高堆石壩面膜防滲體非散粒體墊層工程特性試驗——高面膜堆石壩關鍵技術(五)

吳海民，束一鳴，滕兆明，戴林軍，蔣善平

(1．河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098;2．水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098)

堆石壩上游面土工膜(以下簡稱面膜)防滲體具有防滲性能優(yōu)越、適應變形能力強、造價低廉、施工簡捷、低碳環(huán)保等優(yōu)點［1］，特別適合修建在中國西南山區(qū)河床具有深厚覆蓋層的壩基上。由于覆蓋層壩基及堆石壩體的變形較大，壩面會產(chǎn)生較大撓曲變形而導致土工膜墊層產(chǎn)生開裂甚至錯動而破壞，進而危及土工膜在水壓力作用下的安全，所以，堆石壩面膜防滲體的墊層對于土工膜及整個防滲體的安全至關重要。高面膜堆石壩墊層是面膜防滲體的持力層和傳力層，同時又兼顧排除膜下積水的功能，墊層必須在水力學特性和力學性能上滿足透水性、自穩(wěn)性、高強度和變形協(xié)調(diào)性要求。

在以往建造的中低土工膜防滲堆石壩中，通常采用傳統(tǒng)的散粒體碎石層或者無砂混凝土作為土工膜的墊層材料。通過國內(nèi)外已有研究成果及工程應用經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，由于自身穩(wěn)定性較差，散粒體碎石作為土工膜墊層只能適用于壩坡在1∶1.8甚至更緩的情況［2］，然而壩坡設計較緩會導致壩體斷面大而無法發(fā)揮現(xiàn)代堆石壩的經(jīng)濟性優(yōu)點;無砂混凝土在較低的堆石壩中曾被廣泛使用［3-4］，前期試驗研究表明無砂混凝土具有較高的抗壓強度但同時也具有較大的彈性模量，脆性特征較為顯著，在抗壓和抗折試驗中均出現(xiàn)粉碎性破壞［5-6］，如果用于深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體的墊層，在壩面發(fā)生較大撓曲變形時墊層會因脆性破壞而易出現(xiàn)結構性裂縫，這不僅使柔性土工膜能適應土石壩壩體變形的優(yōu)勢無法充分發(fā)揮，而且開裂破壞后還會損傷土工膜而破壞整個防滲系統(tǒng)的密閉性及大壩的安全性。因此，從適應深覆蓋層壩基及壩體較大變形及面膜防滲體穩(wěn)定安全的角度出發(fā)，需要研制一種透水性好的新型韌性非散粒體墊層材料。

聚合物透水混凝土是一種新型彈性蜂窩狀多孔材料，是通過聚合物膠與碎石料的混合和攪拌使膠體能夠均勻且牢固地包裹在碎石表面，并利用聚合物膠本身的黏結性將碎石顆粒牢牢地連接到一起，組成一個堅固、穩(wěn)定的整體結構，同時保留了顆粒間的縫隙與空間，形成一種彈性的多孔結構［7］。該材料在歐洲最早應用于海堤、河堤迎水面的護坡上［8-9］，主要是利用該材料較多的孔隙來消除波浪及水流的能量以減輕對海堤及河堤的淘刷侵蝕破壞。前期試驗表明該材料不僅具有較強的透水性、較高的抗壓抗折強度，還具有較好的韌性，而且施工工藝簡單，不需要振動，只需靜壓或碾壓成型，養(yǎng)護2 d即可達到最終強度的80%以上，相比普通無砂混凝土28 d養(yǎng)護期可以大大縮短施工期［10］。結合深覆蓋層上高堆石壩壩面防滲土工膜墊層的要求，可考慮將聚合物透水混凝土作為一種土工膜新墊層進行系統(tǒng)研究。

為了獲得能適應深覆蓋層上高面膜堆石壩墊層的合適材料，本文在對聚合物透水混凝土的合適配比進行試驗研究的基礎上，針對最優(yōu)配比下的聚合物透水混凝土進行透水性能、基本力學特性、界面抗剪強度試驗及位于壩面防滲體中的變形破壞特性等一系列試驗研究，并和傳統(tǒng)無砂混凝土工程特性進行對比試驗和分析，揭示其作為面膜防滲體墊層所要求的工程特性及其優(yōu)勢。

