土工膜缺陷對土石壩滲流特性的影響及控制措施

岑威鈞,和浩楠,李鄧軍

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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土工膜缺陷對土石壩滲流特性的影響及控制措施

岑威鈞,和浩楠,李鄧軍

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

由于土工膜因缺陷導(dǎo)致的滲漏問題可能對土工膜防滲土石壩工程安全造成隱患,為此模擬不同的土工膜缺陷大小和位置,分別采用剔除單元法和滲透系數(shù)放大法對存在缺陷的土工膜壩面防滲土石壩進(jìn)行飽和-非飽和三維滲流場有限元數(shù)值仿真計算,分析土工膜不同缺陷條件下大壩整體及局部滲流場變化規(guī)律。計算結(jié)果表明:土工膜缺陷滲漏僅對缺陷附近壩體局部滲流場分布產(chǎn)生較大影響,對大壩其他部位影響不大;土工膜缺陷位置越低,缺陷處水頭越大,缺陷滲漏量增加越明顯,并使缺陷處膜后壩體浸潤線局部抬高。最后,針對土工膜缺陷滲漏提出了若干工程設(shè)計控制措施。

土工膜缺陷;流量等效原則;缺陷滲流模擬方法;滲漏控制措施;土石壩

品質(zhì)完好的土工膜或復(fù)合土工膜具有優(yōu)越的防滲性能和較好的延伸性,且具有施工速度快和造價低廉等優(yōu)點。目前,(復(fù)合)土工膜已廣泛應(yīng)用于土石壩、堤防、圍堰、庫底、蓄水池、渠道等防滲工程中[1-4]。然而現(xiàn)有條件下,土工膜在實際工程防滲應(yīng)用時很難避免各類缺陷的產(chǎn)生。岑威鈞[5]從產(chǎn)品質(zhì)量、受力、施工、設(shè)計、運行等方面詳細(xì)闡述了土石壩中防滲土工膜各類缺陷形式及其產(chǎn)生原因,其中施工引起的缺陷占很大比例。國外曾對某工程28處共20萬m2土工膜進(jìn)行質(zhì)量檢測,發(fā)現(xiàn)平均每1萬m2中有26個漏水孔,其中69%出現(xiàn)在焊縫處[1]。我國對土工膜施工工藝研究較晚,目前還缺乏施工相關(guān)的規(guī)范或?qū)t等施工技術(shù)條文,同時還缺乏有經(jīng)驗的施工隊伍,因此土工膜可能更易出現(xiàn)各種施工缺陷。其他如變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的土工膜撕裂,水壓或氣壓引起的局部脹破等也是工程中較為普遍存在的。由于缺陷成因和類型的復(fù)雜性,為了便于定量描述與比較,學(xué)術(shù)界習(xí)慣將實際各種形狀的缺陷按照面積等效的原則當(dāng)量處理成圓形缺陷和縫狀缺陷兩大類。國際著名的土工合成材料專家Giroud和其合作者、Eloy-Giorni、Jayawickrama等學(xué)者[6-10]對土工膜缺陷滲漏做了不少研究,這些研究基本上是開展室內(nèi)試驗或推導(dǎo)半理論半經(jīng)驗公式,相關(guān)成果主要適用于垃圾填埋場等低水頭滲漏問題。對于土石壩等高水頭防滲工程,目前尚無成熟的試驗或理論研究成果可供直接使用。土工膜缺陷的存在,破壞了大壩防滲屏障的完整性,缺陷處成為集中滲漏點,勢必影響壩體滲流場分布特性,可能對大壩的防滲安全性造成隱患。為此,采用三維飽和-非飽和滲流有限元理論,針對典型的土工膜防滲土石壩建立有限元計算模型,分別采用兩種方法對土工膜缺陷滲漏行為進(jìn)行模擬,重點研究土工膜不同缺陷條件(缺陷大小和缺陷位置)對壩體滲流場的影響規(guī)律,分析評價缺陷滲漏對大壩防滲安全性的影響程度。最后,針對缺陷滲漏問題提出了工程設(shè)計控制措施。

