圍堰防滲墻與復合土工膜聯(lián)接型式試驗研究

劉 軍，李 波

（長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

1 引 言

為解決深水圍堰中高防滲墻的大變形問題，復合土工膜因具有防滲效果好、施工方便、質(zhì)輕價廉等優(yōu)點，在圍堰防滲體系中獲得了廣泛應用[1－2]。防滲墻與復合土工膜共同組成的防滲體系也被譽為整個圍堰工程的生命線[3]，兩者變形是否協(xié)調(diào)是決定防滲成敗的關(guān)鍵。

以某圍堰工程為例，圍堰防滲體為塑性混凝土防滲墻下接灌漿帷幕、上接“之”字形復合土工膜的形式，如圖1所示[4]。拆除過程中現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然土工膜上部預留了伸縮節(jié)，但防滲墻迎水面堰體相對防滲墻沉陷了30 cm左右，且堰體與防滲墻整體脫開了一定距離，導致復合土工膜在與防滲墻搭接處有不同程度的損壞，分析其主要原因可能是（1）圍堰風化砂拋填體密實度不高，后期出現(xiàn)一定沉降變形，而防滲墻壓縮模量很高，壓縮變形很小，由于兩者之間的差異沉降，使得土工膜接頭部位出現(xiàn)較大的拉應力。（2）防滲墻與土工膜所在的堰體水平變形不協(xié)調(diào)，堰體與防滲墻整體脫開，寬度為5～15 cm，使得土工膜承受了較大的水平拉力，當局部達到拉伸強度時，土工膜被拉斷。

圖1 某圍堰土工膜、子堰和防滲墻連接形式(單位: m)Fig.1 Connecting form of geomembrane, sub cofferdam and cutoff wall(unit:m)

因此，如何保證防滲墻與土工膜的可靠聯(lián)結(jié)和協(xié)調(diào)變形，避免土工膜被拉斷，是值得深入研究的問題。

本文首先對復合土工膜進行了受力分析，通過直剪摩擦試驗，對土工膜伸縮節(jié)未拉開以及土工膜的破壞過程進行了全面模擬，并提出了預留伸縮節(jié)的土工膜不被拉斷應滿足的條件。然后，通過離心模型試驗研究了在堰體與防滲墻變形過程中復合土工膜的受力性狀和聯(lián)接部位的破壞機理，并提出了改進的土工膜與防滲墻的聯(lián)接型式和鋪設(shè)方法。

2 復合土工膜受力分析

因復合土工膜尾端固定于防滲墻頂部，且距防滲墻一定距離處設(shè)置有伸縮節(jié)，當塑性混凝土防滲墻在深水高圍堰條件下產(chǎn)生向下游方向的變形時，土工膜主要受防滲墻的拉力 T、土工膜上部圍堰填料（即風化砂）給予的上覆荷載G和土工膜上下兩側(cè)風化砂產(chǎn)生的摩擦力 f，如圖 2所示。三者均考慮為單位寬度土工膜所受的力，即量綱均為kN/m，分析其結(jié)果可能有以下3種情況：

（1）土工膜伸縮節(jié)被拉出，未出現(xiàn)破壞

此時復合土工膜防滲墻共同形成的防滲體系起到了很好的防滲作用，且土工膜伸縮節(jié)的作用得到較好的發(fā)揮，土工膜的受力關(guān)系為：μG=f≤T＜N，μ為土工膜與風化砂之間的摩擦系數(shù)；N為土工膜的拉伸強度，即單位寬度所受的極限拉伸力（kN/m）。

圖 2 某圍堰中復合土工膜受力示意圖Fig.2 Sketch of stress analysis of geomembrane in cofferdam

（2）土工膜伸縮節(jié)未被拉出也未出現(xiàn)破壞

此時復合土工膜與防滲墻共同形成的防滲體系可以起到較好的防滲作用，且土工膜伸縮節(jié)的作用未得到發(fā)揮，土工膜的受力關(guān)系為：T＜N且T＜f。若要使防滲墻變形增大（T增大）時土工膜不被拉斷，則應保證f＜N。