1 試驗材料及試驗方法

1．1 試驗材料

a．碎石。為了避免土工膜被頂破，同時顧及墊層孔隙率及排水要求，碎石的粒徑宜加以控制［11］。試驗中碎石材料選用產(chǎn)于南京市六合區(qū)的顆粒級配范圍為5～20mm新鮮玄武巖碎石，壓碎指標為9.2%。試驗前碎石料均經(jīng)過清水沖洗后風干，碎石相關參數(shù)如下:平均粒徑d50=10 mm，不均勻系數(shù)Cu=4.2，曲率系數(shù)Cc=2.4，干密度 ρd=1.725g/cm3，內(nèi)摩擦角 φ =48°。

b．聚合物。選用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的雙組分聚合物膠粘劑，組分A是聚合物膠體，組分B是催化劑，A與B質(zhì)量比為1∶0.65。聚合物主要性能指標見表1。

表1 試驗用聚合物膠參數(shù)

c．水泥及改性劑。無砂混凝土作為土工膜的下墊層，也是防滲結構的重要組成部分，應盡量選用高標號水泥。本次試驗選用海螺牌 P．O．42.5水泥。為了增加無砂混凝土的抗拉強度，參考文獻［12］，選用水泥改性劑乳液 SJ-601(含固量(41±3)%)作為外加劑。

1．2 試樣制備

1．2．1 聚合物透水混凝土試樣制備

試驗前先將碎石料洗凈并風干備用，制樣時將B組分催化劑往A組分聚合物膠中添加，使之充分混合并攪拌至膠體呈現(xiàn)淡黃乳白色，再與碎石混合攪拌，攪拌時間控制在20 min，然后將混合料一次性倒入模具中，靜壓成型。根據(jù)聚合物膠的初步固化時間，試樣從攪拌至入模必須在30 min之內(nèi)完成;為了保持脫模時試塊的完整性，試件澆筑之前應將模具內(nèi)壁用砂紙清擦干凈，并在其上均勻地涂一層脫模劑。成型后試樣放在養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護，養(yǎng)護室溫度控制在(20±2)℃，養(yǎng)護24 h后即可脫模，48 h后即可進行試驗。脫膜后的聚合物透水混凝土抗彎折試樣如圖1所示。

圖1 聚合物透水混凝土抗彎折試樣

1．2．2 無砂混凝土試樣制備

無砂混凝土是界于水泥穩(wěn)定碎石與普通素混凝土之間的一種材料，可以采用多種成型方法，但不同成型方法對其強度和孔隙率有較大影響。振搗法是最常用的一種成型方法，試驗表明，振搗法雖能提高無砂混凝土的密實性與強度，但振搗易導致水泥漿分布不均，使試樣表層孔隙過大，而底部孔隙過小或堵塞，這將嚴重影響無砂混凝土的排水性能。參考路基用多孔混凝土材料的成型方法，并結合壩面無砂混凝土墊層可行的碾壓施工工藝，試驗采用插搗+靜壓的成型方法。

制樣的順序為:每組試驗先計算裝模集料的量，拌和好后裝模，采用插搗方法，插搗保證均勻，為了防止局部產(chǎn)生大的空隙，裝模完成后采用10kg砝碼靜壓，靜壓時間控制在20 s。攪拌投料采用分次加水方式，有利于水泥均勻包裹在骨料周圍且易于觀察到最佳拌和狀態(tài)。脫模后的無砂混凝土抗壓試樣如圖2所示。養(yǎng)護方式采用室內(nèi)養(yǎng)護，外面覆蓋無紡土工織物并灑水，濕度控制在95%以上，溫度為(20±2)℃，養(yǎng)護28d進行試驗。

圖2 無砂混凝土抗壓試樣

1．3 試驗方法

1．3．1 有效空隙率及滲透系數(shù)試驗

兩種材料的空隙率均采用排水量體積法［13］進行測定，測試前要先將試樣烘干，測總體積時試樣要在水里浸泡24 h。

滲透系數(shù)測試采用如圖3所示的常水頭法，試驗采用長10cm、直徑7cm的圓柱試件，試件周圍套一層繃緊的彈性乳膠膜進行側壁密封，兩端通過彈性密封圈固定在有機玻璃圓筒接頭上。試驗水頭控制在40cm，試驗前試件先放水中浸泡24 h，使試件充分飽和并排出內(nèi)部空氣，試驗中要待水流穩(wěn)定后選定10 s時間段進行流量測定。滲透系數(shù)k的計算公式為

