土石壩防滲（復(fù)合）土工膜缺陷及其滲漏問題研究進(jìn)展

岑威鈞（河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098）

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土石壩防滲（復(fù)合）土工膜缺陷及其滲漏問題研究進(jìn)展

岑威鈞
（河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098）

摘要：在國內(nèi)外眾多土石壩采用（復(fù)合）土工膜防滲的工程背景下，分析了壩面或壩內(nèi)土工膜缺陷的類型及產(chǎn)生缺陷的原因。歸納總結(jié)了國內(nèi)外已有（復(fù)合）土工膜缺陷滲漏問題的研究成果，認(rèn)為現(xiàn)有研究成果不適用于解決高土石壩復(fù)合土工膜的缺陷滲漏問題。同時認(rèn)為高土石壩復(fù)合土工膜的缺陷演化規(guī)律、缺陷滲漏對壩體滲流場分布及對大壩安全的影響，以及如何采取有效的限滲減漏措施預(yù)防和減小缺陷滲漏量，已成為高土石壩復(fù)合土工膜防滲工程發(fā)展的瓶頸。為此，建議對復(fù)合土工膜的缺陷滲流特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時采用理論分析、數(shù)值模擬和工程實(shí)例反饋分析等手段對土石壩中復(fù)合土工膜的缺陷滲流及缺陷演化等相關(guān)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，以便為復(fù)合土工膜防滲高土石壩的滲漏安全評判、預(yù)防及修復(fù)等方面起到理論指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：土石壩；（復(fù)合）土工膜；缺陷滲漏；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬；反饋分析

現(xiàn)代土石壩尤其是（較）高土石壩，其防滲體基本以黏土心墻（斜心墻或斜墻）、混凝土面板、瀝青混凝土心墻為主。與傳統(tǒng)的防滲材料（黏土、混凝土）相比，（復(fù)合）土工膜具有更為優(yōu)越的防滲性能，且具有施工速度快、造價低廉等優(yōu)點(diǎn)，這點(diǎn)已為大家所共識[1-2]。目前，國內(nèi)外已有眾多土石壩（含堤防）及圍堰等臨時工程成功采用土工膜或復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲[3-5]。土工膜在土石壩中的布置位置主要有兩種：一種是覆蓋在土石壩的上游壩面，土工膜被當(dāng)作柔性防滲面板，壩體結(jié)構(gòu)形式與混凝土面板壩相似，如阿爾巴尼亞的Bouilla壩、西班牙的Poza de Los Ramos壩、我國的鐘呂堆石壩（修復(fù)加固時改為面板壩）、西霞院土石壩和小嶺頭堆石壩等均采用這種布置形式。根據(jù)上游壩坡的陡緩程度不同，土工膜的結(jié)構(gòu)布置形式略有差異，關(guān)鍵是讓土工膜能在壩面維持穩(wěn)定以及與周邊剛性結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行合理連接[6]。對于透水地基上的土石壩，壩面土工膜可以向上游壩基延伸，兼做鋪蓋之用，如尼日利亞的Jibiya壩、中國的小青溝二庫壩、王甫州水利樞紐圍堤等工程?？紤]到壩面鋪設(shè)土工膜用材較多，且運(yùn)行期易受外界環(huán)境影響，另一種布置方式是將土工膜鋪設(shè)于壩體中間作為防滲心墻。我國云南塘房廟大壩、田村壩、三峽二期圍堰等工程采用此類防滲設(shè)計(jì)形式。施工時一般將復(fù)合土工膜鋪設(shè)成“之”字形，與壩體填筑協(xié)同進(jìn)行，以便更好地適應(yīng)壩體變形。

