高水頭大壩土工合成黏土襯層滲漏試驗(yàn)研究

馬 建

(新疆水利水電項(xiàng)目管理有限公司，新疆 伊犁 835400)

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究依托于新疆吉木薩爾縣泉溝水庫樞紐工程開展相關(guān)試驗(yàn)。大壩頂高程1183.20 m，總高44.5 m。大壩周圍地質(zhì)上部為坡積碎石土，土質(zhì)松散，下覆基巖由砂質(zhì)泥巖、礫巖等組成。泥巖飽和抗壓強(qiáng)度平均值為0.54 MPa，屬軟巖，巖層產(chǎn)狀為傾向NE70°，傾角7°～10°，強(qiáng)風(fēng)化層厚3.0～5.0 m，弱風(fēng)化層厚10.0～12.0 m。大壩結(jié)構(gòu)采用Ca30F250W6鋼筋混凝土，設(shè)計(jì)過水流量為1.05 m3/s，設(shè)計(jì)最大流量20.80 m3/s。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的目的是調(diào)查在襯砌系統(tǒng)中使用土工合成黏土襯層(GCL)的可行性，該襯砌系統(tǒng)在相對(duì)較高且符合大壩條件的水頭下包含土工膜。土工膜由透明丙烯酸制成，用于測(cè)試防滲系統(tǒng)的水力性能，如圖1所示。該單元分為一個(gè)底部部分，其中包含沙子，以及一個(gè)頂部部分，該頂部部分提供一個(gè)蓄水池[1]。土工膜和GCL放置在兩段之間，并使用O形圈密封。多孔石在底部邊界用于自由排水，在整個(gè)測(cè)試過程中測(cè)量流入量和流出量。壓力面板用于控制系統(tǒng)中的液壓頭，其范圍為7～42 m。

圖1 試驗(yàn)程序中使用的滲透設(shè)計(jì)單元

試驗(yàn)程序中使用的土工膜是厚度為1 mm的光滑線性低密度聚乙烯(LLDPE)。LLDPE的柔性特性允許土工膜適應(yīng)系統(tǒng)的變形。在土工膜試樣的中心鉆取直徑為1.6 mm的圓形缺陷。試驗(yàn)計(jì)劃中使用的GCL由夾在兩種無紡布載體土工織物之間的膨潤(rùn)土組成。GCL的導(dǎo)水率約為10～11 m/s。試驗(yàn)程序中使用了水合和非水合GCL。水合GCL在20 kPa的正常應(yīng)力下在水中浸泡至少48 h。此外，在2 kPa下水合的GCL上進(jìn)行了一組試驗(yàn)，以評(píng)估水合法向應(yīng)力對(duì)水力性能的影響。GCL沒有任何缺陷。本試驗(yàn)計(jì)劃中使用的砂基質(zhì)為一種中細(xì)砂。使用振動(dòng)臺(tái)在滲透設(shè)計(jì)單元中對(duì)砂進(jìn)行致密化，以達(dá)到75%的相對(duì)密度。在放置液壓防滲系統(tǒng)之前，將砂從單元底部飽和，該密度的砂的飽和導(dǎo)水率為8×10-7m/s。

試驗(yàn)計(jì)劃中的大多數(shù)試驗(yàn)包括土工膜。作為試驗(yàn)計(jì)劃的一部分，進(jìn)行了四個(gè)試驗(yàn)系列：(1)無GCL。(2)未水合GCL。(3)在20 kPa的正常應(yīng)力下水合GCL。(4)在2 kPa的正常應(yīng)力下水合GCL。這些試驗(yàn)系列評(píng)估了水頭、界面接觸質(zhì)量和土工膜存在的影響。表1提供了每個(gè)系列中各個(gè)測(cè)試的詳細(xì)信息。