圖3 滲透系數(shù)試驗

式中:L為試樣長度;H為試驗水頭;A為試樣橫截面面積;Δt為測量時間;Q為Δt時間段通過試樣的水流體積。

1．3．2 基本力學特性試驗

1．3．2．1 無側限抗壓強度試驗

兩種材料的無側限抗壓強度試驗均采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進行，試驗裝置為WEW-600B液壓式萬能試驗機，采用應力控制方式加載，加載速率控制在0.1 kN/s，試驗機自動記錄并實時顯示壓縮荷載-位移曲線。

前期聚合物透水混凝土試驗結果表明，對于5～20 mm粒徑的碎石，其含膠量一般在1% ～2%之間，為了獲得針對本文選用碎石對應的合適含膠量，對5～20 mm粒徑的碎石進行了1.1%、1.3%、1.5%、1.7%和1.9%共5種含膠量(體積分數(shù))下的抗壓強度試驗，通過比較抗壓強度獲得最優(yōu)含膠量。這5組試樣均在(20±2)℃環(huán)境中養(yǎng)護。此外，為了比較聚合物透水混凝土在不同施工期養(yǎng)護環(huán)境下的力學性能，在固定含膠量為1.5%情況下，試驗比較了2種不同養(yǎng)護環(huán)境條件((70±2)℃和水中浸泡)下的試樣抗壓強度，以便得到施工養(yǎng)護環(huán)境對抗壓強度的影響，無側限抗壓試驗一共7組。

對于無砂混凝土，相關文獻及前期研究成果表明［14］，水灰比w/c一般取0.3左右，可根據(jù)其工作性能要求進行調(diào)整，對于摻粉煤灰和硅粉的無砂混凝土一般取0.28～0.32，和公路排水基層無砂混凝土相比，面膜防滲體墊層滲透性能要求相對降低，因此本試驗適當提高了水灰比范圍(0.28～0.34);選取水灰比 w/c=0.28、0.30、0.32、0.34 進行試驗。摻和料選用水泥改性劑乳液SJ-601，其替代水量按10%、30%、50%、70%進行一組平行試驗，根據(jù)抗壓強度試驗結果選擇最優(yōu)的合理水灰比及改進劑摻量。無砂混凝土抗壓強度試驗一共20組，具體試驗方案及配合比設計參數(shù)如表2所示。

1.3.2.2 抗彎折特性試驗

抗彎折特性試驗采用四點彎折試驗方法［15］進行，采用400 mm×100 mm×100 mm的長方體試件。試件含膠量采用無側限抗壓強度試驗得到的最優(yōu)含膠量。加載采用如圖4所示的應力控制加載方式，速率為0.1 kN/s。為了準確得到聚合物透水混凝土受彎作用下的變形特性，試件底部中點位置布置了應變片測試試件彎折變形過程(圖4)，同時采用高清數(shù)字攝像機從側面拍攝試件受彎變形過程，并通過圖像處理與分析得到試件變形撓度曲線，評價其抵抗撓曲變形的能力。

表2 無砂混凝土抗壓強度試驗方案及配合比設計參數(shù)

圖4 抗彎折特性試驗 (單位:mm)

1．3．2．3 彈性模量試驗

為了評價新型墊層材料受力變形特性，試驗測試了材料的壓縮彈性模量。壓縮彈性模量試驗參考SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程 》［15］中抗壓彈性模量的測試方法進行，采用150 mm×150 mm×300 mm的長方體試件進行測試。

1．3．3 界面抗剪強度試驗

為了驗證墊層材料位于壩坡時自身的穩(wěn)定性及整個防滲體的穩(wěn)定性，運用大尺寸直剪拉拔摩擦試驗系統(tǒng)分別對碎石、聚合物透水混凝土和無砂混凝土3種墊層材料與復合土工膜界面的抗剪強度進行了試驗研究。此外，對聚合物透水混凝土－復合土工膜界面局部涂膠情況下抗剪強度也進行了測試。界面涂膠位置和面積如圖5所示。

