小泉水庫庫盤防滲設(shè)計(jì)及土工膜應(yīng)力應(yīng)變分析

馬海蘭

（阜康市九運(yùn)街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831501）

新疆自治區(qū)地處西北內(nèi)陸，新構(gòu)造運(yùn)動突出，區(qū)內(nèi)河道具有流程短、縱坡大特點(diǎn)，適合修建水庫地形較少，只能設(shè)計(jì)在沖積平原上。而沖積平原區(qū)往往砂礫層覆蓋厚度大，滲透性強(qiáng)，給水庫壩體建設(shè)帶來極大影響。但隨著材料技術(shù)的發(fā)展，土工膜全庫盤防防滲技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，由于其屬于柔性材料，本身可承受一定的塑性變形，可以適應(yīng)庫盤位移變形，達(dá)到較好的防滲目的。

1 工程概況

小泉水庫位于新疆阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)下湖村境內(nèi)，屬于甘河子流域下游沖積平原區(qū)。庫區(qū)及外圍地形開闊，地勢南高北低，坡度為0.3%～0.4%，周圍有較少荒漠性植被，水土流失較嚴(yán)重。該水庫是一座以灌溉為主的引水注入式水庫，經(jīng)地質(zhì)勘查，其庫盤表層低液限黏土為主，厚度0.2～1.1m，巖性為黏土、粉土、粉質(zhì)砂土，實(shí)測其滲透系數(shù)為（0.85～1.25）×10-3cm/s，屬中等透水性。由于建設(shè)初期水庫未做庫盤防滲處理，水庫滲漏損失可達(dá)4.34萬m3/a，必須做防滲處理。設(shè)計(jì)經(jīng)處理后的小泉水庫總庫容可達(dá)125萬m3，控制灌溉面積1000hm2，工程等別Ⅳ等，規(guī)模?。?）型。

2 庫盤防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小泉水庫壩體長63m，最大壩高21m，壩頂寬4.5m。上游采用混凝土面板防滲，主體結(jié)構(gòu)為砂礫石，上游壩坡為1∶1.5，下游壩坡1∶1.3（如圖1）。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用全庫盤鋪設(shè)復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲處理，防滲土工膜規(guī)格0.3～0.5mm塑料膜，由于施工中經(jīng)常發(fā)生破損情況，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用“兩布一膜”的復(fù)合土工膜，具體規(guī)格為200g/m2+0.5mmPE+200g/m2。

為保證庫盤防滲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需對鋪膜區(qū)域進(jìn)行平整處理，防滲結(jié)構(gòu)層從下到上依次為天然砂礫料+150mm砂墊層+400mm厚天然級配砂礫料［1］，土工膜之間采用熱焊接搭接，上游坡腳和庫盤交接處開挖固定槽，尺寸0.8m×1.0m（寬×深），鋪設(shè)完成后用原土回填夯實(shí)，并設(shè)置防沖齒墻。

圖1 大壩及土工膜布置結(jié)構(gòu)剖面

3 土工膜應(yīng)力應(yīng)變場分析

隨著水庫投入使用，水庫庫盤會產(chǎn)生一定變形，進(jìn)而會有相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變［2］。而土工膜有一定塑性，如果庫盤應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值在土工膜極限范圍內(nèi)，則不會影響其防滲性；若超出土工膜極限范圍，則可能將土工膜撕裂，破壞防滲結(jié)構(gòu)整體性，防滲效果也會大大降低［3］。因此需要對兩者應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.1 庫盤位移和應(yīng)變場

本項(xiàng)目采用“三維有限元”模型對小泉水庫庫盤位移和應(yīng)變場進(jìn)行模擬分析，將大壩總結(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)6420個單元。庫盤應(yīng)力應(yīng)變是本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)，庫盤模擬長度取5倍壩高，模型如圖2［4］。

