深厚覆蓋層上復合土工膜防滲體受力特性分析

馬海兵

（新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所，新疆阜康831500）

深厚覆蓋層上復合土工膜防滲體受力特性分析

馬海兵

（新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所，新疆阜康831500）

分析土工膜防滲受力變形特性，有助于了解防滲體系在可能的不良情況下是否能夠安全運行，進而掌握大壩結構安全運行狀況。研究符合土工膜的受力特性屬于材料與邊界條件的雙重非線性問題，采用非線性有限元對雙河水庫復合土工膜防滲體受力特性進行分析，對壩體力學特性和變形規律進行研究得出：復合土工膜與粗粒墊層結構面應力-應變關系屬于應變軟化型，符合一般應力應變規律，在可能的不良情況下，大壩應力、變形都在安全允許范圍內，大壩結構安全符合設計要求。

雙河水庫；壩體；土工膜；受力特性

0 引言

近年來，隨著材料制造工藝的不斷進步，復合土工膜在防滲性能方面取得長足的改進，具有良好的力學特性和防滲特性，在水力工程中應用越來越廣泛。復合土工膜作為壩體防滲結構的一部分，土工膜與墊層結構面的受力特性勢必會影響到土工膜防滲特性的發揮。雙河水庫大壩建設在深厚覆蓋層上，工程設計采用土工膜+砂殼的防滲形式。分析土工膜防滲受力變形特性，有助于了解防滲體系在可能的不良情況下是否能夠安全運行，進而掌握大壩結構安全運行狀況。

1 工程概況

雙河水庫處于白楊河山前沖洪積傾斜平原之上部，庫區地層由第四紀上更新世（Q3）卵石、全新世（Q4）淤泥質粉土層組成。但淤泥質粉土層厚度較小，分布不均屬弱透水層。而下部有由巨厚卵石和碎石土組成，分布較穩定，滲透系數為4.1×10-3cm/s（3.5 m/d），屬中等透水層，地下水埋深大于150 m。大壩建設深厚覆蓋層上，壩體上下游壩坡坡比分別為1∶3和1∶2。

復合土工膜的規格型號采用200 g/m2/PE0.50/200 g/m2，幅寬采用6.0 m~8.0 m，拉伸強度不低于180 N/（5 cm），斷裂延伸率不低于40%，彈性模量在5℃不低于70 MPa，抗凍性（脆性溫度）不應低于-60℃，撕裂強度應大于或等于40 N/mm，抗滲強度應在1.05 MPa水壓下48小時不透水，滲透系數為10-11cm/s~10-12cm/s。

2 計算模型

根據文獻資料[1-2]可知，土工膜單寬拉力會隨著拉應變的增加而增加，到一定程度后拉力會下降。復合土工膜與墊層結構面在接觸過程中，二者之間會產生摩擦，而對摩擦特性有直接影響的為剪應力。而工程壩體的填筑料選擇的是砂礫石料，其屬于非線性材料，應力應變關系亦呈非線性。同時，土工膜與壩體結構面屬于邊界條件的非線性接觸，所以，研究復合土工膜防滲斜墻的受力特性屬于材料與邊界條件的雙重非線性問題研究。

2.1 本構模型

為了解本工程土工膜與墊層結構面的摩擦特性，設計通過室內實驗，在25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa四種不同豎向應力作用下，求得土工膜與不同結構面的位移-剪應力關系曲線，進而推導得出最大剪切應力[3-4]。圖1所示為在不同法向正應力條件下土工膜與墊層結構面的位移-剪應力關系曲線。分析可知，位移-剪應力曲線呈明顯的拋物線形態，隨著拉應變的不斷增加，剪應力值逐漸增加，并且經歷了快速增長階段、緩慢增長階段以及緩慢下降階段，剪應力峰值在緩慢增長階段達到最大值。剪應力達到峰值后，隨著拉應變的繼續增加，剪應力將發生降低，并出現殘余應力。同時，不同法向正應力條件下，殘余應力也有明顯不同，正應力越大殘余應力也越大。因此，分析得出土工膜與壩體結構面的應力-應變關系屬于應變軟化型。