界面抗剪強度試驗所用碎石與制作透水混凝土和無砂混凝土所采用的碎石相同。復合土工膜為二布一膜，兩側為800 g/m2長絲針刺土工織物，內(nèi)側為0.8 mm厚的PE土工膜。

圖5 聚合物透水混凝土墊層界面涂膠位置和面積 (單位:mm)

圖6 界面直剪儀

試驗采用如圖6所示的直剪儀，該設備上下剪切盒的尺寸分別為300 mm×300 mm和300 mm×350 mm，以保證剪切過程中接觸面積不變。下剪切盒內(nèi)放置剛性墊塊，復合土工膜固定在墊塊頂面，側面錨固在下剪切盒的側面。上剪切盒內(nèi)放置墊層材料，其中聚合物透水混凝土和無砂混凝土要提前預制。

試驗分別在 25 kPa、50 kPa、75 kPa和 100 kPa 4組法向壓力下進行。根據(jù)每組試驗得到的剪應力-剪切位移曲線峰值應力得到最大剪應力與法向壓力的關系，然后根據(jù)摩爾庫侖準則獲得界面的抗剪強度強度。

1．3．4 防滲體變形破壞特性試驗

為了揭示聚合物透水混凝土作為深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體墊層時的變形破壞特性，采用局部結構模型試驗方法對聚合物透水混凝土材料墊層的變形適應性及破壞特征進行了試驗驗證。

如圖7所示，選取最大壩高斷面中面膜防滲體撓曲變形最大處的一部分作為研究對象，簡化為在壩軸線方向選取單位寬度的二維問題。按照圖7所示的結構形式和材料制作局部結構模型，模型長1.2 m，寬0.4 m，試驗時在模型頂部施加法向荷載，通過柔性壓力加載層給結構模型表面施加柔性均布壓力來模擬實際壩面水壓力荷載，模型底部設置剛性弧形底座配合壓縮層使結構產(chǎn)生不均勻沉降來模擬底部撓曲變形。在加載過程中，通過布設各種小型傳感器量測結構內(nèi)部不同位置的受力變形性態(tài)，同時通過側面有機玻璃觀測整體結構的變形規(guī)律、破壞模式以及不同結構層之間的變形協(xié)調(diào)性和相互作用模式。通過大比尺模型試驗可以定性地研究面膜防滲體在頂部水壓力荷載和底部大撓曲變形邊界條件下的受力變形特征及破壞模式。

圖7 壩面土工膜防滲結構模型試驗示意圖

2 試驗結果及分析

2．1 透水性能

表3為不同含膠量下聚合物透水混凝土試件有效空隙率和滲透系數(shù)的實測結果。由表3可知，試驗得到的聚合物透水混凝土有效空隙率均大于30%，滲透系數(shù)能達到7 cm/s以上，含膠量對聚合物透水混凝土試件的有效空隙率和滲透系數(shù)影響很小。這主要是因為聚合物膠與碎石混合后，膠體主要充填骨料顆粒之間的空隙并包裹骨料形成一層薄膜，而聚合物膠體積含量很小(小于3%)，所以相同骨料粒徑條件下，含膠量對聚合物透水混凝土的有效空隙率影響較小，進而對滲透系數(shù)影響也很小。此外，測得的有效空隙率和滲透系數(shù)非常穩(wěn)定，說明受成型方法及施工工藝的影響較小。

表3 聚合物透水混凝土試件有效空隙率和滲透系數(shù)實測值

表4為不同計算空隙率和水灰比情況下無砂混凝土的實測有效空隙率和滲透系數(shù)，可見，無砂混凝土試件實測有效空隙率在18.6% ～28.3%之間，實測滲透系數(shù)在1.3～2.1 mm/s之間。分析表4數(shù)據(jù)可知，實測有效空隙率均大于計算空隙率。差異存在的原因可能是:①試件凝固干燥后，約3/4的水分蒸發(fā)掉［16］，所以實測有效空隙率增加;②無砂混凝土試件表面及棱角不可能像普通混凝土一樣規(guī)則，所以計算的總體積比實測體積偏大，從而導致實測有效空隙率偏大。此外，無砂混凝土的有效空隙率和滲透系數(shù)隨計算空隙率和水灰比的變化規(guī)律性不明顯，數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，主要原因是試樣成型過程中水泥漿易流動導致分布不均，這說明受成型方法和施工工藝的影響較大。