新建或已建土石壩均可采用（復(fù)合）土工膜進(jìn)行防滲或滲漏加固。目前國際上土工膜防滲水頭最高的新建土石壩為西班牙97m高（后加高至134m）的Poza de Los Ramos堆石壩，而老壩滲漏加固的最高土石壩為葡萄牙110 m高的Paradela面板堆石壩。老撾在建的88 m高的南烏江六級水電站土石壩也采用復(fù)合土工膜防滲。我國土石壩采用土工膜或復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲起步較晚，究其原因是多方面的，除早期受生產(chǎn)工藝、耐久性、施工工藝等限制外，更主要的可能是人們對土工膜的工程特性認(rèn)識不足，擔(dān)心土工膜的缺陷滲漏和耐久性等問題。SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定復(fù)合土工膜防滲只能用于壩高小于30 m的3級低壩，這在很大程度上限制了土工膜在較高土石壩中的應(yīng)用。實(shí)際上，也有幾個壩高超過30 m的土石壩在經(jīng)過論證后突破了SL 274—2001的約束，例如云南53m高的塘房廟堆石壩、廣西48 m高的田村堆石壩、深厚覆蓋層（最大厚度143m）上56m高的四川仁宗海堆石壩[7]等均進(jìn)行了大膽創(chuàng)新。對于老壩防滲加固，我國也有不少成功實(shí)例，如陜西85 m高的石砭峪定向爆破堆石壩成功采用壩面鋪膜的方式解決了大壩長期嚴(yán)重滲漏問題[8]。2008年頒布的DL/ T 5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》將土工膜防滲壩高提升到100 m高的3級中壩，在很大程度上鼓勵（較）高土石壩工程采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲。與一般的堤防或低壩不同，高土石壩擋水水頭高，采用復(fù)合土工膜防滲的一個突出問題就是土工膜的缺陷滲漏問題。隨著壩高的增加，復(fù)合土工膜的防滲面積大幅度增加，相應(yīng)的復(fù)合土工膜之間的拼接縫、與山體邊界或防滲墻的連接縫以及施工中造成的隱性破損等也會相應(yīng)地大幅增加。這些拼接縫、連接縫及隱性破損等均不同程度地造成復(fù)合土工膜的缺陷孔洞或缺陷縫隙，在高水頭作用下，其缺陷滲漏可能相當(dāng)可觀，勢必會對大壩安全造成隱患。

1 土石壩中（復(fù)合）土工膜的缺陷類型及產(chǎn)生原因

土石壩中（復(fù)合）土工膜的缺陷包括細(xì)觀和宏觀兩類。其中，細(xì)觀缺陷多為生產(chǎn)過程中母材不均一性導(dǎo)致的細(xì)微孔眼[1]，稱之為“魚眼”，其孔徑一般在微米級，遠(yuǎn)小于土工膜的厚度。在一定的受力條件下，這些“魚眼”就會裂解擴(kuò)張，成為微小滲透通道。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定土工膜滲透系數(shù)時測得的滲流量就是這種細(xì)觀缺陷滲漏量。對于土工膜防滲土石壩，并不需要關(guān)心土工膜的細(xì)觀缺陷滲漏，而是要重點(diǎn)考慮土工膜宏觀缺陷引起的滲漏。這些宏觀缺陷主要是產(chǎn)品制造、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行等原因造成的。

