復(fù)合土工膜防滲斜墻設(shè)計(jì)及模擬分析
——以新疆恰木薩水電站工程為例

舒 婧

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

1 工程概況

恰木薩水電站位于新疆自治區(qū)莎車縣境內(nèi)，工程主要由攔河引水樞紐、輸水建筑物、前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。恰木薩水電站為中型Ⅲ等工程，引水渠首為3級(jí)建筑物。水庫(kù)主壩為土石壩，校核洪水位1551.30m，最大壩高14.5m，壩長(zhǎng)2144.20m。上游壩坡1∶2.5，護(hù)坡為混凝土板，下游壩坡1∶2.0，護(hù)坡為混凝土網(wǎng)格梁填干砌卵石。壩體防滲采用復(fù)合土工膜斜墻形式。

2 復(fù)合土工膜力學(xué)特性

2.1 土工膜種類及特征

土工膜是由高分子聚合物制作而成的柔性防水阻隔型薄膜，根據(jù)材料的不同可分為：低密度聚乙烯（LDPE）土工膜、高密度聚乙烯（HDPE）土工膜、EVA土工膜3大類。

在工程中一般將厚度超過(guò)0.8mm的土工膜稱為防水板。3類土工膜的力學(xué)特性如表1［1］。

表1 各類土工膜力學(xué)特性

2.2 復(fù)合土工膜抗拉特性

復(fù)合土工膜是由土工織物和土工膜復(fù)合而成的不透水材料，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為：一布一膜、一布兩膜、兩布一膜、兩布兩膜等，寬幅一般在4～6m，重量在200～1500g/m2。根據(jù)防水材料的不同也分為：LDPE復(fù)合土工膜、HDPE復(fù)合土工膜、EVA復(fù)合土工膜3大類。復(fù)合土工膜與土工膜的力學(xué)特性相比會(huì)有較大改變［2］。

考慮到本項(xiàng)目是在壩體防滲中應(yīng)用，防滲效果對(duì)整個(gè)水利工程均有較大影響，因此恰木薩水電站防滲斜墻初步設(shè)計(jì)選用“環(huán)保型HDPE復(fù)合土工膜”（兩布一膜），厚度0.6mm，寬幅4m，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定該土工膜拉伸曲線如圖1［3］。

圖1 土工膜拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線

Tmax和εmax分別為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用的復(fù)合土工膜所能承受的最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，經(jīng)測(cè)定Tmax≈10kN/m，而εmax≈135%，該類復(fù)合土工膜在本項(xiàng)目中是否合理會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 復(fù)合土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合土工膜防滲斜墻屬于一種新型防滲技術(shù)，目前應(yīng)用較為廣泛。結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)，本工程防滲斜墻總體結(jié)構(gòu)自下而上可分為：下墊層、土工膜、上保護(hù)層。其中下墊層自下而上為200mm黏土層+200mm砂礫料；上保護(hù)層從下至上為200mm砂礫料墊層、200mm混凝土板，如圖2［4］。

圖2 復(fù)合土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)

3 防滲斜墻主要材料參數(shù)

3.1 砂礫料

本項(xiàng)目采用砂礫料作為復(fù)合土工膜的過(guò)渡料，砂礫料和土工膜之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，而摩擦力大小與砂礫料粒徑范圍、含水量、摩擦系數(shù)等均有關(guān)系，在此通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)砂礫料的最佳參數(shù)。

3.1.1 試驗(yàn)方法

砂礫石和土工膜接觸面的摩擦特性所產(chǎn)生的剪切力τ主要由黏著力C、摩擦角θ、法向壓力P決定，計(jì)算如式（1）［5］，試驗(yàn)剪切力盒模型如圖3。

圖3 砂礫料與土工膜試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=200mm×200mm×100mm，模型上部用硬塑料板代替砂礫石土樣，下部裝填真實(shí)土樣，通過(guò)測(cè)定百分表量力環(huán)變形值求得水平摩擦力：

試驗(yàn)時(shí)，依次施加垂直壓力、剪切力，利用電動(dòng)螺桿以3cm/min速度推進(jìn)，直到百分表指針不再明顯改變，說(shuō)明土工膜和砂礫石之間已經(jīng)剪壞。

項(xiàng)目試驗(yàn)根據(jù)水壩實(shí)際情況，共設(shè)計(jì)4種垂直載荷：11.5，18.5，26.3，33.8kPa。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

項(xiàng)目試驗(yàn)所選取的砂礫料粒徑分4組：＜10mm，＜5mm，＜2mm，0.25～2mm；濕度共設(shè)計(jì)：干、中濕、高濕3級(jí)。

