土石壩土工膜滲透特性研究及應(yīng)用

李景宏

(南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南 210000)

1 引 言

防滲結(jié)構(gòu)是土石壩的關(guān)鍵部位之一，易發(fā)生滲漏破壞。目前，土工膜廣泛應(yīng)用于土石壩中。然而，土工膜在安裝過程中以及在其整個使用壽命中都很容易受到穿孔和撕裂的損壞，這些缺陷影響了土工膜作為滲透屏障的有效性，從而導(dǎo)致土工膜襯里漏入大壩。土工膜在大壩中的作用包括減少滲漏、提高穩(wěn)定性和長期性能、降低施工成本。由于運輸成本高，在沒有合適土壤的情況下，筑壩材料的成本會顯著增加[1]。土工膜襯墊是一種經(jīng)濟有效的工業(yè)產(chǎn)品替代品。即使有缺陷，土工膜也能減少通過土壤的滲漏量。建立了復(fù)合材料襯里系統(tǒng)缺陷泄漏的新方程。有限元分析表明，有缺陷的土工膜壩不會產(chǎn)生與無襯砌壩相似的孔隙水壓力。通過在大壩上游鋪設(shè)土工膜，提高了大壩的安全系數(shù)[2]。

土工膜耐久性試驗主要內(nèi)容是分析外界各種環(huán)境因素對土工膜材料耐久性的影響。通過各種環(huán)境測試模擬氣候環(huán)境、極端溫度等環(huán)境條件下的溫度和濕度循環(huán)，該方法可使得材料加速失效，從而可以驗證該材料符合研發(fā)、設(shè)計和制度的要求[1]。

本文從土工膜的滲透特性入手，通過對實測數(shù)據(jù)的反饋分析，得到了土工膜的平均滲透系數(shù)，解決了土工膜缺陷難以確定的問題。也研究了不同因素對土工膜耐久性的影響，對不同老化時間的土工膜進行了寬幅拉伸試驗、梯形撕裂試驗以及拉伸試驗。

2 土工膜的滲流機理

根據(jù)技術(shù)文獻報道的一些試驗結(jié)果，得到的主要結(jié)果和對土工膜的認(rèn)識如下[4]：

a.與其他材料相比，土工膜是一種低滲透屏障，而不是一種絕對不滲透屏障。

b.水可以擴散到土工膜中。

c.由于土工膜內(nèi)部有孔隙而導(dǎo)致滲透。

土工膜是一種完全不同于傳統(tǒng)防滲材料的新型防滲材料。它是一種無顆粒的土壤和非多孔介質(zhì)。然而，土工膜土石壩的滲流計算尚未從理論上進行研究。本文將土工膜滲漏分為兩類：滲漏、滲漏缺陷。滲流機理存在根本性差異，需要單獨分析。

2.1 土工膜滲透計算

根據(jù)達西定律，建立了土工膜淋濾液滲流的數(shù)值模型。滲漏量Q計算公式如下：

(1)

式中A——滲透面積；

kg——滲透系數(shù)；

i——水力梯度；

h——水頭；

Tg——厚度。

根據(jù)滲透試驗結(jié)果，滲透系數(shù)不是固定值，而是一個數(shù)值區(qū)域。土工膜的滲透系數(shù)隨壓力的變化而變化見圖1。一般來說，滲透系數(shù)很低。

圖1 土工膜滲透系數(shù)

2.2 土工膜滲漏計算

如果材料的滲透系數(shù)大于10-3m/s，可以認(rèn)為是自由滲透。然后通過伯努利方程計算土工膜的滲漏量：

(2)

式中H——水頭；

g——重力加速度；

d——孔直徑；

μ——流量系數(shù)；

a——單位面積缺陷面積。

2.3 比較分析

土工膜在安裝過程中以及在其整個使用壽命中都容易受到穿孔和撕裂的損壞。經(jīng)環(huán)網(wǎng)調(diào)查和統(tǒng)計分析，平均孔密度為每4000m2土工膜1個。孔的直徑從1mm到5mm不等?？紤]到我國的具體情況，實際密度大于上述密度。此外，孔密度為每4000m2土工膜1個，這是統(tǒng)計平均值。通過實例將土工膜滲流計算與滲流計算進行了比較。例：水頭H=10m，滲透系數(shù)kg=1×10-11cm/s，厚度Tg=0.5mm，孔密度為1/4000m2，孔徑為3mm。計算結(jié)果：滲流量為8×10-6m3/s(占總量的12%)，缺陷漏失量為6×10-5m3/s(占總量的88%)。算例表明，滲流和滲漏是不可忽略的。

3 土工膜土石壩滲流分析

以固體地基上的土工膜土石壩為例(見圖2)，通過水力計算法計算不透水體的滲流：

圖2 土工膜土石壩示意圖

(3)

式中δ——厚度；

ke——滲透系數(shù)；

H1——上游水位；

he——防滲體后的溢流點；

α——上游坡角。

在土工膜厚度較小的情況下，根據(jù)黏土模型，土工膜厚度δ與土工膜滲透系數(shù)kg成正比，一般為1000倍，故等效厚度取0.5～1.0m，以便于計算。放大后，由于土工膜的厚度增加了很多倍，放大倍數(shù)為1000倍，我們不能忽略。