首先，產(chǎn)品制造質(zhì)量導(dǎo)致的宏觀缺陷主要表現(xiàn)為土工膜厚度局部變薄或損傷[9]、局部夾雜異物等。只要控制好原材料的質(zhì)量及嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，這類缺陷是可以避免的。其次，對于土工膜防滲土石壩，不正確的設(shè)計(jì)同樣會引起土工膜產(chǎn)生缺陷。這類缺陷主要發(fā)生在與岸坡、巖基、防滲墻、防浪墻等剛性建筑物的連接處。與這些結(jié)構(gòu)部位連接時需要給土工膜一定的變形空間，不能處于“緊繃”狀態(tài)，否則容易出現(xiàn)“夾具效應(yīng)”[10]，引發(fā)土工膜受拉缺陷破損。第三，土工膜的宏觀缺陷更多的是在施工過程中產(chǎn)生，主要是土工膜拼接時脫焊、虛焊（或脫膠）等導(dǎo)致的縫狀缺陷，以及施工人員或施工機(jī)械引起土工膜頂破和刺破的孔洞等，這類缺陷形狀和大小不一，分布也具有一定的隨機(jī)性。國外曾對某工程28處共20萬m2的土工膜進(jìn)行質(zhì)量檢測，結(jié)果表明，平均每1萬m2中有26個漏水孔，其中69%出現(xiàn)在焊縫處[1]，由此可見施工質(zhì)量的重要性。國內(nèi)因土工膜施工工藝研究起步較晚，同時缺乏有經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍，施工導(dǎo)致土工膜出現(xiàn)各種缺陷的數(shù)量和幾率要遠(yuǎn)大于上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。第四，施工程序不當(dāng)或土工膜鋪設(shè)后未及時保護(hù)也會造成土工膜缺陷。比如，江西婺源51 m高的鐘呂復(fù)合土工膜堆石壩[11]，土工膜的焊接由非專業(yè)人員施工和監(jiān)理，在壩面鋪膜未保護(hù)好的情況下爆破開挖溢洪道，導(dǎo)致復(fù)合土工膜出現(xiàn)1 000多處脫焊、漏焊和飛石擊破孔洞。此外，土工膜防滲土石壩的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)也會使大壩在蓄水運(yùn)行期出現(xiàn)土工膜的宏觀缺陷。當(dāng)防滲土工膜布置于壩面時，由大壩結(jié)構(gòu)分析可知[7]，蓄水后壩軸向河床中部土工膜受壓，兩岸區(qū)域土工膜受拉，順坡向河床頂部和底部區(qū)域土工膜受拉，中部受壓，呈雙向受拉特性[12]。因此蓄水期壩面土工膜在順河向頂部和底部以及壩軸向兩岸區(qū)域有拉裂的可能。雖然土工膜有一定的抗拉性能，但不足以抵抗壩體變形，一旦拉力超過極限強(qiáng)度，土工膜就會出現(xiàn)破損。

對于平原地區(qū)水庫全庫盤采用土工膜防滲的情況，初次蓄水時膜下地基內(nèi)氣體來不及排出，會頂托土工膜，可能引起土工膜的局部氣脹破損，如山東省淄博市新城水庫全庫鋪膜約1. 0 km2，因氣脹破壞導(dǎo)致嚴(yán)重滲漏[13]。當(dāng)水位降落過快時，由于膜下地基的滲透水排出需要時間，這期間較大的滲透壓力可能會引起土工膜液脹漂浮現(xiàn)象，尤其是鋪蓋中部。當(dāng)上托水壓力遠(yuǎn)大于膜上水壓力時可能引起土工膜的液脹破損。

對于將土工膜用作防滲心墻布設(shè)在壩體中央的情況，由于土工膜沿壩高方向一般多鋪設(shè)成“之”字形，與壩體填筑協(xié)同進(jìn)行，因此高度方向土工膜出現(xiàn)破損的可能性較小，但壩軸向仍然存在與壩面鋪設(shè)土工膜一樣的受力情況，依然可能出現(xiàn)因與壩體變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的兩岸拉伸破壞。