（3）土工膜伸縮節(jié)未被拉出，土工膜被拉斷

本文圍堰實例拆除時，現(xiàn)場實錄即為此種情況。此時復合土工膜與防滲墻共同形成的防滲體系失效，且土工膜伸縮節(jié)未起到應有的作用，土工膜的受力關(guān)系為：N＜T＜f。分析其原因，可能是復合土工膜拉伸強度過低或是土工膜與風化砂間的摩擦力太大。

綜上，若要使土工膜不被拉斷，應保證土工膜有一定的抗拉能力，同時應改進鋪設(shè)方法，盡可能減小土工膜受到的拉力?？紤]到在不利條件下可能受到的拉力，可以從選用拉伸強度較高的土工膜和減小復合土工膜與風化砂間的摩擦力，兩方面采取措施。

3 直剪摩擦試驗設(shè)計及成果

3.1 試驗方案

通過直剪摩擦試驗，監(jiān)測復合土工膜的應力-應變的變化情況，分析其不同部位的受力及變形。試驗共采用 3種不同界面接觸方式：風化砂+復合土工膜、風化砂+土膏+復合土工膜（土膏是含水率為50%的膨潤土）、風化砂+土工單膜+復合土工膜，研究在各種情況下的受力性狀及界面摩擦系數(shù)。

3.2 試驗儀器

試驗所用直剪摩擦儀見圖 3，各部件符合《土工合成材料測試規(guī)程》[5]相關(guān)規(guī)定。試樣盒由上、下盒組成，尺寸為305 mm×305 mm方形。試驗前在下盒內(nèi)放入鋼墊塊，將復合土工膜試樣由夾持器固定在下盒上，然后，將風化砂按照設(shè)定的密度和含水率于上盒內(nèi)擊實。試驗時上盒固定，下盒滑動，用下盒提供的拉力模擬現(xiàn)場防滲墻產(chǎn)生水平位移時對復合土工膜的作用。

圖3 直剪摩擦儀Fig.3 Direct shear and interfacial friction instrument

直剪試驗每組3個試樣，上覆荷載分別為50、100、200 kPa。上盒內(nèi)風化砂固結(jié)后開始剪切，剪切速率為0.5 mm/min，當位移量達40 mm時停止試驗。破壞剪應力有峰值時取峰值，無峰值時取 5%剪應變對應的剪應力。

3.3 模型材料

（1）砂礫料

圍堰堰體填料主要為風化砂料，風化砂為閃暈斜長花崗巖全強風化層的開挖料，主要礦物成分為48%正長石、25%石英、15%斜長石、10%云母，還有少量的角閃石和綠泥石。堰體建成初期平均密度為1 936 kg/m3，拆除時防滲墻附近堰體平均密度為2 000 kg/m3[6]，試驗時風化砂密度取1 800 kg/m3，含水率為10%。風化砂的天然粒徑較小，級配相對不穩(wěn)定，按以往經(jīng)驗采用橡皮頭錘碾條件下的干篩級配曲線作為風化砂的級配曲線，風化砂粒徑分布見表1。P5值（粒徑大于5 mm的顆粒質(zhì)量百分數(shù)）為11.6%，含泥量（粒徑小于0.1 mm的顆粒質(zhì)量百分數(shù)）為4.2%。

（2）采用兩種復合土工膜

主要指標見表2。

3.4 模型監(jiān)測及傳感器布置

（1）土工膜不同部位的應力監(jiān)測

如圖4所示，土工膜設(shè)置伸縮節(jié)，按一定間距在土工膜表面分別粘貼若干柔性應變片（最大應變可達 30%），靠近土工膜固定端一側(cè)、伸縮節(jié)里面均布置2排應變片。

（2）荷載和位移監(jiān)測

本試驗所用直剪摩擦儀是一個智能加載系統(tǒng)，有2個力傳感器（分別為水平和垂直）和2個位移傳感器（分別為水平和垂直）。

3.5 試驗結(jié)果

（1）土工膜損壞伸縮節(jié)未拉出的工況模擬試驗

為了模擬圍堰復合土工膜損壞而伸縮節(jié)未拉出的情況，采用風化砂和復合膜2進行試驗。因復合膜2橫向拉伸強度為17.7 kN/m，略小于圍堰所用土工膜的縱向抗拉伸強度設(shè)計性能指標（不小于20 kN/m），因此，對上覆荷載進行相應折減，取G=270 kPa。試驗結(jié)果表明，復合膜2固定端已輕度損壞且伸縮節(jié)未拉開，本試驗界面為單面摩擦，而實際工程中復合土工膜兩側(cè)均與圍堰填料接觸，顯然，復合土工膜伸縮節(jié)更難以拉開，有必要深入探討出現(xiàn)該情況的內(nèi)在原因及避免土工膜受拉時損壞的應對措施。

