土工膜缺陷對堤壩滲流影響的試驗研究

吳大志，余　璐

(浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310018)

?

土工膜缺陷對堤壩滲流影響的試驗研究

吳大志，余璐

(浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310018)

為了分析土工膜缺陷對堤壩滲流的影響，通過自制滲流模型槽開展室內(nèi)試驗研究。試驗時分別考慮了土工膜的缺陷率和缺陷孔徑對堤壩滲流的影響，選取孔徑大小分別為2、5 mm 和10 mm以模擬不同原因引起的缺陷。試驗結(jié)果表明：采用土工膜作為水平鋪蓋進行防滲是有效的，但土工膜中的缺陷對防滲效果有較大影響；試驗發(fā)現(xiàn)土工膜的缺陷孔徑相同時，滲流量隨著缺陷率的增大而增大；對于同一種缺陷率的土工膜，孔徑越大時，滲流量越大。所得結(jié)果可為堤壩滲流的防治提供參考。

土工膜；堤壩；滲流量；缺陷率；缺陷孔徑

0　引　言

我國七大江河堤防總長14萬多km，大堤的險情60%以上是由滲流所造成。所以對于大壩而言，防滲工程是一項很重要的工作。目前用于堤壩防滲的技術(shù)有粘土心(斜)墻、混凝土心(斜)墻、面板防滲和土工膜防滲[1]。土工膜作為一種新的防滲材料，由于其重量輕、整體性好、施工簡易等特點而被廣泛應(yīng)用。土工膜中的滲流可分為滲透和缺陷滲漏兩類，目前土工膜滲透的計算主要是采用土工膜與防滲土體的等效替代法[2]，而關(guān)于缺陷滲漏量的計算還沒有明確的定論。由于土工膜厚度很薄，在施工的過程中很容易破損，成為滲漏的主要通道，由滲漏而引起堤壩破壞的事故也時有發(fā)生。Messerklinger[3]介紹了一發(fā)電站的導(dǎo)水溝由于土工膜襯里破壞引起滲漏最終導(dǎo)致堤壩破壞的案例。關(guān)于土工膜缺陷對滲漏影響的研究，也有一些學(xué)者開展了研究。Giroud等[4]用特制的滲透儀，研究分析了土工膜的滲透特性。Gan等[5]基于非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流理論和Galerkin有限元分析方法，建立三維有限元模型討論了土工膜缺陷對滲漏的影響。吳景海等[6]計算了土工膜防滲層的滲漏流量并利用特制滲透儀分析各相關(guān)因素對滲漏流量的影響。李旺林等[7]分析了庫水滲漏引起土工膜氣脹變形的機理，通過大型專用氣脹試驗設(shè)備，模擬土工膜缺陷滲漏引起的氣脹現(xiàn)象。胡利文等[8]采用光學(xué)顯微鏡和電鏡分析了土工膜在不同延伸率受力狀況下的微結(jié)構(gòu)進行了分析，得出土工膜破壞不僅與顆粒雜質(zhì)有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)本身塑性有關(guān)。束一鳴[9]說明了防滲土工膜周邊連接處和土工膜缺陷處的滲流計算及其影響，分析了不同的支持層對缺陷滲流和土工膜穩(wěn)定的影響。劉鳳茹等[10]對復(fù)合土工膜的缺陷滲漏量進行試驗觀測，得出了在不同的壓力水頭作用下、不同缺陷孔徑與兩種墊層材料組合的多種工況下缺陷滲漏量實測值，建立了復(fù)合土工膜缺陷滲漏量的經(jīng)驗擬合公式。孫丹等[11]根據(jù)某土工膜防滲砂礫石壩的實際情況，構(gòu)建了三維有限元數(shù)值計算模型，分析了在不同壓力水頭下復(fù)合土工膜發(fā)生不同程度的破損對滲流場的影響，獲得了土工膜防滲砂礫石壩缺陷滲漏流場的特性。李霞[12]通過長方形模型槽中的模型試驗和垂直滲透儀上的滲漏量試驗，研究了土工膜缺陷對高密度聚乙烯土工膜結(jié)合膨潤土防水毯這種防滲結(jié)構(gòu)滲漏的影響。