2 （復(fù)合）土工膜缺陷滲漏問題若干研究

在土工膜防滲工程中，土工膜一旦有了缺陷，其凸顯的危害就是缺陷滲漏問題。我國于20世紀(jì)60年代中期開始土工膜的防滲應(yīng)用，當(dāng)時主要用于渠道、堤防等低水頭水利工程，工程設(shè)計(jì)主要依靠主觀認(rèn)識和國外的實(shí)例經(jīng)驗(yàn)[1]。雖然人們早已注意到土工膜的缺陷滲漏問題，但由于其問題的復(fù)雜性，幾乎沒有相關(guān)研究。到了80年代，國內(nèi)外陸續(xù)有人對此開展專門研究，代表人物就是國際上著名的土工合成材料專家Giroud及其合作者[14-21]，Laine[22]、Eloy-Giorni[23]、Jayawickrama[24]以及國內(nèi)吳景海[25]、束一鳴[26-27]、戴鵬飛[28]、顧淦臣[29]、劉鳳茹[30]等學(xué)者對（復(fù)合）土工膜的缺陷滲漏問題也有不同程度的理論分析和試驗(yàn)研究。一般認(rèn)為，對于因產(chǎn)品質(zhì)量不均一性導(dǎo)致的土工膜細(xì)觀缺陷，因其孔徑明顯小于土工膜厚度，滲漏量可由Poiseuille公式計(jì)算。由于這類缺陷滲漏量是非常微小的，因此不會對土石壩安全造成影響，設(shè)計(jì)時不需要考慮。因產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行等原因?qū)е碌耐凉つさ母黝惡暧^缺陷形狀比較隨機(jī)，除了明顯的縫狀缺陷外，缺陷尺寸一般可用面積等效的圓形缺陷的孔徑來表征，稱為等效孔徑。由于絕大多數(shù)土工膜宏觀缺陷的等效孔徑明顯大于土工膜厚度，因此其滲漏情況需引起重視。埋設(shè)在土石壩中的土工膜的缺陷滲漏量與缺陷類型和大小、下墊層的滲透性及接觸條件密切相關(guān)。若土工膜缺陷孔洞兩側(cè)均無滲流限制，缺陷滲流可視為自由出流，滲漏量可按Bernoulli公式計(jì)算。實(shí)際工程中可視為無限制出流的情況很少。Jayawickrama等[24]通過試驗(yàn)研究認(rèn)為，如果下墊層的滲透系數(shù)大于10-1cm/ s，則缺陷處的滲漏仍可認(rèn)為是無限制自由出流。Giroud 等[18]通過經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)得出當(dāng)下墊層的滲透系數(shù)大于104～105倍土工膜滲透系數(shù)時，下墊層對土工膜缺陷滲流的影響可以忽略，此時的缺陷滲漏量仍可按Bernoulli公式計(jì)算。目前，因暫時無法徹底認(rèn)識和解決土工膜缺陷滲漏問題，土工膜防滲設(shè)計(jì)時傾向于土工膜的下墊層設(shè)計(jì)可能需要參照面板堆石壩的墊層設(shè)計(jì)思想，要求墊層起到輔助防滲（限滲）的作用，與土工膜共同形成所謂的復(fù)合防滲層。這種復(fù)合防滲層在水壓力的作用下，一方面在土工膜與下墊層之間形成接觸滲流，另一方面，滲透水流向下墊層擴(kuò)散。對于后者，Jayawickrama等[24]于1988年應(yīng)用Darcy定律在流線簡化假設(shè)的基礎(chǔ)上給出了復(fù)合防滲層滲漏的解析解。Giroud及其合作者[14-21]對與土工膜缺陷相關(guān)的滲漏量計(jì)算、滲漏液遷移及工程設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了大量研究，尤其對于滲漏量的計(jì)算，通過理論分析和一些近似處理推導(dǎo)了土工膜與下墊層接觸良好和接觸不良時缺陷滲漏量的簡化半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。這些研究大多針對低水頭情況，如垃圾填埋場滲漏液問題。計(jì)算表明，上述幾種方法計(jì)算得到的滲漏量差異很大，尤其單膜的滲漏量遠(yuǎn)大于復(fù)合防滲層的滲漏值。Weber等[31]在美國奧斯汀大學(xué)進(jìn)行了水頭從0. 3～60 m的大跨度土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)，期望將研究成果用于大壩等高水頭防滲工程中。試驗(yàn)表明，隨著水頭增大，滲漏量增大；膜與墊層的接觸性質(zhì)對滲漏結(jié)果影響很大。高水頭下膜與土的接觸性質(zhì)會有所改善，但土體承受的水力梯度也會增大。由于試驗(yàn)儀器直徑只有15 cm，墊層最大模擬厚度只有20 cm，因此儀器對試驗(yàn)成果產(chǎn)生了明顯的邊界干擾效應(yīng)，研究成果是否可用于高水頭防滲工程值得商榷。Cartaud等[32-33]對在含圓形缺陷的土工膜下增設(shè)1層土工織物進(jìn)行了缺陷滲漏試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，指出土工織物改變了原先膜與下墊層土體的接觸條件，影響了膜土之間的接觸滲漏。Barroso等[34-35]進(jìn)行了3個不同尺度的土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)。研究表明，隨著水頭的增加，缺陷滲流量增大。膜上施加的法向荷載（非水壓力）能較明顯地限制土工膜的缺陷滲漏。與大、中尺度的試驗(yàn)相比，小尺度試驗(yàn)測得的滲漏量偏大，可以作為現(xiàn)場類似情況的上限值。Saidi等[36]對土工膜含有2個相鄰的正方形缺陷孔時膜下復(fù)合墊層的滲流行為進(jìn)行數(shù)值分析，從缺陷的間距、施加的水頭、缺陷尺寸及膜土接觸特性等方面對結(jié)果進(jìn)行敏感性分析，并與相同面積的單個缺陷孔的結(jié)果進(jìn)行比較。研究表明，雙缺陷孔的交叉效應(yīng)并未明顯減小滲漏量，缺陷下的滲漏區(qū)域近似呈“8”字形或橢圓形，雙缺陷時的滲漏量和膜下滲流區(qū)域與單個等面積缺陷時的結(jié)果差異隨著2個缺陷的間距增大而增大。沈振中等[37]對筆者所在課題組曾開展的土工膜缺陷滲漏模型試驗(yàn)[38]進(jìn)行了飽和非飽和滲流場數(shù)值模擬，得到了與實(shí)測數(shù)據(jù)較為一致的結(jié)果。Mendes等[39]對缺陷土工膜與復(fù)合墊層（GCL，geosynthetic clay liner）和壓實(shí)黏土之間的接觸滲漏進(jìn)行了專門的試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明不同類型和材料的GCL對接觸層的透水率影響不大，但是接觸特性對缺陷滲漏徑向作用范圍影響很大，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到“穩(wěn)定”狀態(tài)后接觸滲漏量隨時間不再發(fā)生明顯變化。岑威鈞等[40-41]、孫丹等[42]分別采用完全飽和滲流理論及飽和非飽和滲流理論對有無缺陷時的土工膜防滲土石壩進(jìn)行滲流場仿真分析，重點(diǎn)研究土工膜不同厚度放大倍數(shù)下大壩滲流量、浸潤線和膜后土體局部滲透坡降等的變化情況，以及缺陷滲漏對壩體浸潤線及缺陷附近水頭等值線分布的影響。