1 土工膜滲透和滲漏行為的模擬方法

1.1 完好土工膜的滲透模擬

性能完好的土工膜滲透系數(shù)一般在10-11～10-13cm/s之間,比混凝土材料具有更低的滲透性。用于土石壩防滲的土工膜厚度一般在0.5～2.0 mm之間。由于土工膜厚度很小,用常規(guī)有限元法對土工膜防滲土石壩進(jìn)行網(wǎng)格剖分和計算時,不易模擬厚度僅為毫米級的土工膜的滲流行為。通常的處理方法是將土工膜放大處理成具有一定厚度的等效多孔介質(zhì)[11-12],并假定其滿足達(dá)西滲流定律。岑威鈞等[13]采用流量等效原則進(jìn)行了模擬和比較分析,即將土工膜的厚度增大n倍,在土工膜厚度方向上滲透系數(shù)增大n倍,同時平面內(nèi)的滲透系數(shù)減小為原先的1/n。這樣將原先滲透各向同性的土工膜等效成滲透系數(shù)各向異性的等效滲透多孔介質(zhì)。該方法計算結(jié)果表明,不同土工膜厚度放大倍數(shù)下,浸潤線僅在土工膜厚度等效區(qū)內(nèi)有較大區(qū)別,膜后壩體部位基本保持不變;而滲流量雖隨著土工膜厚度放大倍數(shù)的增大稍有減小,但在同一量級內(nèi)變化微小,說明按流量等效原則將土工膜放大處理是可行的。由于質(zhì)量良好的土工膜滲透系數(shù)已達(dá)到10-11cm/s,且大壩滲流主要為垂直于土工膜平面方向,因此土工膜平面內(nèi)的滲透系數(shù)的減小對滲流場結(jié)果的影響完全可忽略。所以,厚度放大的土工膜依然可以簡化成各向同性滲透介質(zhì),避免了各向異性時滲透張量的旋轉(zhuǎn)問題,這種處理使得常規(guī)各向同性的滲流計算程序依舊可以用于分析土工膜防滲土石壩的滲流問題。

1.2 缺陷土工膜的缺陷滲漏模擬

土石壩壩面防滲土工膜出現(xiàn)的缺陷大致可歸類為形狀不規(guī)則的孔(洞)狀缺陷和長條形的縫狀缺陷?？谞钊毕菀话憧捎妹娣e等效的圓形缺陷來描述,直徑大多在厘米級?？p狀缺陷大多位于相鄰兩幅土工膜拼接處、土工膜與剛性建筑物連接處及土工膜兩岸錨固處,缺陷長度可在幾厘米至幾十厘米范圍,個別虛焊(或脫膠)處甚至達(dá)數(shù)米。關(guān)于土工膜缺陷滲漏行為的模擬,從滲流分析角度可以采用剔除缺陷處土工膜單元的方法(剔除單元法),即在缺陷處直接施加相應(yīng)的作用水頭。也可以保留缺陷處土工膜單元,通過放大滲透系數(shù)的方法考慮其滲漏特性。但這種情況下計算結(jié)果可能與缺陷土工膜單元局部滲透系數(shù)的放大倍數(shù)有關(guān),目前尚無理論確定方法,主要依賴于計算經(jīng)驗。本文通過大量的數(shù)值模擬,分析比較這兩種方法的差異性。

2 土工膜缺陷滲漏的有限元模擬

2.1 計算條件

計算模型為巖基上的土工膜防滲土石壩,壩高56 m,上、下游壩坡比均為1∶1.7,左右岸坡坡比為1∶1,壩頂全長136 m,上游水位53 m,下游水位1 m。土工膜鋪設(shè)在上游壩面。土工膜在壩基及兩岸通過混凝土趾板與基巖相連。土工膜下設(shè)墊層、過渡層和堆石區(qū)。土工膜在施工和運行過程中容易產(chǎn)生缺陷,且缺陷形狀、位置和尺寸都具有一定的隨機性。為了便于計算分析,有限元網(wǎng)格剖分時將土工膜缺陷概化為面積等效的正方形孔洞或矩形長條縫,并將缺陷位置分別假設(shè)位于壩面底部、中部和上部3處。通過改變?nèi)毕莩叽?近似模擬不同缺陷條件下的等效滲流場。計算時,將缺陷尺寸分別等效為邊長為3 cm的小孔、邊長為10 cm的大孔及長度為25 cm、100 cm、200 cm的缺陷縫。其中孔狀缺陷用于模擬施工中土石料或施工機械對土工膜的局部損傷破壞,縫狀缺陷用于模擬土工膜拼接或連接處出現(xiàn)的脫焊或虛焊等不良施工條件。

2.2 有限元建模及計算參數(shù)