2.2 模型建立

模型建立過程中，通過等效替換的方式對土工膜厚度與滲透系數進行同步擴大，以提升計算結果的準確度[5]。采用庫倫摩擦模型，復合土工膜設計采用四邊形薄膜單元[6-8]。模型壩體和壩基單元數分別為2400個、7480個，土工膜單元440個，通過土工膜拉伸和剪切試驗得到的材料參數見表1。同時，模擬計算過程中，對于兩個表面之間的摩擦行為用摩擦系數來進行表征。

圖1土工膜與結構面剪應力-位移曲線變化規律

表1 復合土工膜主要材料參數

3 復合土工膜受力特性分析

3.1 土工膜應力應變

復合土工膜鋪設一般壩體填筑施工完畢后進行，因此，在施工完建期土工膜受到的外力載荷較小，所產生的變形一般較小。復合土工膜本身具有良好的柔韌性，抗拉能力較小，且抗彎曲變形能力幾乎可忽略不計，因此，不可能依靠復合土工膜去限制壩體變形。在水庫運行階段，復合土工膜變形屬于從屬變形，由壩體承受水壓而附帶產生的變形。圖2為模擬水庫蓄水引起的土工膜變形等值線，分析可知，土工膜的變形主要有2類，即向壩體下游方面的水平變形和沉降變形，沉降變形主要是隨著壩體沉降而產生。土工膜最大水平位移為4.5 cm，最大沉降變形值為5.5 cm，延伸率達到15%，發生在土工膜與左右岸坡的接合位置。水庫蓄水后，土工膜與岸坡接合處為應力集中區域，因此這一部位的土工膜變形較大，而實驗室測得的土工膜延伸率為136%~142%，判定復合土工膜并未發生延伸破壞。

圖2軸向位移等值線

3.2 剪應力-剪應變關系

模擬得到土工膜與墊層結合處的剪應力-剪應變關系如圖3所示。將之與實驗得到的剪應力-剪應變曲線進行對比可知，兩者的變化情況基本相同，這也表明模擬結果的可靠性。模擬得到的最大剪應力為19.45 kPa，土工膜上下界面剪應力不超過峰值，計算工況條件下防滲體系結構符合運行標準。

3.3 結構穩定性

圖3土工膜界面剪應力-剪應變變化情況

圖4壩體蓄水期等值線(單位:cm)

通過有限元計算模擬，得到整個壩體沉降量和水平位移最大值分別為16 cm、4.5 cm，如圖4所示。水庫蓄水后，壩體產生的垂直和水平位移基本上都沿著大壩軸線對稱分布，表明整個大壩受力情況良好，且并沒有產生異常變形，認為壩體結構和土工膜防滲結構都滿足壩體穩定運行的要求。圖4（b）水平位移分布特征也很好地應證了復合土工膜壩體的非線性，隨著正壓力增加，殘余應力也會相應地增加。

4 結論

本文在復工土工膜防滲體結構建模過程中，充分考慮了結構單元的特性，對壩體穩定性具有更加全面、合理的評價。研究得到：土工膜與壩體結構面的應力-應變關系屬于應變軟化型；模擬得到的水平位移、沉降變形、延伸率最大值分別為4.5 cm、5.5 cm、15%，發生在土工膜與左右岸坡的接合位置，土工膜所受應力與變形均在設計允許范圍內；壩體垂直和水平位移沿壩體軸線對稱分布，復合土工膜壩體應力應變符合一般應力變形規律，壩體結構滿足安全運行要求，不會發生塑形破壞。

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[3]顧淦臣.復合土工膜土石壩的設計和計算[J].水利規劃設計,2000, (04):49-56.

[4]李傳奇,李超超,王帥,等.平原水庫土工膜防滲特性分析[J].長江科學院院報,2016,(04):135-139.

[5]丁東彥.復合土工膜心墻堆石壩應力變形分析[D].蘭州交通大學, 2014.

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TV441

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1673-9000（2017）03-0136-03

2017-01-03

馬海兵（1982-），男，新疆阜康人，工程師，主要從事水利工程建設與管理工作。