表4 無砂混凝土試件有效空隙率和滲透系數(shù)實測值

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，聚合物透水混凝土的有效空隙率和滲透系數(shù)遠高于無砂混凝土，試件成型后的有效空隙率和滲透系數(shù)較無砂混凝土穩(wěn)定，聚合物透水混凝土受試樣成型方法和施工工藝的影響較小。所以，從透水性能角度出發(fā)，聚合物透水混凝土更適合作為深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體的墊層。

2．2 基本力學特性

2．2．1 抗壓強度

圖8為不同含膠量的聚合物透水混凝土試樣在幾種養(yǎng)護環(huán)境下的實測無側限抗壓強度。由圖8可知，聚合物透水混凝土的含膠量對無側限抗壓強度有明顯影響。無側限抗壓強度隨著含膠量的增大而增長;當含膠量大于1.5%以后，無側限抗壓強度可達到3 MPa，但隨含膠量的增加不再明顯。這是由于隨著含膠量增加，充填在粗骨料間的聚合物膠也在不斷增加，但當孔隙被填滿且粗骨料顆粒完全被包裹且形成一層膜后，含膠量的增加會使骨料外的膜增厚，骨料顆粒之間的黏結力會增大;但達到臨界膠結厚度后，骨料顆粒之間的黏結力增強只能導致韌性增加，而對強度沒有貢獻。兩種作用的綜合使整體抗壓強度增加不夠顯著。這也說明對于本試驗中的粗骨料，存在一個臨界含膠量1.5%，當含膠量超過這個臨界值后，增加含膠量只會增加成本，對增大強度沒有明顯作用，1.5%可作為最優(yōu)含膠量。

圖8 聚合物透水混凝土試樣實測無側限抗壓強度

為了研究施工期極端養(yǎng)護環(huán)境對聚合物透水混凝土抗壓強度的影響，將2組按照1.5%含膠量制作的試樣先在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護24 h并脫膜，然后一組放在(70±2)℃的烤箱中烘烤24 h;另一組放在自來水中浸泡24 h，然后進行無側限抗壓強度測試。由圖8可知，(70±2)℃的高溫養(yǎng)護和自來水浸泡使試樣的無側限抗壓強度相對于標準養(yǎng)護分別降低了13.4%和16.8%。

圖9 水灰比與抗壓強度關系

圖9為按照不同計算空隙率Pc和水灰比制作的無砂混凝土試樣抗壓強度的試驗結果。由圖9可知，抗壓強度隨著計算孔隙率的增大而減小，一定計算空隙率條件下抗壓強度隨著水灰比變化規(guī)律不夠明顯。試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，水灰比為0.30時，集料拌和中沒有水泥漿溢出，且骨料顆粒表面具有明顯的金屬光澤，說明此時已達到最佳水灰比;水灰比為0.28時，無砂混凝土抗壓強度也較好，但低水灰比透水性能較差，因此提高強度時應兼顧排水性能，最優(yōu)水灰比應選擇0.30。

水泥改性劑替代水的比例對無砂混凝土抗壓強度影響試驗是在w/c=0.3、Pc=20%條件下按不同比例替代水的含量來制作試樣的。當水泥改性劑替代水的比例分別為10%、30%、50%、70%時，試驗測得的抗壓強度分別為 10.6 MPa、12.6 MPa、10.9 MPa、11.4 MPa。摻和改性劑能有效提高無砂混凝土抗壓強度，水的替代比例在30%時抗壓強度達到最大值12.6 MPa。這是由于改性劑能夠很好改善骨料拌和時的和易性，使骨料間膠結面和黏結力均增加，最終抗壓強度有所提高，但若水泥改性劑替代水比例過大則呈現(xiàn)出試件抗壓強度下降變化，主要是由于水含量少，水泥沒能夠得到水化完全，且改性劑乳液占據(jù)了集料顆粒間的接觸面導致黏結力降低。

抗壓強度試驗結果表明，在合適的配比條件下，聚合物透水混凝土的抗壓強度能達到3 MPa以上，無砂混凝土能達到10 MPa以上，兩種材料的抗壓強度均能滿足堆石壩面膜防滲墊層材料的要求。

