土工膜在堤壩上游防滲層中的數(shù)值模擬及應(yīng)用研究

朱 峻

(江西峻瑞建設(shè)工程有限公司，江西 九江 332000)

1 概 述

堤壩工程通常造價(jià)較高，因此研究提高大壩技術(shù)性能、降低大壩建設(shè)成本的替代方案具有重要意義。土工合成材料的使用是目前改良土壤的一種方法，該方法在巖土工程中很常見。與傳統(tǒng)材料相比，土工合成材料具有許多優(yōu)勢(shì)，如成本更低、執(zhí)行時(shí)間更短、安裝更容易。由于土工合成材料與傳統(tǒng)土工材料相比具有獨(dú)特的特性，近年來(lái)土工合成材料的應(yīng)用越來(lái)越受到世界各國(guó)工程師和研究人員的關(guān)注。因此，有必要進(jìn)行新的研究和設(shè)計(jì)模型，特別是當(dāng)土工合成材料應(yīng)用于土石壩時(shí)[1]。

土工膜是最常見的土工合成材料之一。它們被定義為與任何巖土工程相關(guān)材料一起使用的非常低滲透的合成膜，目的是控制人造工程、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)中的液體或氣體遷移。高密度聚乙烯土工膜通常用于建造水庫(kù)等工程，其防護(hù)效率取決于合成膜的完整性以及其他方面，如使用壽命[2-3]。

本文以某平原水庫(kù)大壩為研究對(duì)象，主要研究上游不透水土工膜襯砌對(duì)堤壩地基處理效果的影響。選擇一個(gè)大壩的橫截面來(lái)代表大壩的整體性能，并支持進(jìn)一步的研究。在此基礎(chǔ)上，建立以土工膜為上游防滲層的大壩小尺度滲流模型，使研究人員能夠?qū)χ匾獏?shù)進(jìn)行標(biāo)定。該模型考慮了水電站的特點(diǎn)，是對(duì)原型的簡(jiǎn)化。

2 大壩土工膜鋪設(shè)

本文以某平原灌注式水庫(kù)為研究對(duì)象，水庫(kù)設(shè)計(jì)水位875.0 m，對(duì)應(yīng)水面面積46 km2，庫(kù)容1.38×108m3，庫(kù)盤面積54.8 km2，死水位869.75 m，死庫(kù)容0.08×108m3。水庫(kù)利用率54%。水庫(kù)岸線總長(zhǎng)45.112 km，其中北庫(kù)岸線長(zhǎng)22.06 km，人工壩體總長(zhǎng)23.052 km。水庫(kù)進(jìn)水樞紐設(shè)計(jì)流量25 m3/s，退水閘設(shè)計(jì)流量26 m3/s。放水涵洞：一庫(kù)放水涵洞設(shè)計(jì)流量2 m3/s；二庫(kù)兩座放水涵洞設(shè)計(jì)流量均為12.5 m3/s。

壩的左側(cè)有一個(gè)長(zhǎng)約580 m的頂峰，最大高度約為25 m。由于壩基土的土工性質(zhì)，在壩的左側(cè)上游的土工膜已被用作襯墊，以減少整個(gè)壩基的水流。所用土工膜為厚1.5 mm的柔性合成HDPE膜，兩側(cè)有紋理。據(jù)大壩設(shè)計(jì)人員介紹，為了避免土工膜與壓實(shí)土之間的滑移，選擇了一種紋理土工膜。

土工膜在地基土上的設(shè)置是由先前挖掘的深0.80 m的錨溝和寬0.50 m的土工膜制成的，在這兩種情況下，回填壓實(shí)是通過(guò)靠近土工膜的手工操作設(shè)備來(lái)完成的。為防止膜損傷，大壩上游面土工膜錨槽寬2 m，在堤防施工后施工。土工膜面板之間的接縫采用雙焊接工藝，通過(guò)熱熔聚合物的應(yīng)用，在焊縫之間形成一個(gè)氣密通道。從通道可以識(shí)別最終缺陷，檢查密封程序的質(zhì)量，并修復(fù)最終確定的缺陷。為了保護(hù)土工膜并減輕由于某些機(jī)械效應(yīng)而導(dǎo)致的最終局部破壞的影響，在土工合成材料上鋪設(shè)一層50 cm的壓實(shí)土。在壓實(shí)的土層上，再建造一層厚50 cm的壓實(shí)堆石保護(hù)層。見圖1。

