂，并有一定的安全系数，所以加筋材拉力不应超过其许可抗拉强度；②每层筋材不得因所受拉力过大而被拔出，因此，超出滑弧的筋材要有足够长度，以提供充分的握裹力，且具有所需的安全系数。(三)加筋土档墙构造
加筋土挡墙有四个基本组成部分，即：加筋材料、填土、墙面板和墙面板基础，如图2-27加筋材是织造土工织物、加筋带或土工格栅；墙面板大多为预制混凝土整体板或板块，一般不作受力杆件处理，仅供表面防护和装饰之用；填土最好是透水材料，若必须采用不透水材料填充时，应做好排水通道，以及时将进入填土内的水排走；墙面板基础一般为预制混凝土构件。
1.挡墙的初设断面
挡墙的设计方法，一般是先假设一个计算断面，再进行外部整体性稳定验算，然后再进行内部筋材的稳定性校核。初设断面即是要假设水平铺设的加筋材长度，各层垂直间距一般可初取0.4～0.5m。? 根据经验，初设加筋材长度可为墙高的0.7倍，如果墙后填土为斜坡或填土面还有超荷载作用，可设为墙高的0.8倍。2.外部稳定性验算
将加筋材范围内的土体连同墙面板视为一个刚性的整体，与重力式挡墙类似，进行以下各项验算：整个墙体沿其底面的抗平面滑动稳定性；抗深层圆弧滑动稳定性；抗绕墙趾转动的倾覆稳定性和墙基的承载力验算。以上各项安全系数都应该达到规定的数值。3.内部稳定性验算
(1)加筋材的拉力。加筋土挡墙分为两种基本类型：①柔性筋式挡墙。加筋材的强度低，延伸率高，即材料的抗拉模量低，如织造土工织物即属此类。②刚性筋式挡墙。加筋材的强度高，延伸率低，即材料的抗拉模量高，加筋带或土工格栅属此类。两类墙的设计方法基本一致，不同之处在于材料模量不同，其变形有异，造成土中应力分布有一定差异，即用于确定土中加筋材拉力的土压力分布图形不一样。对于柔性筋式挡墙，每根筋条分配的拉力对应于朗肯土压力分布图中相应的土压力部分，如图2-28中第i条筋材中的拉力应等于图2-28(b)中阴影部分的土压力，假设等于Ti，图中的γ和Ka分别为填土容重和主动土压力系数。若是刚性筋式挡墙，其土压力分布图略有不同，而确定加筋材拉力的方法却完全一致。
(2)加筋材的强度验算。为了墙的稳定，每一层加筋材的拉力都必须满足以下条件：
(3)加筋材的抗拔验算。每一层加筋材的拉力还要求不超过其端部段(超出滑动面以外的加筋材长度)埋在土内发挥的握裹力。握裹力系由该端部段上下面与土产生的摩阻力所提供。所以这一验算实际上是校核端部段埋藏的加筋材长度Lc是否足够，因为摩阻力的大小是与埋长有关的。4.加筋材长度
加筋材全长度由两个部分组成：填土破坏面以内长度La和以外的埋藏长度Le。如果加筋材是织造土工织物，一般在其靠面板的一端要将织物折回，包裹土体如图2-27(b)，包裹长度为Lω，所以加筋材全长应为：
第三章 堤防系统的防渗、排渗和加固
在前两章中已对土工合成材料的性质、功能、作用机理、使用原理和设计原则等作了全面的介绍，本章将对堤防系统中土工合成材料的设计和施工方面的一些问题作进一步叙述和讨论。这里所谓的“堤防系统”是指土堤和堤线上的涵闸(如破堤建闸等)及其相连的过水渠道，内容包括江河堤防的防渗和排渗、水闸的排渗和闸基的加固以及海堤的地基加固等。为了使读者易于理解有关原理，本章将列举一些应用实例。这些实例都是一些成功的工程实录，其中一些是早期应用的报导。按目前我国的应用水平来看，所报导的内容还有可以改进和提高的地方，因此当学习这些经验时，应结合工程实际情况和现有发展水平因地制宜地使用。
此外，应当说明，土工合成材料在上述的某些方面目前应用尚不普遍，如堤的防渗等，为此本章将引用一些类似的在低土坝中的应用实例作为参考，以期促进土工合成材料在堤防中应用。
第一节 防渗、排渗和加固在堤防中的应用
一般来说，在堤防的主体和附属工程中，土工合成材料都有着能发挥第二章所提及的各种主要功能的场合。鉴于堤防的渗透控制原则仍是“上堵下排”，因此本节着重于土工合成材料的防渗、反滤和排水三个方面功能的应用，同时也叙及加筋加固功能。
一、堤防防渗(一)国内外应用情况