（2）界面摩擦系數(shù)試驗

本文所做的界面摩擦試驗均為單面摩擦，即界面摩擦系數(shù)為單面摩擦系數(shù)，與實際工程中復合土工膜兩側(cè)均與圍堰填料接觸不同，但可用作機制分析，試驗結(jié)果見表3。從表中可見，復合膜2與復合膜1在幾種界面接觸形式下的界面摩擦系數(shù)及其規(guī)律比較接近，因此，以下試驗驗證及分析以復合膜1為主。

表3 直剪摩擦試驗成果Table 3 Results of direct shear and friction test

由前述受力分析及直剪摩擦試驗表明，復合膜1與風化砂界面、復合膜1與風化砂間加土膏時、復合膜1與風化砂間加單膜時的界面摩擦系數(shù)分別為0.258、0.270、0.224。

因復合膜1的縱向拉伸強度Ts=5.74 kN/m，復合土工膜達到極限拉伸狀態(tài)時，可采用不同界面接觸形式情況下臨界上覆荷載計算。

復合膜1與風化砂界面：

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通過不同上覆荷載條件下風化砂與復合膜1剪切試驗，結(jié)果表明，當上覆荷載為50 kPa時，土工膜伸縮節(jié)可拉出；當上覆荷載為100 kPa時，土工膜伸縮節(jié)不能拉出，剪切位移為35 mm時土工膜剪應力達到50.8 kPa，土工膜已損壞，剪應力減小。

通過不同界面接觸形式的剪切試驗（見圖5），當界面摩擦系數(shù)較大（界面加土膏）時，剪切位移與剪應力關(guān)系曲線表現(xiàn)為逐漸增大；而當界面摩擦系數(shù)較?。ń缑婕訂文ぃr，剪切位移與剪應力關(guān)系曲線則表現(xiàn)為剪應力先增大然后略有減小。上覆荷載均為80 kPa，上部為界面加單膜，下部為界面加土膏，兩者試驗后土工膜固定端塑性變形分別為12%、4%，分別對應土工膜伸縮節(jié)不能拉開和能拉開的情況。

圖5 風化砂與復合膜1在不同界面接觸形式下剪切位移-剪應力關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain curves of several interface between weathered sand and geomembrane 1

4 離心模型試驗驗證

4.1 試驗方案

為了驗證土工膜受到水平拉力時預留伸縮節(jié)能否發(fā)揮作用，開展了圍堰防滲墻與復合土工膜聯(lián)接型式離心模型試驗[7]。離心模型試驗的模型比尺為1︰50，填筑材料采用現(xiàn)場開挖得到的風化砂。通過比尺換算，得到復合土工膜上覆堰體厚度為30 cm，復合土工膜下方鋪設(shè)風化砂層厚度為30 cm；復合土工膜水平向長度為36 cm，預留伸縮節(jié)距防滲墻6 cm，可伸縮長度按2 cm設(shè)置。具體試驗方案見表4，典型斷面示意圖如圖6所示。

表4 圍堰防滲墻與土工膜聯(lián)接型式離心模型試驗方案Table 4 Schemes of centrifugal model tests on connecting form of cofferdam cutoff wall and geomembrane

圖6 模型斷面圖(單位: cm)Fig.6 Cross-section of models(unit: cm)

SX-1模擬復合土工膜以下堰體的沉降變形對土工膜的受力及變形的影響；SX2模擬防滲墻與堰體脫開距離對復合土工膜的受力及變形的影響。

試驗在長江科學院 CKY-200現(xiàn)代化多功能土工離心機上進行，該離心機的有效容量為200 gt，最大加速度為200 g，有效半徑為3.7 m。模型箱尺寸（長×寬×高）為100 cm×40 cm×80 cm（二維模型箱）。