對于平原地區(qū)或者砂礫石地基，當(dāng)土工膜充當(dāng)鋪蓋或者全庫盤土工膜防滲時，如果設(shè)計(jì)中沒有做好排氣排水工作，庫盤土工膜容易出現(xiàn)氣脹或液脹現(xiàn)象，引發(fā)土工膜的破損。李旺林等[43]研制了超大型專用土工膜氣脹試驗(yàn)設(shè)備，利用滲漏區(qū)和非滲漏區(qū)氣脹試驗(yàn)來模擬土工膜缺陷滲漏引起的氣脹現(xiàn)象。主要結(jié)論有：無缺陷的土工膜在地下水位不變時水庫蓄水不會產(chǎn)生土工膜氣脹現(xiàn)象；土工膜有缺陷滲漏時，蓄水初期滲水接觸地下水后，會擠占土工膜膜下非飽和土孔隙氣體空間。庫區(qū)內(nèi)地下水位的整體上升促使非飽和土中孔隙氣體的聚集和上升，并引起土工膜產(chǎn)生局部隆起的氣脹變形。當(dāng)氣脹變形達(dá)到一定值時可能進(jìn)一步產(chǎn)生新的氣脹頂破缺陷。李旺林等[44]和袁俊平等[45]對山東大屯水庫庫區(qū)土工膜進(jìn)行現(xiàn)場氣脹試驗(yàn)，通過監(jiān)測膜下孔隙壓力對土工膜氣脹原因進(jìn)行了研究，認(rèn)為地下水的上升對土工膜氣脹有明顯影響。

