趙口引黃灌區復合土工膜耐久性研究

婁本星，崔宏艷，劉慧瀅，余 娟

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；3.河南省趙口引黃灌區二期工程建設管理局，河南 開封 475000）

復合土工膜是水利工程中廣泛應用的一種防滲材料，具有抗拉強度高、變形及延展性能好、滲透系數小等優點［1］。但在實際使用過程中，其各項性能會隨時間的延長而逐漸下降，例如顏色變黃、光澤喪失、表面開裂等外觀變化，以及撓曲強度、抗拉強度和延伸率等力學性能大幅度下降，嚴重影響復合土工膜的使用年限，因此研究復合土工膜材料的耐久性問題極為重要。土工合成材料的老化本質是高分子聚合物的老化反應過程，在正常使用過程中，環境溫度［2］、氧氣［3］、光照［4］、濕度［5］等均會促進這些高分子聚合物的降解和老化。而在水利工程中，復合土工膜主要埋置于地下，不會受到紫外線的照射，溫度和濕度則是土工膜老化的關鍵因素。已有研究表明：在避免光照的條件下，復合土工膜的防滲性能老化速度通常較慢［6－7］，而力學性能的下降卻比較明顯。為此，Hsuan等［8］提出采用復合土工膜拉伸強度的降低幅度作為評價材料老化的判斷依據和標準。

趙口引黃灌區位于河南省豫東平原，其復合土工膜的應用面積為9萬m2，在渠道防滲中起到重要作用。為了準確掌握趙口引黃灌區復合土工膜的工作性態，本文以縱向拉伸強度為評價指標，引入“老化度”概念，建立復合土工膜在溫度與濕度共同作用下的拉伸強度老化模型，并結合工程實測數據驗證了模型的有效性，對趙口引黃灌區復合土工膜的使用壽命進行了預測。

1 工程概況

趙口引黃灌區是河南省第一大灌區，灌溉面積為39.14萬hm2。其渠道內坡多采用混凝土襯砌板進行護砌，下鋪復合土工膜，規格為150（g／m2）／0.3（mm）／150（g／m2），長絲兩布一膜。為便于內滲水排出，渠底不鋪設復合土工膜。渠道內坡結構及土工膜鋪設形式如圖1所示。

圖1 渠道內坡防護結構

2 復合土工膜縱向拉伸強度衰減模型構建

鑒于趙口引黃灌區復合土工膜主要布置在混凝土襯砌板下，本文只考慮溫度和濕度共同作用對復合土工膜老化的影響。文獻［9］研究表明，在干燥條件下，試驗溫度越高，復合土工膜縱向拉伸強度的下降速度越快；在溫度一定時，試驗濕度越大，復合土工膜縱向拉伸強度的下降速度越快。由此可知，提高環境溫度和濕度均會促進復合土工膜的老化。

2.1 “老化度”概念的引入

復合土工膜老化的本質是一種化學反應。在混凝土固化過程中，通常采用“成熟度”表征溫度和濕度共同作用對化學反應的影響程度［10］。為此，借鑒“成熟度”概念，本文引入復合土工膜“老化度”概念，定義為復合土工膜化學反應速率與時間的乘積。如果相同規格的復合土工膜在不同環境下達到相同的老化度，就認為其力學性能相同。文獻［11］得出高分子聚合物的化學反應速率隨溫度的升高呈指數型增長趨勢。因此，僅考慮溫度影響時，將復合土工膜的老化度表示為指數形式：

式中：D為復合土工膜的老化度；T0為基準溫度；Ti為環境溫度；Δti為階段i的老化時間；n為階段數量；k1為溫度每升高ΔT后土工膜的老化速率提高倍數，可以通過試驗或者實測數據擬合得出，文中ΔT取10℃。

為了將實驗室加速試驗的時間與自然條件下的時間進行轉化，定義在參考（或環境）溫度Tr下達到相同老化度D所需要的時間為等效時間，表達式為

土工膜的老化速率隨濕度的提高也近似呈指數型增長趨勢［9］，因此在式（1）和式（2）的基礎上，綜合考慮溫度和濕度的共同影響，可以將老化度和等效時間表示為

式中：k2為常數，可以通過不同濕度下的試驗或實測數據擬合得出；H0為基準濕度；Hi為環境濕度；Hr為參考濕度。

文獻［4］研究表明，隨著使用時間的延長，復合土工膜的力學性能不斷下降，但下降速率逐漸變小。因此，本文選取雙曲線型函數和指數型函數分別建立復合土工膜材料性能衰減模型，并對比兩種函數的預測精度。