4.2 模型材料

模型所用的填筑材料為該圍堰原型所用的風化砂，密度為17.5 kN/m3，在試驗過程中盡可能減少上部制樣對下部土工膜及下覆風化砂層的影響。防滲墻在本次試驗中用于給定位移邊界條件，其自身的受力變形特征不是研究重點，采用厚度為 2 mm鋁板進行模擬，底部設(shè)置寬承臺，以達到底部固定的目的。復合土工膜的模擬是本次模型試驗的關(guān)鍵，必須滿足與原型相似的要求，通過多種材料比選，模擬材料選定為單層土工膜，其抗拉強度為0.75 kN/m，伸長率為45%，與風化砂的界面摩擦系數(shù)為0.25，基本滿足模擬的要求。

4.3 模型監(jiān)測及傳感器布置

試驗采用非接觸式激光位移傳感器監(jiān)測堰體填筑頂面以及鋁板的水平位移（模擬防滲墻與堰體脫開距離）。土工膜不同部位的應力監(jiān)測通過在從復合土工膜與防滲墻的連接端開始，按一定間距在復合土工膜表面分別黏貼若干柔性應變片（最大應變可達 30%），連接端一側(cè)間距要小，離防滲墻越遠，間距逐漸加大。

4.4 試驗結(jié)果

SX-1和SX-2試驗后，復合土工膜在其與防滲墻的聯(lián)接處全部斷開。圖 7（a）為復合土工膜不同位置處應變與地表沉降關(guān)系。在SX-1試驗中，當加速度逐級增大時填土表面沉降逐漸增大，當加速度為50 g時，表面沉降達到最大為17.5 mm，并且在每一級加速穩(wěn)定運行時沉降迅速穩(wěn)定。圖7（b）為復合土工膜應變-鋁板水平位移（模擬防滲墻與堰體 脫開距離）關(guān)系。從圖中可以看出，復合土工膜3個不同位置處的應變均比較小，其最大值均小于700 με；隨著鋁板水平位移的逐漸增大，距離防滲墻2 cm處的應變均逐漸增大，當脫開距離為1.5 mm左右時達到最大值；復合土工膜所受拉力由防滲墻開始向外逐漸減小。但不同距離處應變片的最大值不相同，表明復合土工膜在其與防滲墻的聯(lián)接處受力不均勻。

圖7 復合土工膜應變-水平位移的關(guān)系Fig.7 Relatingships between strain and lateral displacement of composite geomembrane

根據(jù)以上2組離心模型試驗結(jié)果，圍堰填料的固結(jié)沉降變形以及防滲墻與堰體的脫開均可導致復合土工膜被拉斷。為了防止聯(lián)接部位被拉斷，應改進土工膜與防滲墻的聯(lián)接型式和鋪設(shè)方法，即將土工膜埋置于防滲墻頂部，且將預留變形量設(shè)置在防滲墻頂部與防滲墻的聯(lián)接部位，并將土工膜往下游方向鋪設(shè)。具體聯(lián)接型式如圖8所示，將土工膜伸縮節(jié)設(shè)置在防滲墻頂，然后向下游方向鋪設(shè)。

圖8 改進土工膜鋪設(shè)方法Fig.8 Improvement of geomembrane paving method

5 結(jié) 論

（1）若要使土工膜不被拉斷，應保證土工膜有一定的抗拉能力，同時應改進鋪設(shè)方法，盡可能減小土工膜受到的拉力。為保證土工膜在不利情況下受拉時不被拉斷，需要滿足條件T＜N，且f＜N。根據(jù)實際情況可選用拉伸強度較高的土工膜、界面摩擦系數(shù)低的材料，或減小土工膜埋置深度。

（2）針對圍堰工程防滲體系中常用的防滲墻與復合土工膜聯(lián)接型式，通過2組離心模型試驗，分別模擬堰體的固結(jié)沉降變形以及防滲墻與堰體脫開的影響，結(jié)果表明兩種不協(xié)調(diào)變形均可導致復合土工膜被拉破甚至拉斷。

（3）為了防止聯(lián)接部位被拉斷，應改進土工膜與防滲墻的聯(lián)接型式和鋪設(shè)方法，即將土工膜埋置于防滲墻頂部，且將伸縮節(jié)設(shè)置在防滲墻頂部與防滲墻的聯(lián)接部位，并將土工膜往下游方向鋪設(shè)，使得防滲墻變形時土工膜盡可能避免受拉。

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