按上述信息對土工膜防滲土石壩進(jìn)行三維建模,壩體分區(qū)從上游向下游依次為土工膜、墊層、過渡層、堆石區(qū)。根據(jù)流量等效原則,將厚度1 mm的土工膜等效為30 cm厚的多孔介質(zhì)防滲層。如果按照目前土石壩網(wǎng)格主流剖分習(xí)慣,其等效厚度依然遠(yuǎn)小于土工膜單元在壩面內(nèi)的尺度。為了提高計算精度,建模時應(yīng)使等效后的土工膜單元在3個方向上的尺度盡量處于同一量級,同時缺陷單元與周圍單元的大小也盡量接近。為此,在初始土石壩網(wǎng)格的基礎(chǔ)上對等效后的土工膜防滲區(qū)域進(jìn)行二次剖分,在壩面2個方向上加密剖分?jǐn)?shù),使之與厚度接近。局部缺陷土工膜單元在壩面內(nèi)按實際尺寸建模,并與周邊單元進(jìn)行過渡連接。加密剖分后的有限元模型見圖1,其中節(jié)點數(shù)為74 402,單元數(shù)為71 756。土工膜不同的缺陷預(yù)設(shè)位置見圖2。

圖1 土工膜防滲土石壩三維有限元網(wǎng)格

圖2 壩面土工膜缺陷位置示意圖

對大壩進(jìn)行三維飽和-非飽和滲流場計算,分別采用兩種不同的土工膜缺陷滲漏行為模擬方法:當(dāng)采用剔除缺陷單元法時,將相應(yīng)的水頭值直接作用在缺陷邊界的下墊層上;當(dāng)保留缺陷土工膜單元時,為了模擬缺陷處的強透水性,缺陷單元的滲透系數(shù)分別放大至10-2cm/s、10-1cm/s和1 cm/s;壩面其余部位完好土工膜區(qū)域等效滲透系數(shù)取3.0×10-9cm/s。墊層、過渡層及堆石區(qū)的飽和滲透系數(shù)分別取為1.0×10-4cm/s、2.0×10-3cm/s和2.0×10-1cm/s,其中墊層和過渡層滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化曲線借鑒一般面板壩中墊層和過渡層的非飽和滲流特性曲線作適當(dāng)調(diào)整后得到。

2.3 土工膜缺陷滲漏影響分析

2.3.1 缺陷滲漏下的壩體滲流場

為了分析土工膜缺陷大小和缺陷位置對壩體滲流場的影響,根據(jù)不同組合建立多組計算方案。采用剔除單元法模擬得到各計算方案的缺陷附近土工膜等效區(qū)與墊層區(qū)的滲透坡降、壩體滲流量及膜后浸潤線高度，見表1。

由于各組方案計算所得的等水頭線分布規(guī)律相似,僅浸潤線高度有所差別，限于篇幅,本文僅給出土工膜完好無損(方案A0)及壩面底部土工膜發(fā)生200 cm長缺陷縫(方案C5)時過缺陷孔(縫)中心橫剖面壩體等水頭線分布,見圖3。

比較分析不同缺陷尺寸(3 cm×3 cm、10 cm×10 cm、25 cm、100 cm、200 cm)以及不同缺陷位置(上部、中部、底部)下大壩滲流場基本特性(表1)可知:①隨著缺陷孔(縫)尺寸的增大和缺陷縫位置的降低,通過缺陷孔(縫)的滲漏量逐漸增大,但較壩體無缺陷時的滲流量增幅較小,這是因為缺陷后的墊層起到了很好的輔助防滲作用,對缺陷滲流起到了限制作用。②由于缺陷處墊層的限滲作用,缺陷后壩體浸潤面只在缺陷附近內(nèi)小幅度升高,其中缺陷孔(縫)位置對膜后浸潤面的影響較大,位置越低浸潤面抬升的幅度越大;缺陷孔(縫)尺寸大小對膜后浸潤面的影響甚小。③土工膜一旦出現(xiàn)缺陷,缺陷孔(縫)附近土工膜等效區(qū)的滲透坡降明顯減小,膜后墊層區(qū)的滲透坡降急劇增大,說明水頭損耗由土工膜轉(zhuǎn)嫁于墊層中,使得墊層發(fā)揮限滲作用,起到了第2道防滲體的作用。④單個缺陷孔洞(縫)滲漏能力有限,其對壩體浸潤面和滲流量的影響均不顯著,所以更應(yīng)該關(guān)注土工膜缺陷附近的局部滲流場及墊層區(qū)滲透坡降的變化。各缺陷方案下缺陷附近墊層的滲透坡降增大明顯,應(yīng)做好下面過渡層對其的反濾保護(hù)設(shè)計。研究表明,隨著墊層滲透性的增加或厚度增大,其滲透坡降可明顯減小[14]。因此,合理設(shè)計墊層,確保自身不出現(xiàn)滲透破壞在土工膜防滲土石壩設(shè)計中是非常重要的。