雙曲線型函數：

指數型函數：

式中：t0為基準時間，取t0＝0；β為擬合參數；P0為縱向拉伸強度初始值；P為時間te時的縱向拉伸強度。

2.2 參數擬合方法

合理選擇k1、k2和β是預測復合土工膜使用年限的前提。為此，本文提出一種根據試驗數據擬合k1、k2和β的方法。首先根據干燥條件下復合土工膜材料參數與等效時間的關系，得出k1與β的值；再計算不同濕度條件下復合土工膜材料參數與等效時間的關系，得出k2的值。具體步驟如下。

（1）選取干燥條件下3～4種溫度的復合土工膜實測數據或試驗數據。

（2）選取合適步長，逐步調整k1的取值，如Δk1＝0.001～0.010，然后根據式（2）計算參考溫度下的等效時間。

（3）將等效時間te代入式（5）或式（6）中，采用試驗數據擬合出β的值，并得出實測值與計算值的回歸系數。

（4）重復步驟（2）和步驟（3），直到k1與β的取值使回歸系數最大。

（5）將得到的k1與β代入式（4）、式（5）和式（6），逐步調整k2的取值，計算考慮溫度和濕度條件下的等效時間te，并代入式（5）或式（6）中，進而得出實測值與計算值的相關系數，最后找出使回歸系數最大的k2值。

（6）利用確定的k1、k2和β的值，預測實際工程中復合土工膜的縱向拉伸強度，驗證模型的有效性。

3 模型驗證與應用

3.1 模型驗證

文獻［9］研究的復合土工膜與趙口引黃灌區復合土工膜的規格相同，為此采用文獻［9］的縱向拉伸強度試驗數據進行參數擬合，分別得到雙曲線型函數和指數型函數的擬合參數（見表1）。可以看出，兩種函數得到的擬合參數相差不大（k1≈2，表示溫度每升高10℃，復合土工膜老化速率約為原來的2倍；k2＝1.1，表示濕度每提高10%RH（RH為相對濕度），老化速率為原來的1.1倍）。文獻［11］表明高分子材料溫度每升高10℃，老化速率將增大為原來的2倍左右，與本文結論相同，說明本文模型參數是準確可靠的。

表1 擬合參數

將k1、k2和β代入式（4）、式（5）和式（6），即可計算出縱向拉伸強度。采用雙曲線型函數和指數型函數的計算值與實測值對比見圖2，可以看出：兩種函數得出的計算值均在45°線附近，所有計算值與實測值的誤差均在±5%誤差范圍以內。說明復合土工膜縱向拉伸強度計算值與實測值相差很小，可以采用本文建立的模型來預測復合土工膜的縱向拉伸強度。

圖2 復合土工膜縱向拉伸強度計算值與實測值比較

分別選取河南省境內的南水北調工程復合土工膜現場試驗數據［9］和西霞院反調節水庫土工膜5、10 a試驗區的測試數據［12］，驗證所建立模型的合理性。土工膜工作環境選取多年平均氣溫14.1℃、多年平均濕度60%RH，將其代入式（4）、式（5）和式（6）中，復合土工膜縱向拉伸強度預測值與實測值對比見表2。可以看出，兩種函數的預測誤差都在1.4%～8.9%范圍內，且雙曲線型函數預測誤差均小于指數型函數。說明本文所建立的模型能夠較好預測復合土工膜材料參數的老化規律。考慮模型的精度，建議采用雙曲線型函數（式（5））預測復合土工膜使用壽命。

表2 復合土工膜縱向拉伸強度預測結果

3.2 模型應用

采用式（5）預測趙口引黃灌區復合土工膜使用壽命，選取河南省多年平均氣溫14.1℃、多年平均濕度60%RH。復合土工膜失效的判斷依據：若縱向拉伸強度下降至初始值的50%，則認為復合土工膜已經失效［8］。根據本文所建立的復合土工膜縱向拉伸強度衰減模型，預測趙口引黃灌區復合土工膜縱向拉伸強度的變化規律如圖3所示。可以得出，趙口引黃灌區復合土工膜在自然條件下的使用壽命約為57 a。

圖3 自然條件下土工膜使用壽命預測

4 結 論

本文引入“老化度”概念，建立了考慮溫度和濕度共同作用的復合土工膜縱向拉伸強度衰減模型，得出如下結論。

（1）采用老化度方法預測復合土工膜的縱向拉伸強度衰減是可行的，即相同規格的復合土工膜在不同環境下達到相同的老化度，則認為其力學性能相同。

（2）所構建的復合土工膜老化模型具有較高的預測精度，預測誤差在1.4%～8.9%范圍內。

（3）應用所建立的模型對趙口引黃灌區復合土工膜進行預測，得出其使用壽命大約為57 a。