前人的研究主要集中在土工膜自身滲透特性的理論研究和通過室內(nèi)模型試驗分析壓力水頭、墊層、缺陷孔徑等對土工膜滲漏的影響。但土工膜缺陷率和缺陷孔徑對堤壩滲流影響的研究還未見報道，本試驗采用人工打孔的方式來模擬土工膜缺陷：根據(jù)文獻(xiàn)[10]選取2mm和10mm孔徑模擬接縫缺陷、偶然因素引起的缺陷，選取5mm孔徑以模擬介于這兩者之間的缺陷。分別討論相同孔徑時缺陷率對堤壩滲流的影響和相同缺陷率時缺陷孔徑對堤壩滲流的影響，所得結(jié)論可為相關(guān)工程實踐提供參考。

1　試驗裝置及材料

1.1試驗裝置

試驗裝置采用自制滲流模型槽，如圖1所示。模型槽尺寸為3.0 m×0.5 m×1.2 m，水從進水端的平水箱流入模型槽，通過調(diào)整平水箱的高度來改變堤壩上游水位，模型槽右側(cè)留有排水口。模型槽一面采用有機玻璃，一方面觀察筑堤時的壓實情況，另一方面觀察滲流過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象。且在此側(cè)設(shè)8根測壓管以觀察試驗過程中的水頭變化，測壓管的編號從左到右為1—8。

圖1　滲流模型槽示意(單位：mm)

1.2試驗材料

本試驗主要針對透水壩基開展研究，壩基采用砂土填筑。前人很多的模型槽試驗都采用不透水材料來模擬壩身，但實際工程中，壩身很難做到完全不透水，故本試驗采用粉土填筑壩身，粉土取自浙江理工大學(xué)第2綜合實驗樓基坑。填筑材料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。為方便土工膜與槽壁的緊密貼合，試驗所用的土工膜采用普通塑料薄膜代替。

表1　壩基、壩身材料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2　試驗過程及方案

壩身和壩基的填筑，采用分層施工法，分層填筑厚度為10 cm。按照要求將材料逐層夯實到規(guī)定的高度，填筑過程中控制填土的壓實度在88%左右。

本文中所有試驗統(tǒng)一采用上游水頭20 cm，下游水位7 cm。為了避免水從鋪蓋和斜坡連接處集中滲漏，將薄膜沿壩身向壩基表面鋪設(shè)。水平鋪蓋長度均為3倍上游水頭即60 cm。土工膜寬度比模型槽內(nèi)徑大50 cm，用凡士林將土工膜兩側(cè)多余25 cm部分與模型槽內(nèi)壁貼牢，避免氣泡的產(chǎn)生，防止水沿模型槽側(cè)壁下滲，造成集中滲漏。最后，在土工膜與壩基貼合的前端用壩基材料覆蓋，防止土工膜前端上浮，水進入鋪蓋下方造成滲漏。土工膜的鋪設(shè)如圖2所示。

圖2　土工膜鋪設(shè)(俯視)

鋪設(shè)完土工膜，進水端開始放水。在上下游水位差的作用下，滲流發(fā)生。觀察測壓管內(nèi)水位變化和下游出水情況。測壓管示數(shù)不變并且下游滲流孔單位時間溢出的水量達(dá)到穩(wěn)定后，說明滲流已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。記錄測壓管示數(shù)和3 min內(nèi)壩基下游的滲流水量，將水量換算成流量。

選取缺陷的孔徑分別為2、5 mm和10 mm，缺陷率分別為0.05%、0.1%、0.2%開展試驗研究，分別討論同一孔徑下，缺陷率對堤壩滲流的影響，同一缺陷率時，缺陷的孔徑對堤壩滲流的影響。此外還開展了無缺陷和不鋪設(shè)土工膜兩組對比試驗。

3　試驗結(jié)果

3.1試驗現(xiàn)象

從上游開始放水到下游出水大約1h左右，每隔一段時間測一次出水量，發(fā)現(xiàn)滲漏量先增大再減小。這主要是堤壩有逐漸飽和的過程，隨著時間的增加，在水壓力的作用下，水平鋪蓋與壩基之間貼合更緊密，同時壩基材料之間也越來越緊密，導(dǎo)致了出水量逐漸減小。