2．2．2 抗彎折特性

圖10為抗彎試驗中含膠量為1.5%的試件底部中點處拉應力-拉應變關系曲線，同時與w/c=0.3，Pc=20%條件下的無砂混凝土試件的試驗結果進行了對比。由圖10可知，聚合物透水混凝土在抗彎試驗中最大抗彎強度為1.2 MPa，對應的最大拉伸應變?yōu)?00×10－6，而無砂混凝土最大抗彎強度為2.25 MPa，對應的最大拉伸應變?yōu)?27×10－6。聚合物透水混凝土的抗彎強度為無砂混凝土的53.5%，而最大彎拉應變?yōu)闊o砂混凝土的396.5%。

圖10 彎拉應力-拉應變曲線對比

圖11為采用高清攝像機從側面觀測，并通過圖像處理分析得到的兩種材料抗彎破壞前的最大變形撓度曲線。由圖11可知，兩種材料的變形撓度沿試件長度方向中點基本成對稱分布。聚合物透水混凝土最大撓度位于試件中點處，最大值達1.86 mm，相對撓度為1/250;無砂混凝土最大撓度位于試件中點處，最大值達1.2 mm，相對撓度為1/161。

圖11 彎折試件受彎變形撓度曲線

抗彎性能試驗結果表明，雖然聚合物透水混凝土抗折強度沒有無砂混凝土的高，但抵抗彎拉變形的能力要遠大于無砂混凝土，這樣也說明聚合物透水混凝土墊層更能適應堆石壩面的撓曲變形。

EFpsize,j為j類土地的足跡廣度，EFpsize,reg為區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型所組成的生態(tài)足跡廣度。

2．2．3 彈性模量

當聚合物透水混凝土含膠量分別為1.1%、1.3%、1.5%、1.7%、1.9%時，試驗得到的彈性模量分別為 0.29 GPa、0.72 GPa、0.81 GPa、0.82 GPa、0.82 GPa。聚合物透水混凝土墊層的模量均低于1 GPa，而無砂混凝土墊層的模量達到30.72 GPa，聚合物透水混凝土的模量遠低于無砂混凝土。

圖12為含膠量為1.5%的聚合物透水混凝土抗壓強度試驗得到的典型壓縮荷載-位移關系曲線。由圖12可知，與無砂混凝土等脆性材料不同的是，當壓縮應力達到峰值強度后，壓縮荷載沒有突然驟降，而是出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象，這說明聚合物透水混凝土具有良好韌性特征。圖13為聚合物透水混凝土和無砂混凝土試件在無側限抗壓試驗后破壞狀態(tài)，前者只有少許顆粒脫落，而無砂混凝土發(fā)生了粉粹性破壞，很好地證明了聚合物透水混凝土材料的韌性特征。

圖12 聚合物透水混凝土抗壓試驗中典型壓縮荷載-位移關系曲線

2．3 界面抗剪強度

圖13 抗壓試驗破壞狀態(tài)

表5為復合土工膜與碎石、聚合物透水混凝土和無砂混凝土等材料之間界面的抗剪強度試驗結果。由表5可知，聚合物透水混凝土與復合土工膜界面抗剪強度比碎石材料要小，但聚合物透水混凝土墊層界面涂膠后與復合膜之間的等效抗剪強度比碎石墊層和無砂混凝土材料都要高，按照壩面防滲體穩(wěn)定性要求，可在坡比為1∶0.47的壩坡上維持穩(wěn)定;按照常規(guī)面膜防滲堆石壩1∶1.5的壩坡，對應的安全系數(shù)可到8.56。說明在聚合物透水混凝土墊層表面局部涂膠后，能夠維持防滲體自身的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于規(guī)范設計要求。

表5 界面抗剪強度試驗結果

2．4 防滲體變形破壞特性

圖14為模型試驗加載過程中過渡層底部邊界最大撓度隨模型頂部均布壓力荷載的變化曲線。由圖14可知，在加載初始階段，模型底部最大撓度隨著荷載的增加迅速增大，隨后增速趨于穩(wěn)定且隨荷載的增大呈近似線性增長;當荷載到達約0.55 MPa時，又開始快速增長，最后趨于穩(wěn)定。當保護層底部發(fā)生開裂時，最大撓度約為12 mm，對應的相對撓度為1/70，趨于穩(wěn)定時達最大值約為17 mm，對應相對撓度為1/49.4。