表1 試驗(yàn)測(cè)試程序的范圍

2 結(jié)果與分析

堤壩滲漏是指大壩壩體兩側(cè)由于水頭差作用引起壩體或附近部位巖體透水產(chǎn)生滲漏的現(xiàn)象。持續(xù)的滲漏會(huì)降低大壩穩(wěn)定性甚至導(dǎo)致坍塌。為了探究不同試驗(yàn)對(duì)大壩滲漏的影響，所有試驗(yàn)均在達(dá)到穩(wěn)態(tài)流量之前進(jìn)行，并將每次試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)滲漏率定義為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的穩(wěn)態(tài)流量。表2總結(jié)了作為試驗(yàn)系列1～4一部分進(jìn)行的基線試驗(yàn)的平均穩(wěn)態(tài)滲漏率。B子系列涉及土工膜的存在和良好的界面接觸質(zhì)量。B子系列中的每個(gè)試驗(yàn)均在不同的液壓頭下進(jìn)行。非水合GCL試驗(yàn)(試驗(yàn)系列2)中的平均穩(wěn)態(tài)滲漏率大約比僅土工膜試驗(yàn)(試驗(yàn)系列1)中測(cè)得的滲漏率小三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，襯砌系統(tǒng)中GCL的使用可能會(huì)對(duì)通過受損土工膜的滲漏率產(chǎn)生重大影響，這對(duì)大壩(如土壩)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。試驗(yàn)系列3的平均穩(wěn)態(tài)滲漏率大約比試驗(yàn)系列2的測(cè)量值低一個(gè)數(shù)量級(jí)。這一比較表明，GCL水合作用在系統(tǒng)減少土工膜缺陷滲漏的有效性中起著相關(guān)作用。然而，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)GCL進(jìn)行水合處理可能不具有成本效益。試驗(yàn)系列4的平均滲漏率基本上與試驗(yàn)系列3相同。這些結(jié)果表明，水合法向應(yīng)力對(duì)滲漏率的影響可以忽略不計(jì)。

表2 試驗(yàn)系列1～4中B子系列的平均穩(wěn)態(tài)滲漏率

其他方面，如接觸質(zhì)量的影響、GCL水合條件和土工膜的存在進(jìn)行了調(diào)查(見表1)，但由于空間限制，此處不討論。本文僅進(jìn)一步討論了試驗(yàn)系列1和系列4的結(jié)果。

試驗(yàn)系列1僅涉及使用7～35 m水頭進(jìn)行的土工膜試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中，幾乎立即達(dá)到穩(wěn)態(tài)流量。這是因?yàn)楸狙芯克蒙暗乃鲗?dǎo)率相對(duì)較高。在試驗(yàn)系列1中的每個(gè)試驗(yàn)中，穩(wěn)態(tài)滲漏率隨著液壓頭的增加而增加。使用伯努利方程來計(jì)算通過孔的流量，以估計(jì)通過放置在滲透性土壤上的土工膜缺陷的流量。孔板方程如式(1)：

(1)

式中：Q為流速，m3/s；C為說明孔的幾何結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；a為孔的面積(在這種情況下，表示土工膜的缺陷)，m2；g為重力加速度，m/s2；h為液壓頭，m。

使用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C(圖2)的不同值，將試驗(yàn)系列1的測(cè)量滲漏率(達(dá)到每個(gè)壓頭的穩(wěn)態(tài)速率)與伯努利孔板方程進(jìn)行比較。對(duì)于土工膜中的流動(dòng)缺陷，通常使用建議值C=0.6。相反，發(fā)現(xiàn)系數(shù)C=0.4產(chǎn)生的流速與試驗(yàn)系列1中測(cè)量的流速非常相似。但是，如圖2所示，系數(shù)C=0.6給出的滲漏率略大于測(cè)量值。因此，與之前建議值相比，使用較低的C值獲得的更好的比較結(jié)果可歸因于本研究中的高液壓頭。這種差異也可歸因于孔邊緣的銳度、缺陷內(nèi)部的粗糙度和缺陷的直徑。比較表明，通過孔板的流量方程可用于估算與沙接觸良好的土工膜小缺陷的流量泄漏。雖然良好的匹配取決于適當(dāng)流量系數(shù)C的選擇，但孔板方程的基本趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)是一致的，這表明使用該方程和適當(dāng)校準(zhǔn)的高水頭C系數(shù)可用于預(yù)測(cè)DA土工膜的滲漏。