3.2分析與討論

滲流穩(wěn)定后，記錄下3 min的出水量，除以時間和模型槽寬度可得單位時間單位寬度堤壩的滲流量，結(jié)果見表2。表3給出滲流穩(wěn)定后，1-1組及對比組1、2的測壓管讀數(shù)。圖3給出了滲流量隨缺陷率的變化曲線；圖4給出了滲流量隨缺陷孔徑的變化曲線。滲流穩(wěn)定后，壩基不同位置處的靜水壓力可由測壓管的讀數(shù)反映出來。壩基底部靜水壓力的分布曲線如圖5所示。

表2　試驗數(shù)據(jù)表

表3　試驗1-1組及對比組1、2的測壓管示數(shù)(單位：cm)

圖3　滲流量隨缺陷率的變化

圖3反映了不同缺陷孔徑時滲流量隨缺陷率的變化規(guī)律，由圖可見，相同的缺陷孔徑時，滲流量隨著缺陷率的增大而增大，可以擬合成線性關(guān)系。

Q=2.075ηd+a1

(1)式中：Q為堤壩下游單寬滲流量，mL·s-1·m-1；ηd為土工膜缺陷率，%；a1為擬合系數(shù)。線性擬合后得到3種缺陷孔徑的a1分別為6.505、6.605和6.721，對應(yīng)的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.997、1.000和0.988。

圖4　滲流量隨缺陷孔徑的變化

圖4反映了相同缺陷率時滲流量隨缺陷孔徑的變化規(guī)律。由圖可見，同一種缺陷率的土工膜，孔徑越大時，滲流量越大。滲流量與缺陷孔徑成較明顯的線性關(guān)系，可以擬合成線性式：

Q=0.027db+a2

(2)

式中：db為土工膜缺陷孔徑，mm；a2為擬合系數(shù)。線性擬合后得到3種缺陷孔徑的a2分別為6.567、6.670和6.890，對應(yīng)的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.992、0.974和0.971。

Giroud研究發(fā)現(xiàn)若土工膜下面支持層的滲透系數(shù)ks≥10-3m/s，可采用孔口自由出流的Bernoulli方程計算土工膜缺陷的滲漏量，此時，滲流量只與缺陷總面積有關(guān)。本試驗中，土工膜下面土層滲透系數(shù)為2.8×10-4m/s，不足以看成無限透水層，試驗發(fā)現(xiàn)，滲漏量不僅與缺陷總面積有關(guān)，還與缺陷孔徑大小有關(guān)。

此外，分析表1中對比組1可以看出，土工膜上的缺陷對堤壩滲流量的影響比較大。由對比組2可以看出，上游鋪設(shè)水平土工鋪蓋，可以有效地減少堤壩的滲漏量。

由表3及圖5可以看出，3種工況下測壓管示數(shù)的變化規(guī)律都相同?？梢詳M合成如下的線性關(guān)系：

h=-0.053d+a3

(3)

式中：h為測壓管示數(shù)，cm；d為測壓管到壩腳的距離，cm；a3為擬合系數(shù)。經(jīng)擬合a3分別為47.285、47.482和48.775，對應(yīng)的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.991、0.992和0.992。

圖5　測壓管示數(shù)變化

由圖5可以看出，沿堤壩滲流路徑，測壓管示數(shù)呈下降趨勢，這與穩(wěn)定滲流時流網(wǎng)中流線的變化規(guī)律一致，同時也表明試驗中壩身對試驗結(jié)果影響較小。圖5還可以發(fā)現(xiàn)，相同情況下，無土工膜時靜水壓力最大，無缺陷時靜水壓力最小，這與圖4所反映的規(guī)律一致。