綜觀上述（室內(nèi)和現(xiàn)場）試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，有關(guān)土工膜缺陷滲漏的研究成果大多是在低水頭條件下得到的，且未涉及滲漏與缺陷演化之間可能的耦合效應(yīng)，將這些研究成果用于土工膜防滲高土石壩中還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。高土石壩基本上采用復(fù)合土工膜防滲，且以兩布一膜的形式居多。與單一土工膜不同，復(fù)合膜的缺陷滲流除受下墊層土體特性等影響外，還受兩側(cè)土工織物的影響。土工織物在不同壓力下表現(xiàn)出來的限流（或增流）作用有多大，目前均無系統(tǒng)研究。另外，在高水頭作用下，復(fù)合土工膜的缺陷是否會進(jìn)一步擴(kuò)張同樣也是一個需要研究的問題。因此，復(fù)合土工膜的缺陷滲漏問題不能簡單地套用上述單一土工膜及土工膜與下墊層土體形成的復(fù)合防滲層的缺陷滲漏計(jì)算方法。關(guān)于復(fù)合土工膜的缺陷滲漏問題，目前國內(nèi)外文獻(xiàn)對此基本上沒有相應(yīng)的分析理論和計(jì)算方法報道，已有研究主要仍停留于實(shí)驗(yàn)室研究階段。劉鳳茹等[38]曾進(jìn)行了為期6個月的復(fù)合土工膜缺陷滲漏量試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理擬合了缺陷滲流量的經(jīng)驗(yàn)公式。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷處的集中滲漏會沖刷下墊層，細(xì)顆粒有流失現(xiàn)象。同時，由于受過較高水壓力的作用，缺陷以外原先平整的復(fù)合土工膜表面凹凸不平，出現(xiàn)了麻點(diǎn)，表明土工膜在一定程度上受到了下墊層土石料造成的損傷。

（復(fù)合）土工膜是柔性材料，其抗拉剛度和抗頂破強(qiáng)度等力學(xué)特性有限。在高土石壩中，高水頭作用下缺陷部位的集中滲漏會沖刷下部墊層，導(dǎo)致細(xì)顆粒流失。同時，這些缺陷可能會繼續(xù)擴(kuò)張演化，進(jìn)一步加大缺陷滲漏量，影響壩體滲流場分布，進(jìn)而可能對大壩安全造成隱患。因此，高土石壩中僅知道缺陷滲漏量是不夠的，還需詳細(xì)研究土工膜缺陷滲漏產(chǎn)生的原因及缺陷演化規(guī)律、缺陷滲漏對壩體滲流場分布及對大壩安全的影響，以及如何采取有效的限滲減漏措施預(yù)防和減小缺陷滲漏量。這些問題已成為高土石壩復(fù)合土工膜防滲發(fā)展的瓶頸，可惜目前國內(nèi)外還未深入涉及此類研究。

3 解決復(fù)合土工膜缺陷滲漏問題的研究設(shè)想

根據(jù)已有文獻(xiàn)資料，已有土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)中對土工膜的種類和規(guī)格，墊層的形式和級配，缺陷的形式、大小和數(shù)量等因素考慮得比較單一，并且水壓力施加方向固定。滲漏狀態(tài)僅為單一圓孔滲漏，沒有考慮2個或多個缺陷孔對滲漏水流的交叉影響。試驗(yàn)過程中因水頭較小，未出現(xiàn)復(fù)合土工膜缺陷的擴(kuò)張問題。試驗(yàn)過程僅監(jiān)測滲漏量。通過試驗(yàn)資料整理得到的一些土工膜滲漏量計(jì)算方法和公式也有一定的適用條件，且不同方法得到的計(jì)算結(jié)果差異較大。高土石壩一般用砂礫石和堆石等粗粒土填筑，當(dāng)復(fù)合土工膜與粗粒土墊層接觸時，由于土顆粒間的孔隙較大，復(fù)合土工膜在水壓力作用下會在土石顆粒形成的局部支撐邊界處發(fā)生變形，產(chǎn)生拉伸變形，承受局部拉應(yīng)力。如果這些局部拉應(yīng)力過大，復(fù)合土工膜會被拉裂，造成缺陷，形成新的漏水點(diǎn)。同時，在（較）高水壓力的持續(xù)作用下，缺陷可能進(jìn)一步擴(kuò)張，導(dǎo)致滲漏加大，最終可能影響大壩整體防滲安全性。這些因素均未在已有土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)中進(jìn)行系統(tǒng)考慮，因此后期土工膜缺陷滲流特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)時需考慮上述因素，以便更加充分地掌握缺陷滲漏形成和演化的時空分布規(guī)律。其次，對復(fù)合土工膜缺陷滲流特性試驗(yàn)動態(tài)觀測到的滲漏量、滲透壓力、逸出點(diǎn)位置等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，嘗試建立解析或半解析的相關(guān)物理量預(yù)測函數(shù)。同時，對試驗(yàn)過程進(jìn)行三維非恒定非飽和滲流場有限元數(shù)值模擬。進(jìn)一步將缺陷滲流行為與土工膜缺陷演化相聯(lián)系，并進(jìn)行數(shù)學(xué)力學(xué)建模及數(shù)值仿真。在模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對已建土工膜防滲土石壩土工膜缺陷性態(tài)進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，也可借助已建土工膜防滲土石壩工程滲流觀測資料的反饋分析對土工膜缺陷位置進(jìn)行推測確定[46]。分別對確定缺陷布設(shè)與隨機(jī)缺陷布設(shè)[47]這2種情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究高水頭作用下土工膜缺陷的損傷演化路徑和最終穩(wěn)態(tài)值，以及與缺陷滲流之間的動態(tài)耦合效應(yīng)。如有條件，可借助光纖測量方法對數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[48-49]，最終從防滲安全、局部穩(wěn)定和受力變形角度對缺陷土工膜和壩體建立滲流量、滲透梯度、缺陷損傷變量、缺陷局部應(yīng)變、缺陷尺寸等系列技術(shù)指標(biāo)體系，對土工膜防滲土石壩進(jìn)行綜合安全評判。