土工膜作为一种良好的防渗材料，目前在坝工中，特别是土石坝中已被广泛地采用，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。然而在我国的堤防建设中，它的应用则刚刚才开始，如作为垂直防渗墙的墙体材料等，但可以预计，它在今后新建的堤防和已有堤防的加固中将会广泛地被使用。为了说明堤防防渗问题，借鉴一些坝工中的应用实例，或许是有益的。表3-1(见参考文献[3])和表3-2中分别给出了国内外坝工中采用土工膜防渗的工程情况。从中可以看出一些特点：①土工膜在坝工中的应用，从地域上看已很广泛，国内外已经普遍接受了这种新型的防渗材料和技术。许多工程实录都表明它的防渗效果良好、经济、施工方便，有推广使用价值。②国内在坝工中使用土工膜防渗虽然较晚(1978年开始，比国外晚19年)，但从土工膜承受20m以上水头的实例所占的百分数来看，已与国外相当，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中使用土工膜的技术水平已逐渐接近国际先进水平。③关于土工膜的厚度目前有两种观点：一种主张用厚膜(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良好，因而值得很好地总结经验。根据上述情况以及目前SL/T225—98和GB50290—98《土工合成材料应用技术规范》中所列入的土工膜在坝工中的防渗使用规定，都表明土工膜防渗技术在我国坝工中的应用已经渐趋成熟。这将为这项新技术和新材料在堤防中的推广应用提供良好的范例。
(二)设计和施工中的几个问题 l.土工膜在堤防中铺设的范围和部位
土工膜在土堤中铺设的范围可从堤基开始，直到堤顶。土堤迎水面若设置铺盖，则铺盖长度应按渗流计算确定，或大于等于5倍水头。土工膜材料目前的挡水水头已达30～40m，因此可以完全满足一般江河堤防的要求。
PVC为聚氯乙烯，LDPE为低密度聚乙烯，HDPE为高密度聚乙烯，CSPE为氯磺化聚乙烯，RI为异丁橡胶，PUR为聚氨脂。
土工膜的铺设部位，对新建的土堤，可以铺在堤的中间（即心墙）或迎水面（即斜墙），两种形式各有特点。心墙布置方式比较省料，但施工时要求堤身填筑与土工膜心墙同时上升，而且土工膜应做成锯齿形铺设（图3-1），以适应堤身的沉陷，因此施工比较复杂。斜墙式布置的优点是堤身填筑完成后才铺膜，施工干扰小，铺膜质量较易保证。因此，国内外新建的堤防工程中大都采用斜墙形式的结构。但对于已建堤防的修补和加固工程，由于迎水面有水，为避免水下施工，故采用堤内开槽铺膜方法施工，筑成心墙。当然，若迎水面无水，则用斜墙形式更为方便。
图3-1 2.土工膜防渗结构形式
在土工膜与堤身或堤基接触处应加一定的垫层(过渡层)或反滤层，尤其对于膜与粗粒料直接接触的情况，应防止粗粒的尖角刺破土工膜，影响其防渗性能。若防渗膜选用复合土工膜材料(膜的侧面为非织造织物)，则反滤层可以简化。对于已有的堤防加固的情况，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，以便利施工。但应强调指出，不管什么情况下，反滤层是必不可少的。还应指出，心墙式与斜墙式的选用还与堤基地层结构及其渗透性有关。关于堤基的地层结构，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(常称二元结构)是指地层大致由两种土层组成，上层透水性较弱，其下为较厚的透水性较强的土层，当地层受深泓切割直接与江水连通时，往往是最容易出现渗透失稳状态的。这种“二元结构”在长江、黄河等大江大河上比较常见，是一种在我国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、强透水层的组合，即在深度上有弱透水层与透水地层相间，而深部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，采用心墙防渗是有效和可靠的，因为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。然而研究和经验已经表明，这种“悬挂式”防渗体系的防渗效果不佳，因此不宜采用。例如长江科学院对湖北荆江大堤的垂直防渗深度分析表明，对于“二元结构”，上层透水性弱，下层透水性强的情况，防渗墙进入地层的深度h1小于0.8倍的地层总厚度(h2)时，堤后最大出逸比降J垂仅降低0.02～0.3，J水平降低0.01～0.05，相当于削减渗透水头10％～20％(荆南长江干堤加固工程可行性研究阶段渗流控制措施专题研究报告。长江委长江科学院，1998：12.)，如图3-2。这时就应采用土工膜斜墙加铺盖或者其他专门研究的防渗结构了。③近年，在堤防建设中还遇到渗透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相对不透水的土层，埋深也不大，这时仍可以用心墙的形式，使其达到相对不透水土层，以形成“半封闭”的防渗结构(图3-3)。在采用心墙式的防渗结构时，还有一个实际问题，就是要注意水环境的变化，以及非汛期地下水位的升高。