（1）小于10mm砂礫料與土工膜摩擦剪切力級(jí)配砂礫料和復(fù)合土工膜的摩擦試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，過(guò)程擬合線如圖4。

表2 砂礫料與土工膜的摩擦剪切力數(shù)據(jù)

圖4 砂礫料與土工膜剪切力擬合曲線

由表2數(shù)據(jù)及圖4可知：①在同一濕度下，隨著垂直載荷增加，剪切應(yīng)力逐步增加；②前3組在同一垂直載荷下，隨著濕度增加，剪切應(yīng)力呈現(xiàn)先增加、后降低趨勢(shì)；③當(dāng)垂直載荷為33.8kPa時(shí)，剪切應(yīng)力呈現(xiàn)先降低、后增高趨勢(shì)，與前3組正好相反。

（2）小于5mm砂礫料與土工膜的摩擦剪切力，該級(jí)配砂礫料和復(fù)合土工膜的摩擦試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3，過(guò)程擬合線如圖5。

表3 砂礫料與土工膜的摩擦剪切力

圖5 砂礫料與土工膜剪切力擬合曲線

由表3及圖5可知：①在同一濕度下，隨著垂直載荷增加，剪切應(yīng)力逐步增加；②在同一垂直載荷下，隨著濕度增加，剪切應(yīng)力呈現(xiàn)逐步降低趨勢(shì)；③相對(duì)于小于10mm砂礫料，小于5mm砂礫料與土工膜摩擦剪切力降低10%～30%。

后兩組不同粒徑的砂礫料與土工膜摩擦產(chǎn)生的剪切力與小于5mm砂礫料基本一致。通過(guò)對(duì)比，粒徑越小與土工膜之間摩擦力越小，從壩體抗滑穩(wěn)定性考慮，本工程土工膜過(guò)渡料選用小于10mm砂礫料。

3.2 復(fù)合土工膜延伸破壞驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證恰木薩水電站大壩防滲斜墻的安全穩(wěn)定性，利用有限元模擬軟件對(duì)水庫(kù)蓄水后壩體位移變形進(jìn)行模擬。

3.2.1 模型的建立

建立的壩體模擬模型總體為6面體，其中復(fù)合土工膜為四邊形薄膜單元 （共440個(gè)），壩基總單元數(shù)7470個(gè)，壩體單元數(shù)2400個(gè)，建好的模型如圖6［6］。

圖6 大壩有限元模擬模型

3.2.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)模擬水庫(kù)在蓄水期壩體垂直位移，得到圖7等值線。

圖7 蓄水期垂直位移等值線

由圖7可知：

（1）大壩中心位置位移最大，達(dá)到16cm。

（2）從壩體中心向上下游壩腳位置，壩體垂直位移量逐漸降低。

（3）本項(xiàng)目復(fù)合土工膜εmax≈135%，且寬幅為4m，其最大可承受變形量為140cm，遠(yuǎn)大于壩體垂直位移量，因此滿足使用要求。

通過(guò)模擬水庫(kù)在蓄水期壩體水平位移，得到圖8等值線。

圖8 蓄水期水平位移等值線

由圖8可知：

（1）上下游壩坡中心位置水平位移量最大，約為4.0～4.5cm。

（2）從壩坡向壩頂位置，壩體水平位移量逐步降低。

（3）最終可知，復(fù)合土工膜滿足壩體水平位移使用要求。

通過(guò)模擬水庫(kù)在蓄水期壩體最大主應(yīng)力，得到圖9等值線。

圖9 蓄水期最大主應(yīng)力等值線

由圖9可知：

（1）壩基中心位置主應(yīng)力最大，達(dá)到0.4MPa。

（2）從壩基到壩頂位置，最大主應(yīng)力在逐步減小，復(fù)合土工膜需要承受的最大主應(yīng)力小于0.05MPa。

（3）本項(xiàng)目土工膜Tmax≈10kN/m，可換算得出其最大承受主應(yīng)力為0.1MPa，因此復(fù)合土工膜滿足壩體最大主應(yīng)力要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）復(fù)合土工膜防滲斜墻施工簡(jiǎn)單，質(zhì)量可靠。但設(shè)計(jì)時(shí)要注意抗滑穩(wěn)定性問(wèn)題，選用既不會(huì)對(duì)土工膜產(chǎn)生破壞、摩擦力又較大的砂礫料。

（2）恰木薩水電站大壩復(fù)合土工膜防滲斜墻投入使用后，防滲效果良好，沒(méi)有出現(xiàn)土工膜破裂、滑坡問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上是成功的。