4　結(jié)　論

通過自制室內(nèi)滲流模型槽，填筑堤壩并用塑料薄膜模擬水平鋪蓋鋪設(shè)于堤壩上，并在土工膜上人工開孔以模擬土工膜缺陷，開展了土工膜缺陷對堤壩滲流影響的試驗。試驗結(jié)果表明：堤壩采用土工膜作為水平鋪蓋進行防滲效果是很明顯的，但土工膜上的缺陷對防滲效果有較大影響；土工膜的缺陷孔徑大小一致時，滲流量隨著缺陷率的增大而增大，可以擬合成線性關(guān)系；對于同一種缺陷率的土工膜，孔徑越大時，滲流量越大，可以較好地擬合成線性關(guān)系。由此可得，在堤壩水平防滲層鋪設(shè)過程中，應(yīng)盡可能采用合適的技術(shù)手段減少缺陷的產(chǎn)生，特別是較大缺陷的產(chǎn)生。

[1] 顏宏亮.水工建筑物[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:118-119.

[2] 魏繼中,劉圯,廖文麗.長海水庫復(fù)合土工膜防滲體系滲流分析[J].人民長江,2014,45(s1):107-108.

[3] MESSERKLINGER S. Failure of a geomembrane lined embankment dam- Case study[J]. Geotextiles and Geomembranes,2014,42(3):256-266.

[4] GIROUD J P, BADU-TWENEBOAH K, BONAPARTE R. Rate of leakage through a composite liner due to geomembrane defects[J]. Geotextiles and Geomembranes,1992,11(1):1-28.

[5] GAN L, SHEN Z H, YAN, Z G et al. Numerical simulation of geomembrane defect leakage by saturated-unsaturated seepage method[J]. Advanced Materials Research,2014,904:474-478.

[6] 吳景海,陳環(huán).土工膜防滲層滲漏流量的計算[J].巖土工程學(xué)報,1995,17(2):93-99.

[7] 李旺林,李志強,魏曉燕，等.土工膜缺陷滲漏引起氣脹的研究[J].巖土工程學(xué)報,2013,35(6):1161-1165.

[8] 胡利文,陳嘉歐.土工膜微結(jié)構(gòu)破損機理分析[J].巖土力學(xué),2002,23(6):702-705.

[9] 束一鳴.土工膜連接和缺陷滲漏量計算與缺陷滲流影響[J].人民長江,2002,33(3):26-28.

[10] 劉鳳茹.復(fù)合土工膜缺陷滲透量試驗觀測[J].南水北調(diào)與水利科技.2004，2(2):49-51

[11] 孫丹,沈振中,崔健健.土工膜缺陷引起的土工膜防滲砂礫石壩滲漏數(shù)值模擬[J].水電能源科技,2013，31(4):69-73.

[12] 李霞.內(nèi)蒙古克什克騰旗蒸發(fā)塘缺陷滲漏試驗研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2013：26-52.

(責(zé)任編輯： 張祖堯)

Experimental Study on the Influence of Defects in Geomembrane on the Seepage of a Dam

WUDazhi,YULu

(School of Civil Engineering and Architectural, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

To analyze the influence of defects in geomembrane on the seepage of a dam, a series of experiments were carried out by using a self-made seepage model tank. In experiments, influences of defect rate of geomembrane and defective bore diameter were taken into consideration respectively. Bore diameters were selected as 2mm, 5mm and 10mm to simulate the defects caused by different reasons. Experimental results show that the seepage is effective when geomembrane is selected as the horizontal impervious blanket layer of a dam. Besides, the defects in geomembrane can largely affect its anti-seepage effect. It is also found in experiments that the seepage flow of a dam increases with the increasing defect rate of geomembrane when the defective bore diameters of geomembrane are the same. Besides, at the same conditions, the seepage of a dam increases with the increasing boret diameter of geomembrane with the same defect rate. The conclusions can provide a reference for the seepage control of a dam.

geomembrane; dam; seepage; defect rate; defective bore diameter

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.05.026

2015-10-01

國家自然科學(xué)基金項目(51108421)；浙江省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2011R50020)

吳大志(1977-)，男，安徽樅陽人，副教授，博士，主要從事堤壩滲流及巖土工程方面的研究。

TV614.22

A

1673- 3851 (2016) 03- 0474- 05 引用頁碼： 051102