表1 土工膜存在缺陷時的滲流場計算結(jié)果

圖3 方案A0、C5過缺陷剖面(局部)大壩等水頭線分布(單位:m)

圖4 典型計算方案過缺陷剖面(局部)大壩等水頭線分布(單位:m)

2.3.2 土工膜缺陷附近局部滲流場

對于土工膜防滲土石壩而言,壩體土石料的滲透系數(shù)一般較大,因此土工膜正常防滲情況下壩體浸潤線較低,絕大部分壩體處于非飽和區(qū)。當(dāng)土工膜存在缺陷時,通過土工膜缺陷處的滲漏水的滲透壓力會向遠(yuǎn)處壩體較快擴(kuò)散和消散,在缺陷附近局部范圍內(nèi)出現(xiàn)或維持飽和區(qū),但壩體絕大部分區(qū)域依舊處于非飽和區(qū)。圖4為典型計算方案缺陷附近壩體等水頭線分布情況(過缺陷中心線剖面的局部放大圖)。由圖4可見,缺陷附近局部飽和區(qū)范圍隨著缺陷上作用水頭和缺陷尺寸的增大而增大。土工膜缺陷附近局部飽和區(qū)主要影響范圍僅限于膜后墊層區(qū),尚未擴(kuò)展到過渡層內(nèi),進(jìn)而導(dǎo)致墊層區(qū)的滲透坡降增大明顯,因此過渡層應(yīng)做好對墊層的反濾保護(hù),以免墊層發(fā)生局部滲透破壞。

2.3.3 兩種缺陷模擬方法下壩體滲流場對比

對于土工膜缺陷滲漏行為,剔除缺陷單元直接施加作用水頭的處理方法在理論上是合理的。為了進(jìn)一步簡化計算,嘗試采用放大缺陷處土工膜單元的滲透系數(shù)進(jìn)行對比驗證計算。計算時,缺陷土工膜單元分別取10-2cm/s、10-1cm/s和1 cm/s這3種不同的放大滲透系數(shù)。計算結(jié)果表明3種不同滲透系數(shù)下結(jié)果差別甚微。這主要是由于缺陷土工膜單元的滲透系數(shù)取值遠(yuǎn)大于其后墊層的滲透系數(shù),所以相對墊層而言缺陷單元已無阻水作用。計算表明,兩種缺陷模擬方法得到的滲流量幾乎相同。圖5為方案B(壩面中部出現(xiàn)缺陷)兩種缺陷模擬方法得到的大壩壓力勢等值線分布(圖中藍(lán)色代表剔除單元法，黑色代表滲透系數(shù)放大法)。由圖5可見,兩種模擬方法得到的壓力勢等值線幾乎重合,膜后浸潤線(零壓力勢線)高度最大相差不到1 cm。因此,當(dāng)土工膜存在缺陷時,兩種模擬方法的計算結(jié)果是一致的,其中放大系數(shù)法計算更為簡便。

圖5 兩種缺陷模擬方法得到的大壩壓力勢等值線分布(單位:kPa)