4 土工膜耐久性因素分析

為了研究不同因素對土工膜耐久性的影響，對不同老化時間的土工膜進行了寬幅拉伸試驗、梯形撕裂試驗以及拉伸試驗。

4.1 試驗方案

本文所用土工膜為兩層400g/m2滌綸長絲土工布和0.6mm低密度聚乙烯薄膜。由于土工布和土工膜在生產(chǎn)過程中，不同批次的土工布和土工膜的性能可能不同，所有土工布和土工膜都是在同一批生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，以保證實驗室試驗材料的穩(wěn)定性。

土工膜按以下三種情況進行試驗：

a.鑒于土工膜在運營期平均蓄水位以上應(yīng)用，在不考慮水分影響的情況下，部分高于平均蓄水位的土工膜處于長期干燥狀態(tài)。

b.從運行周期來看，土工膜在平均水位下的應(yīng)用是浸沒在高含沙量的濕溶液中，主要考慮了溫度和濕度的影響。

c.在水位變化區(qū)域考慮濕度對膜材料的影響，進行了寬幅拉伸試驗以及梯形撕裂試驗。

4.2 試驗結(jié)果及分析

在室內(nèi)濕熱和溫度循環(huán)加速老化試驗條件下，分析了不同老化時間土工膜的縱向拉伸強度、縱向延伸率、縱向撕裂強度、焊接強度、黏結(jié)強度和強度等力學(xué)性能。對干、濕、浸沒三種狀態(tài)的試樣，每四個循環(huán)取一定尺寸的試樣，然后用梯形取樣法進行實驗室試驗。力學(xué)性能與時效時間的關(guān)系見圖3～圖5。

圖3 縱向抗拉強度隨時間變化

圖4 縱向延伸率隨時間變化

圖5 縱向撕裂強度隨時間變化

結(jié)果表明，土工膜材料的縱向拉伸強度在3種環(huán)境條件下隨時間略有下降，在干態(tài)或濕態(tài)時強度波動較大，下降幅度較大，為干濕循環(huán)時強度下降幅度較小。當(dāng)處于干態(tài)或者干濕循環(huán)時土工膜的縱向延伸率變化范圍較小，沒有明顯的增減趨勢。土工膜在干燥狀態(tài)下的縱向拉伸強度一般大于浸沒狀態(tài)下的拉伸強度。有兩種可能：?濕狀態(tài)下土工織物纖維長絲之間的摩擦導(dǎo)致土工膜的抗拉強度降低；?浸水條件和凍融循環(huán)條件對纖維土工膜有一定的影響。

5 土石壩中PVC土工膜的應(yīng)用

在水工建筑物中，常采用PVC土工膜作為土石壩和碾壓混凝土壩的擋水材料，并作為混凝土面板堆石壩周邊縫、豎向縫和土石壩收縮縫的外止水材料。土工膜可以處于裸露或覆蓋的上游位置，也可以作為土石壩的土工膜核心。在新的土石壩中，其概念是避免混凝土面板堆石壩的剛性上游擋水墻，并用高變形暴露PVC土工復(fù)合材料系統(tǒng)代替它，建造一個土工膜面板堆石壩，其設(shè)計可適應(yīng)大壩內(nèi)以及可變形壩體和混凝土附件。上游土工合成材料允許對大壩采用非常簡單的分層：不嚴(yán)格要求分區(qū)，可以使用單一填料，排水層的厚度通?？梢詼p小，并且根據(jù)大壩的設(shè)計，它也可以作為防水土工合成材料的基層/錨固層。如果上游基層由擠壓多孔混凝土路緣石制成，則錨固系統(tǒng)由嵌入擠壓多孔混凝土路緣石中的PVC錨條組成，防水土工復(fù)合材料被固定到該錨條上(見圖6)。

圖6 土石壩中PVC土工膜的固定

這種方法已成功地應(yīng)用于多個大壩中，能夠以非?？斓乃俣取⒌统杀窘ㄔ煊蓧簩嵦盍蠘?gòu)成的不透水大壩，提供穩(wěn)定性，以及不透水性并能夠容納沉降和不均勻運動的柔性上游襯墊。在土石壩中，全斷面防水系統(tǒng)類似于混凝土壩修復(fù)中所描述的系統(tǒng)；在多個大壩中也采用了混凝土面板嵌入防水土工合成材料的覆蓋方案。

6 結(jié) 論

根據(jù)土工膜的滲流機理，土工膜的滲透主要有兩種形式：一種是土工膜自身滲透，另一種是土工膜缺陷滲透。它們的滲流機理完全不同，應(yīng)該區(qū)別對待。計算結(jié)果表明，滲漏水不容忽視。通過對實測數(shù)據(jù)的反饋分析，得到了土工膜的平均滲透系數(shù)，解決了土工膜缺陷難以確定的問題。最后分析了土工膜耐久性因素。分析表明：土工膜材料的縱向拉伸強度隨時間略有下降。滲透系數(shù)隨老化時間的延長而變化。干燥狀態(tài)下的縱向拉伸強度一般大于浸沒狀態(tài)下的拉伸強度。土工膜的屈服強度和斷裂強度隨時間略有增加，但幅度較小。土工膜的屈服伸長率和延伸率隨老化時間的變化不明顯。