圖1 上游壩面和地基上的土工膜橫截面圖

數(shù)據(jù)來(lái)源與分析：本研究中使用的數(shù)據(jù)來(lái)自承包商文件，如項(xiàng)目圖紙、地形測(cè)量以及現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果。水庫(kù)大壩儀表由立管壓力計(jì)、V形缺口流量計(jì)、水位計(jì)和表面標(biāo)志組成。V形缺口流量計(jì)負(fù)責(zé)測(cè)量?jī)?nèi)部排水系統(tǒng)的水流量。在大壩左側(cè)的5個(gè)部分安裝了儀器。根據(jù)壩基左側(cè)幾處鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)，確定了透水地基土層厚度。所采用的基礎(chǔ)層的水力傳導(dǎo)率是每個(gè)層的幾個(gè)測(cè)試的平均值。由于路堤的施工過(guò)程，相對(duì)于滲透性的各向異性由水平導(dǎo)水率(kh)和垂直導(dǎo)水率(kv)之間的比率確定。

分析中所用的土石壩的垂直和水平平均導(dǎo)水率是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室滲透性試驗(yàn)結(jié)果確定的。通過(guò)對(duì)土石壩原狀塊體的試驗(yàn)，得到平均水平滲透系數(shù)為1×10-5cm/s，垂直滲透系數(shù)為2×10-6cm/s。因此，水平滲透性大約是垂直滲透性的5倍?；鶐r主要由玄武巖組成，由風(fēng)化產(chǎn)物覆蓋?；A(chǔ)基巖的平均導(dǎo)水率為1×10-6cm/s。

3 小尺度滲流模型

在室內(nèi)進(jìn)行了土壤巖土特性和小規(guī)模模擬的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?？紤]到水庫(kù)大壩的一些特性，小規(guī)模模型由一個(gè)裝滿沙子和其他材料的滲透池組成，以1∶100的比例表示假設(shè)堤壩的橫截面幾何。

3.1 建模的幾何和邊界條件

根據(jù)水庫(kù)大壩的幾何特性，如上游和下游邊坡傾角、壩頂寬度、壩體高度和基礎(chǔ)層厚度等，確定斷面模型的幾何結(jié)構(gòu)。需要強(qiáng)調(diào)的是，小比例尺模型是大壩儀表截面的簡(jiǎn)化，因此采用平均參數(shù)。

在壩基上的土工膜處理面積的長(zhǎng)度，是由幾個(gè)水電站壩段的幾何數(shù)據(jù)定義的。因此，在小尺度模型(L=4H)中再現(xiàn)上游壩基處理長(zhǎng)度(L)與壩高(H)之間的比值。模型中采用的內(nèi)部排水系統(tǒng)由垂直濾池和鋪蓋式排水管組成，與大壩原型相似。

小比例尺模型的邊界條件為：①水庫(kù)水位；②下游水位；③上游防滲層的水流限制。上游水位被設(shè)置為代表水庫(kù)的最大正常水位。

3.2 小尺度模型模擬

模型長(zhǎng)250 cm，高60 cm，寬45 cm，容積為0.75 m3。水滲透到路基和模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)位于水箱末端的出水口收集流量，從而確定流量。滲水箱裝有壓力計(jì)，以測(cè)定不同點(diǎn)的壓頭。圖2顯示了模型中的壓力計(jì)位置。本文將堤壩中的壓力計(jì)稱為PE，壩基測(cè)壓計(jì)稱為PF。模型特征見表1。

圖2 小型模型中的測(cè)壓計(jì)位置模型橫截面設(shè)置

表1 小規(guī)模模型特征

通過(guò)模擬3種不同的情況，允許評(píng)估上游不滲透膜在壩上的作用：①?zèng)]有地基處理；②在壩上游的土工膜的使用；③在壩體上游使用受損的土工膜。對(duì)每一種模擬，總壓頭和滲濾流量的讀數(shù)都被記錄下來(lái)。圖3為一個(gè)小規(guī)模的模型草圖。

圖3 小比例尺模型

在模擬土工膜存在缺陷的模型中，在大壩模型上游的密封材料上設(shè)置縱向開口，以便模擬土工膜安裝和大壩施工結(jié)束時(shí)可能出現(xiàn)的缺陷。