圖2 壩體三維有限元計(jì)算網(wǎng)格

3.1.1 庫盤和壩基位移分析

通過模擬得到小泉水庫滿蓄期庫盤和壩基水平和豎向位移云圖［5］，如圖3和圖4。

圖3 滿蓄期庫盤、壩基水平位移云圖

圖4 滿蓄期庫盤、壩基豎向位移云圖

模擬結(jié)果表明：

（1）水平方向，滿蓄期庫盤向上游方向偏移1.23cm，向下游方向偏移2.56cm，偏移最大值均位于上下游壩踵位置。

（2）豎直方向，壩體會發(fā)生沉降，最大值出現(xiàn)在上游壩基坡腳部位，具體值約為17.10cm。

3.1.2 庫盤和壩基應(yīng)力場分析

模擬小泉水庫滿蓄期庫盤和壩基拉應(yīng)力場分布情況，如圖5。在滿蓄期，庫盤和壩基主要載荷為“自重+水體重力”，其中水體重力載荷分布基本平行于地表庫盤表面，最大應(yīng)力值0.32MPa。庫盤表面最大應(yīng)力值位于上游坡腳位置 （固定槽），應(yīng)力值0.54MPa。換算到土工膜最大拉應(yīng)力，數(shù)值0.065MPa。

圖5 滿蓄期庫盤、壩基應(yīng)力場分布云圖

3.2 土工膜極限應(yīng)力應(yīng)變分析

復(fù)合土工膜為柔性材料，抗拉性是決定其應(yīng)用效果的主要指標(biāo)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在試驗(yàn)室對土工膜性能進(jìn)行測試［6］。測試溫度和作用力加載速率對結(jié)果影響較大，經(jīng)調(diào)查，阜康市境內(nèi)水庫庫底溫度范圍常年保持在9～11℃，因此試驗(yàn)溫度設(shè)定為10℃；作用力加在速率設(shè)定為5cm/min。

試驗(yàn)方法為將復(fù)合土工膜浸泡在水中，在其縱、橫方向上同時進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到兩個方向上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6。

圖6 復(fù)合土工膜縱、橫向應(yīng)力應(yīng)變曲線

由于試驗(yàn)條件屬于理想化，所以極限拉應(yīng)力σmax和極限拉應(yīng)變εmax需留有一定安全系數(shù)，計(jì)算公式如式（1）、式（2）。

式中 σa為土工膜容許拉應(yīng)力；εa為土工膜容許拉應(yīng)變；FiD為施工破壞影響系數(shù)，取值1.6；FcR為材料蠕變影響系數(shù)，取值2.1；FcD為化學(xué)破壞影響系數(shù)，取值1.2；FbD為生物破壞影響系數(shù)，取值1.1。

最終得到復(fù)合土工膜力學(xué)容許值，如表1。

表1 復(fù)合土工膜力學(xué)容許值

綜合分析：小泉水庫庫盤防滲對土工膜要求的極限拉應(yīng)力數(shù)值為0.065MPa，通過試驗(yàn)室分析得出所用土工膜材料的容許拉應(yīng)力達(dá)到1.00MPa，安全系數(shù)達(dá)到14.4；對土工膜要求的極限拉應(yīng)變值為0.171m，而土工膜容許拉應(yīng)變大于10.3%，按照土工膜鋪設(shè)尺寸為50m×60m計(jì)算，其容許拉應(yīng)變值約為橫向5.16m，縱向容許值更大，因此均符合相關(guān)安全要求。

4 結(jié)語

小泉水庫在蓄水后其庫盤和壩基的橫向和豎向最大位移分別發(fā)生在上下游壩踵和上游壩基坡腳部位，數(shù)值分別為2.56cm和17.10cm。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測試土工膜的容許應(yīng)力應(yīng)變值，因此安全性符合要求。在應(yīng)用土工膜防滲時，必須結(jié)合工程實(shí)際情況，施工前要對所用材料性能進(jìn)行嚴(yán)格測試，防止出現(xiàn)效果不佳情況。

［1］侍克斌，李玉建，馬英杰，等.土工膜全庫盤防滲技術(shù)在勝利水庫的應(yīng)用及有關(guān)問題探討［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（11）：143-144.

［2］唐安軍，劉紅.土工膜水庫庫盤防滲技術(shù)及應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)， 2010（5）：86-88.

［3］李旺林，魏曉燕，李志強(qiáng)，等.平原水庫庫盤防滲土工膜氣脹現(xiàn)場試驗(yàn)研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2014（10）：29-132.

［4］李旺林，李志強(qiáng)，魏曉燕，等.土工膜缺陷滲漏引起氣脹的研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（6）：1161-1165.

［5］吳俊杰，鳳煒，劉亮，等.全庫盤防滲復(fù)合土工膜應(yīng)力應(yīng)變分析［J］.水電能源科學(xué)， 2013（12）：66-69.

［6］路強(qiáng).土石壩全庫盤土工膜防滲技術(shù)探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)， 2017（7）：130-132.