圖14 過渡層底部邊界最大撓度-荷載關系曲線

在模型頂部柔性均布壓力作用下，模型底部邊界產(chǎn)生了較大的撓度變形，并且隨著荷載的增加撓度變形開始由過渡層底部向上傳遞，最終使上部的混凝土保護層受到彎曲荷載而發(fā)生開裂破壞。在混凝土保護層開裂破壞之前，變形主要集中在過渡層內(nèi)部。荷載達到0.708 MPa時，通過圖像分析測得墊層底部最大撓度達7 mm，而保護層底部撓度達4.5 mm，已經(jīng)發(fā)生了斷裂破壞，裂縫擴展已經(jīng)達到頂部邊緣，但還未完全貫通。由于復合土工膜的限制作用及底部聚合物透水混凝土墊層具有合適的剛度，起到了協(xié)調(diào)變形的作用，所以開裂后的保護層并未發(fā)生錯動變形。

在整個結構變形過程中，聚合物透水混凝土墊層表現(xiàn)出較好的韌性特征。墊層與上部的保護層以及下部過渡層能夠保持良好接觸，始終保持協(xié)調(diào)變形。當荷載較小時，保護層未發(fā)生開裂具有較大剛度，所以墊層上部邊緣也未發(fā)生明顯撓曲變形，當保護層開裂后，墊層上部邊緣隨保護層一起發(fā)生撓曲變形，但未發(fā)生開裂破壞。墊層底部邊緣也能夠隨過渡層一起發(fā)生變形，且沒有發(fā)生脫離錯動等非連續(xù)變形。

需要說明的是，防滲體表層的保護層在試驗過程中出現(xiàn)了裂縫，這主要是試驗中未考慮保護層分縫，實際工程中保護層可以設置橫縫和豎縫來避免過大拉應力產(chǎn)生;同時還可采用纖維混凝土來增強抗裂性能。此外，保護層與面板堆石壩中的面板不同，它不是防滲體的主體結構，只是起保護土工膜作用，并非不能承受拉應力，在不影響防滲結構抗滑穩(wěn)定性前提下，保護層允許發(fā)生微小裂縫和變形，這不會對起防滲作用的土工膜的安全產(chǎn)生影響。因此，采用韌性較好的聚合物透水混凝土墊層，增加了防滲體各層材料的變形協(xié)調(diào)性，從而使整個防滲體適應壩面撓曲變形的能力增強，保證防滲體的安全。

3 結論

a．聚合物透水混凝土材料有效空隙率和滲透系數(shù)分別達到30%和7 cm/s以上，其透水性能優(yōu)于于無砂混凝土材料，且有效空隙率和滲透系數(shù)受材料成型及施工工藝影響較小。

b．聚合物透水混凝土材料綜合力學性能優(yōu)于無砂混凝土材料，主要表現(xiàn)在以下3個方面:①在合適的配比條件下，聚合物透水混凝土的抗壓強度能達到3 MPa以上，雖然低于傳統(tǒng)墊層材料無砂混凝土的抗壓強度(10 MPa以上)，但能滿足堆石壩面膜防滲墊層材料抗壓強度的要求;②聚合物透水混凝土彈性模量遠低于無砂混凝土的彈性模量，約為后者的1/30以下，在抗壓試驗中表現(xiàn)出顯著的韌性破壞特性，不會發(fā)生粉碎性破壞;③聚合物透水混凝土能承受的最大相對撓曲變形能達到1/250，其抵抗彎拉變形的能力要大于無砂混凝土材料。

c．聚合物透水混凝土墊層表面局部涂膠后，與復合土工膜之間的界面具有較高的等效抗剪強度，按照壩面防滲體穩(wěn)定性要求，按照常規(guī)面膜防滲堆石壩1∶1.5的壩坡，對應的安全系數(shù)可到8.56。聚合物透水混凝土墊層能夠維持壩面防滲體自身的穩(wěn)定性及安全性要求。

d．聚合物透水混凝土作為面膜防滲體的墊層能夠與防滲體下部過渡層和上部的土工膜及保護層協(xié)調(diào)變形，使整個防滲體能夠適應壩面較大的撓曲變形。

e．聚合物透水混凝土作為面膜防滲體墊層，具有施工工藝簡單、養(yǎng)護期短等優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)土工膜墊層材料無砂混凝土，更適合應用于深覆蓋層上高堆石壩面膜防滲體墊層。

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