3.3 小尺度滲流模擬結(jié)果

小模型上采用的尺寸與水庫(kù)大壩上采用的尺寸不完全相同，模型中只分析一個(gè)截面。見圖4。

圖4 小比例尺模型的尺寸

表征試驗(yàn)結(jié)果、最大和最小空隙率以及材料的滲透性見表2。根據(jù)材料的粒度分布曲線，驗(yàn)證了其在過(guò)濾排水中的適用性。

表2 小型模型所用材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

圖5為在小規(guī)模模型截面上獲得的總水頭值?？紤]到這些布置是指大壩的同一橫截面，并且分析了一組不同的壓力計(jì)，因此將壓力計(jì)分為3種布置，以簡(jiǎn)化對(duì)結(jié)果的分析。根據(jù)圖5可知，壩模型上游未損壞土工膜的存在減少了通過(guò)堤壩和基礎(chǔ)的總流量約46%。另一方面，與未經(jīng)處理的情況相比，有缺陷的土工膜的存在只減少了8%的水流量。根據(jù)圖5布置1中獲得的結(jié)果，大壩模型上游存在土工膜會(huì)導(dǎo)致總水頭降低。由圖5還可以觀察到，水力水頭的降低主要發(fā)生在排水管的上游。說(shuō)明缺陷的存在導(dǎo)致地基處理效率較低。

圖5 小型模型試驗(yàn)中獲得的總水頭

上游不透水層的地基處理對(duì)堤壩材料上的水頭幾乎沒(méi)有影響，見圖5中布置2。另一方面，在堤壩與基礎(chǔ)材料界面處的液壓頭中可以看到一些影響，見圖5中布置3(PE - 2和PE-4)。

對(duì)于小尺度模型，得到的結(jié)果表明，土工膜減少了堤壩和地基的壓力頭以及排水系統(tǒng)收集的流量。壓頭的降低發(fā)生在壩基下面、土工膜下方和壩體堤壩上游的垂直過(guò)濾器上。另一方面，在大壩下游側(cè)，觀測(cè)到壓力水頭的微小變化，說(shuō)明下游側(cè)的流量受排水管的控制。試驗(yàn)還表明，如果使用的土工膜有損壞，排水系統(tǒng)和壓頭收集的總流量與試驗(yàn)中觀察到的沒(méi)有土工膜的總流量相似。

對(duì)于考慮土工膜長(zhǎng)度的分析，在壩基處理的地基土中檢測(cè)到壓頭減少。因此，減少的幅度取決于處理過(guò)的地基延伸。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)基礎(chǔ)的滲流取決于水滲流路徑的長(zhǎng)度?？紤]到土工膜在壩上游坡面上的長(zhǎng)度分析，當(dāng)大部分水流通過(guò)地基時(shí)，地基土中的壓頭與安裝在大壩上游坡面上的土工膜長(zhǎng)度有很小的變化。但隨著上游斜坡上土工膜長(zhǎng)度的增加，路堤內(nèi)的壓頭減小?？紤]到大部分的總流量發(fā)生在地基上，增加壩體上游坡面土工膜的長(zhǎng)度不能有效地減小該參數(shù)的大小。因此，僅采用在斜坡上錨定土工膜所需的長(zhǎng)度即可。

4 結(jié) 論

本文對(duì)HDPE土工膜作為土石壩上游防滲層的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。水庫(kù)的數(shù)據(jù)有助于開發(fā)小型滲流模型。在試驗(yàn)后，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。此外，還對(duì)土工膜中存在的缺陷、防滲層厚度和土工膜長(zhǎng)度進(jìn)行了假設(shè)。

對(duì)于土工膜中出現(xiàn)缺陷的分析，土工膜上壓實(shí)的土層對(duì)地基處理具有良好的性能。在沒(méi)有壓實(shí)土層的情況下，考慮土工膜縱向撕裂的模擬中，與沒(méi)有損壞土工膜的模擬相比，流量增加約25%。然而，考慮到除了土工膜襯墊之外，具有比基礎(chǔ)保護(hù)層低的滲透性的土壤，流量減少僅為6%。與水力梯度有關(guān)的是，土工膜在地基土上的使用導(dǎo)致梯度值大于1.5。因此，建議謹(jǐn)慎建造錨槽，以避免土工膜和壓實(shí)土壤之間出現(xiàn)意外滲透。如果土工膜有缺陷，也必須特別小心?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，采用土工膜處理透水性地基，可以很好地降低大壩的流壓荷載。