3.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（单膜或复合膜）。
(1)国内外土工膜所用的原材料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）两种。工程选料时，主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，使得其伸长率比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，从而增加二者之间的摩擦系数。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50～60。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滑动稳定性。增大PE膜摩擦性能的方法有三种：一是采用复合膜，因复合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。另外，当PE膜的厚度从0.12mm增加到0.24mm时，其与粗砂的摩擦系数可以增加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当，一般均在10000元/t左右，而PE的比重小于PVC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。另外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点，再结合工程实际情况，可以对膜材作出合理的选择。(2)选用单膜还是复合膜主要是从复合膜的作用和经济性两个方面综合考虑来选定。复合膜的一个作用已如上述，可以增加与土料之间的摩擦系数，第二个作用是保护士工膜不受运输和施工过程中外力的损害。复合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的大，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，例如重物冲击，临时性的局部荷载等等。据长江科学院为三峡工程所做的研究表明，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简单叠加的性能，其优良的程度与膜和织物之间复合的紧密程度密切相关，因此复合膜的设计不能简单地参照膜和织物各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，如生产过程造成的不均匀性，或施工中机械刺破形成的漏洞等等，此时膜一侧的土工织物能够起到反滤排水作用，从而维护了保护层的稳定。如复合土工膜是铺在透水性不强的坝体表层，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水位差，避免土工膜被水压力顶起的危险。要达到这种排水作用的必要条件是土工织物要与坝后的排水通道相连接。
我国的堤坝建设在1993年以前大多采用单膜或多层单膜，这和当时复合膜尚处在研制阶段，未大规模生产有关。1994年后大多数工程都采用了复合土工膜。但从已往采用单膜的土石坝防渗效果，以及SL/T225—98规范中对土工膜类型的规定上看，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。当然，在有条件的情况下复合膜有着更为优越的工程特性，但工程造价也会相应地有所增加。
4.土工膜的防渗性、厚度和缺陷的渗流分析