4 結(jié) 語

（復(fù)合）土工膜防滲土石壩是具有良好應(yīng)用前景的一類新壩型。在充分了解土石壩中（復(fù)合）土工膜缺陷類型及成因的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分重視缺陷滲漏及相關(guān)問題。國內(nèi)外雖對（復(fù)合）土工膜缺陷滲漏問題已有一些研究成果，但尚未解決高土石壩復(fù)合土工膜的缺陷滲漏問題。為此，提出了復(fù)合土工膜缺陷滲流特性試驗(yàn)的研究設(shè)想，建議采用理論分析、數(shù)值模擬和工程實(shí)例反饋分析等多種手段對復(fù)合土工膜的缺陷滲流特性及缺陷演化等問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。預(yù)期研究成果將對現(xiàn)有復(fù)合土工膜防滲高土石壩的滲漏安全評判及修復(fù)起到重要的指導(dǎo)作用，同時可促進(jìn)我國復(fù)合土工膜防滲高土石壩工程安全、快速地發(fā)展，也可應(yīng)用于其他（較）高水頭防滲工程中，具有良好的工程應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益潛力。

致謝：本文得到顧淦臣教授和沈長松教授的啟引和指導(dǎo)，在此深表感謝！

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Advances in research of defects and leakage of（composite）geomembrane in earth-rock dams/ /

CEN Weijun （College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：In the context of（composite）geomembrane being widely used in many earth-rock dams in China and abroad，the reasons for defects and defect classification in geomembrane on the dam surface or inside dams are discussed. Based on a summary of research on the defects and leakage of（composite）geomembrane in China and abroad，it is shown that the existing results cannot be directly used to solve the defect and leakage problems of composite geomembrane used in high earth-rock dams. It is also shown that defect evolution，the influence of defect-induced leakage on the dam seepage field distribution and dam safety，and effective measures for leakage control are the development bottlenecks for composite geomembrane application in high earth-rock dams. Therefore，laboratory tests should be performed to study the defectinduced leakage of composite geomembrane. It is also necessary to conduct systematic research on some issues related to defect evolution and defect-induced leakage in composite geomembrane used in earth-rock dams based on theoretical analysis，numerical simulation，and feedback analysis of practical projects，so as to provide guides for leakage prevention and restoration of composite geomembrane as well as safety evaluation of high earth-rock dams with composite geomembrane used for seepage control.

Key words：earth-rock dam；（composite）geomembrane；defect-induced leakage；model test；numerical simulation；feedback analysis

收稿日期：（2015 07 07 編輯：駱超）

作者簡介：岑威鈞（1977—），男，副教授，主要從事土石壩抗震及水工滲流分析與控制研究。E-mail：hhucwj@163. com

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金（BK20141418）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

中圖分類號：TV441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006 7647（2016）01 0016 07