圖2 試驗(yàn)系列1的滲漏率與伯努利孔板方程比較

試驗(yàn)系列4包括土工膜和砂樣品之間的GCL試驗(yàn)。GCL在2 kPa的正常壓力下被水合。這些試驗(yàn)使用14～42 m范圍內(nèi)的液壓頭進(jìn)行。每個(gè)試驗(yàn)期間每個(gè)水頭的滲漏率(從滲透計(jì)單元流出的測(cè)量流速)如圖3所示。每個(gè)試驗(yàn)都可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)流量，圖3中通過試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到的恒定滲漏率來確定。與測(cè)試系列1中的測(cè)試不同，作為測(cè)試系列4的一部分進(jìn)行的測(cè)試沒有立即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 試驗(yàn)系列4的滲漏率和時(shí)間

圖4總結(jié)了試驗(yàn)系列4中獲得的穩(wěn)態(tài)滲漏率。每次測(cè)試中，滲漏率隨著液壓頭的增加而增加。盡管數(shù)據(jù)分散，但這種趨勢(shì)還是很明顯的。伯努利方程的流量通過一個(gè)孔不能再使用，因?yàn)橄旅娴耐凉つげ牧喜辉倬哂袧B透性。因此，采用適用于復(fù)合襯層的分析方法來評(píng)估從試驗(yàn)系列4中獲得的數(shù)據(jù)。

圖4 試驗(yàn)系列4的滲漏率與Rowe分析模型比較

以往開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式，用于估算當(dāng)土工膜置于低滲透性土壤上時(shí)通過土工膜缺陷的滲漏率的情況下，不能很好地?cái)M合試驗(yàn)序列4中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這是由于該模型是為低水頭下進(jìn)行的試驗(yàn)而開發(fā)的，并使用從試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)[2-5]。因此，本文使用不受液壓頭影響的Rowe分析模型預(yù)測(cè)鋪設(shè)在低滲透底層土壤上的土工膜襯層缺陷的滲漏率，Rowe分析模型是基于最小能比原理提出了緊密粒狀集合模型及應(yīng)力與剪脹的關(guān)系，可以較好地反映出材料的體變過程。預(yù)測(cè)的滲漏率與測(cè)試系列4中測(cè)量的穩(wěn)態(tài)值的比較結(jié)果如圖4所示。良好的對(duì)比表明，Rowe模型適用于預(yù)測(cè)通過地膜水合GCL襯層系統(tǒng)測(cè)得的滲漏率。試驗(yàn)系列4的濕區(qū)預(yù)測(cè)半徑范圍為2～3 cm，遠(yuǎn)低于滲透儀的半徑(15 cm)。Rowe的模型依賴于接口的透射率。事實(shí)上，當(dāng)界面透過率很小(5×10-11m2/s)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好。界面的透射率取決于接觸質(zhì)量和GCL載體土工織物的透射率。然而，良好的比較表明，Rowe的模型可用于預(yù)測(cè)代表大壩情況的高水頭土工膜缺陷的滲漏率。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合GCL的水合或非水合試驗(yàn)得出的穩(wěn)態(tài)滲漏率比無GCL系統(tǒng)中測(cè)量的滲漏率低三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。反過來，水合GCL導(dǎo)致滲漏率比未水合GCL低大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)在伯努利方程中，通過孔板的流量的C系數(shù)取決于液壓頭的范圍。如果使用適當(dāng)?shù)闹担装宸匠炭梢院芎玫毓烙?jì)通過高水頭下土工膜缺陷的滲漏率。

(3)Rowe分析模型可以很好地估計(jì)放置在GCL上的土工膜缺陷的滲漏率。然而，預(yù)測(cè)取決于界面的選定透射率。盡管如此，可使用該模型評(píng)估與壓頭有關(guān)的滲漏率的預(yù)期趨勢(shì)。