(1)从表面上看土工膜是一片密不透水的材料，但实际上在压力作用下膜的孔隙大小可以变化，仍能够透水，只不过其渗透系数很小而已。一般来说渗透系数取为1×10-12cm/s是稳妥的。这个数值较之粘土要小得多，这就是为什么土工膜用作防渗材料的原因。实际工程中更关心的是土工膜与土层接触时能承受多大的水头。当土工膜与粗粒土相接触时，由于土粒之间的孔隙较大，土工膜在上覆水压力作用下被迫向土孔隙中陷进，因而产生拉伸应变、承受拉应力。如拉应力过大，土工膜被拉裂，则会产生漏水点，影响其防渗性能。
(2)土工膜能承受多大的水头取决于土工膜的力学性能(极限拉伸强度，拉伸模量)、厚度和垫层土(如土粒大小和级配)的情况。确定土工膜的防渗性有两类办法，一类是直接法，即将拟用的土工膜在试验仪器中铺在实际使用的垫层土料上，然后施加水压力，直到土工膜破裂或施加的水压力超过工程最大水压力一个安全倍数而不破裂为止。这类方法最为可靠，但工作量大，一般重要的工程才采用。对低水头的堤防工程似无必要。另一类是间接法。这类方法有两种途径，一是通过公式计算；二是按规范规定的数值取用，对于堤防工程适用此法。现行规范要求土工膜的厚度不小于0.5mm，但目前国内土工膜产品的厚度一般均小于0.5mm。因此在选料时，经过论证，对于较小的工程也可选用厚度为0.3mm左右的土工膜，但要特别注意施工质量。例如以表3-2中湖北毛儿冲土坝用土工单膜修复补漏工程为例，所用的PVC膜的厚度只有0.22mm，接缝为粘接缝，水头达20m，从1993年到现在，经历了多年的汛期高水位的考验，防渗效果一直是良好的。可见土工膜防渗的成败关键之一是施工质量。
(3)土工膜的缺陷也是工程中可能发生和比较关心的一个方面，不论是由于生产制造，还是焊接或施工造成的漏水点，都会影响到土工膜的防渗效果。据国外对某工程28处共20万m2土工膜的质量检测结果来看，平均每1万m2中有26个漏水孔，其中15％是自身的孔眼，69％出现在焊缝处，由此可见焊接质量的重要性。而当严格控制施工质量时因焊接而产生的漏水孔的发生率可以降到平均l万m2中仅有2.5个。
从渗流角度来讲，如果膜中的孔其上下完全不受阻碍地敞开漏水，其漏水量是不小的，但实际上水的流动受到膜上保护层渗透性、膜两侧土工织物(对复合膜而言)以及其下垫层或堤的土料渗透性的限制，要精确地估计其渗漏量是不容易的。但问题是要防止因漏水引起土体的渗透变形，图3-4中给出土工膜中一小孔产生渗漏时的情况。图3-4(a)为流线分布图，超出浸润线则无渗流。图3-4(b)给出在b/Hs＝0.02和hW/Hs＝1的条件下平面状态的渗流等势线图，hω为1。从3-4(a)图中可以看到水通过小孔后开始以圆形(空间问题则以球形)的形状扩散，渗透面积迅速扩大，因而水头降低较快，但到一定距离后渗透面积稳定，水头下降减慢并维持一定的水力坡降，到最后仍保持一定的水头。如果多个漏水点的最后逸出水头叠加起来，则坝体下游的渗透水头是不可忽视的，必须采取反滤层措施。应当强调指出，土工膜后的反滤层是十分重要的，不管土工膜有无破损，反滤层都应十分认真地做好。
当进行土工膜的定量渗流分析时，可以把渗透系数很小(Km＝l×10-2cm/s)，厚度很薄(1mm)的土工膜，换算为1m厚的渗透系数Ks为l×10-9cm/s的粘土层进行计算；同时考虑到土工膜中不可避免的缺陷，再将其渗透系数加大100倍，亦即按Ks＝10-7cm/s的lm厚的不透水材料进行渗流量和水头分布的数值计算，可以得到近似值。
5.斜墙式土工膜的稳定性
斜墙式土工膜的失稳情况除第二章中列举的两种以外，还可能有以下两种，即土工膜上的表面保护层被水压力顶起失稳和土工膜受其下水压力的作用而被拉断或被顶起失稳。
(1)第一种失稳情况主要和保护层的渗透性有关。当保护层是透水的，且其坡角与土工膜铺设垫层的坡角相同时，一般都利用通常的斜坡稳定分析法(见第二章)。但若保护层透水性不良(如现浇混凝土板等)，库水位下降时，容易在保护层上下形成水位差．到一定程度后，就可能造成面板的抬动而失稳。此时的关键问题在于如何使保护层下的透水垫层与底部排水通道连通，以迅速消散保护层下的滞留水。如王甫洲工程(图3-5)，其现浇混凝土面板下的透水垫层下部有排水通道，当库水位变化时，透水层中的水位也随之变化，水位差有限，故不会影响到膜上保护层的稳定性。据估算，1m水头就足以把250mm的混凝土板推动上抬，造成失稳。解决问题的关键是采取措施令透水层的水位基本上与库水位同步下降。