3 預(yù)防和控制土工膜缺陷滲漏的工程措施

目前,客觀存在的土工膜缺陷很大程度上限制了設(shè)計人員對其的防滲應(yīng)用。預(yù)防土工膜缺陷的產(chǎn)生是控制土工膜缺陷滲漏最為有效的措施。這當(dāng)中除了需要土工膜本身性能良好外,更應(yīng)該在設(shè)計形式、鋪設(shè)、焊接(膠接)、錨固土工膜等環(huán)節(jié)做到精心設(shè)計,細(xì)致施工和及時保護(hù),方可有效減小土工膜缺陷破損發(fā)生的概率。另外,由于兩岸錨固邊界及與剛性建筑物連接處等某些變形差較大部位土工膜出現(xiàn)缺陷破損的概率較大,可借鑒面板壩周邊縫附近特殊墊層的設(shè)計思想，在這些可能缺陷發(fā)生區(qū)域的下墊層進(jìn)行局部抗?jié)B加強處理。一旦出現(xiàn)缺陷滲漏,局部抗?jié)B加強的墊層能起到明顯的限滲作用,進(jìn)而抑制浸潤線的抬高和滲流量的增大。此外,壩面土工膜鋪拼接處若焊接或膠接質(zhì)量不可靠,也極容易成為“人為設(shè)置的可能缺陷區(qū)域”。由于這些部位在土工膜拼接設(shè)計時事先是知道的,因此可以預(yù)先采取一些限滲控制措施。根據(jù)滲流有限元計算結(jié)果[14],建議在接縫底部1 m寬度范圍內(nèi)墊層進(jìn)行增倍加厚處理,其限滲效果較局部提高墊層的抗?jié)B性好很多,且這種方法在施工時也較易實施和控制。至于壩面其余部位土工膜,由于各種原因?qū)е碌娜毕菀话愣酁榭锥葱问?面積一般較小,且具有隨機性,目前尚無有效措施進(jìn)行事先預(yù)防或控制。只要加強施工質(zhì)量監(jiān)控,缺陷數(shù)量是可控的。根據(jù)前文滲流場計算成果,這些局部的缺陷對壩體滲流場影響不大。在做好下墊層的反濾保護(hù)的前提下,產(chǎn)生滲透破壞的可能性很小。

4 結(jié) 論

a. 土工膜缺陷滲漏對土工膜防滲土石壩滲流場的影響主要集中于缺陷附近局部區(qū)域,在缺陷周圍墊層局部區(qū)域形成滲流飽和區(qū),滲漏水流對壩體其余部分的非飽和區(qū)影響很小。

b. 放大滲透系數(shù)法和剔除單元法均可有效模擬土工膜缺陷滲漏行為,兩種方法得到的壩體滲流場結(jié)果幾乎一致,前者在計算時更為簡便。

c. 土工膜下墊層宜按半透水性設(shè)計,在土工膜出現(xiàn)局部缺陷滲漏時起到輔助防滲作用,其抗?jié)B(及透水)性能應(yīng)進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計,而經(jīng)過下墊層的滲透水應(yīng)盡快從壩體排出。

d. 在兩岸錨固邊界、土工膜與剛性建筑物連接處及土工膜拼接處,設(shè)計時可采用局部范圍內(nèi)將墊層增倍加厚的預(yù)防處理方法,可有效抑制缺陷滲漏對壩體滲流場的影響,控制滲流量。其余部位土工膜若出現(xiàn)缺陷滲漏,目前尚無有效的預(yù)測或控制措施,只能采取加強施工質(zhì)量監(jiān)控等方法事先預(yù)防。

本文的計算模擬僅考慮了河床處壩面土工膜出現(xiàn)一處缺陷的情況,實際工程中壩面土工膜缺陷數(shù)量和位置有很強的隨機性,土工膜多缺陷情況下的大壩滲流特性及變化規(guī)律有待于進(jìn)一步研究。

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Influence of geomembrane defect on seepage property of earth-rock dams and measures of seepage control//

CEN Weijun, HE Haonan, LI Dengjun

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Geomembrane defect-induced leakage may cause potential hazards to an earth-rock dam with geomembrane on the dam surface used for seepage control. Therefore, three-dimensional saturated-unsaturated seepage fields with different sizes of geomembrane defects occurring at different locations on the surface of an earth-rock dam were simulated with the finite element method. The laws of variations of the entire and local seepage fields with different geomembrane defects were analyzed. The seepage behavior induced by geomembrane defects was simulated using the methods of removing defect elements and amplifying the permeability, respectively. Results show that defect-induced leakage has significant influence on the local seepage field near the defects and little influence on other parts of the dam body. With the low position of geomembrane defects, the head at defects will increase, leading to significant increases of the total seepage flow and local elevation of phreatic lines across the defects. Finally, some methods were proposed for control of defect-induced leakage in engineering design.

geomembrane defect; principle of equivalent seepage flow; simulation method of defect-induced leakage; measure of seepage control; earth-rock dam

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20141418);國家自然科學(xué)基金(51679073);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(YS11001)

岑威鈞(1977—),男,副教授,博士,主要從事水工滲流分析與控制及土石壩抗震研究。E-mail:hhucwj@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.010

TV441;TV641

A

1006-7647(2017)03-0061-05

2016-06-07 編輯：駱超)