平原水庫運行條件下的土工膜氣脹試驗研究

王柳江, 劉斯宏, 孫 來,樊科偉,胡天瀚

(1.河海大學水利水電學院, 江蘇 南京 210098; 2.中國電建華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 310014)

平原水庫運行條件下的土工膜氣脹試驗研究

王柳江1, 劉斯宏1, 孫 來2,樊科偉1,胡天瀚1

(1.河海大學水利水電學院, 江蘇 南京 210098; 2.中國電建華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 310014)

為研究土工膜氣脹及其與地下水位上升、水庫蓄水及庫水位驟降等影響因素的關系,研制了土工膜氣脹模型試驗裝置,并對不同模擬工況下的土工膜位移、膜下氣壓、吸力、孔隙水壓力以及豎向土壓力的變化規(guī)律進行了試驗研究。結果表明:膜下氣壓和孔隙水壓力均隨地下水位上升而增大,其大小由地下水位上升幅度決定;當?shù)叵滤慌c土工膜之間的非飽和區(qū)域較小時,膜下孔隙壓力受庫水荷載作用增加顯著,在蓄水初期極易引發(fā)土工膜氣脹變形,建議在膜上設置一定壓重防止土工膜被頂起;膜下孔隙壓力變化滯后于膜上荷載,庫水位驟降時,膜下氣壓將大于膜上荷載,從而引起土工膜氣脹破壞。

平原水庫;土工膜;非飽和土;氣脹;孔隙氣壓力

土工膜全庫盤防滲技術是水庫常見的防滲措施之一,在工程中已得到廣泛應用[1-3]。對于采用土工膜全庫盤防滲的平原水庫,水庫蓄水初期,土工膜膜下非飽和土層中孔隙氣體極易聚集,導致土工膜局部或大面積浮起,甚至脹破[4]。如山東省淄博市新城水庫全庫鋪塑約1.0 km2,因氣脹破壞導致嚴重滲漏[5];濟南市玉清湖水庫北店子沉砂池壩坡鋪設復合土工膜,壩前10 m范圍內出現(xiàn)嚴重氣脹破壞,并進一步加劇了庫水滲漏,引起庫外農田浸沒等嚴重問題[6]。由于土工膜全庫盤防滲技術在大型平原水庫的應用相對較少,因此土工膜氣脹問題尚未引起廣泛關注,其形成機理以及防治措施尚缺乏系統(tǒng)研究。

目前,對土工膜下非飽和土水氣運移規(guī)律的研究更多集中在環(huán)境巖土領域,重點研究封場后膜下氣體產生和水氣遷移規(guī)律等,與平原水庫的氣脹問題有所不同[7-10]。近幾年,國內一些學者針對平原水庫土工膜氣脹問題開展了探索性研究。李旺林等[11]研制了專用氣脹試驗裝備,研究了初次蓄水時土工膜缺陷滲漏引起的膜下非飽和區(qū)中孔隙氣體的變化規(guī)律,驗證了由土工膜缺陷滲漏引起的膜局部隆起變形現(xiàn)象;袁俊平等[12]開展了現(xiàn)場試驗,通過模擬平原水庫不同運行條件,研究庫盤膜下水氣運移規(guī)律,論證了庫盤防滲土工膜浮起失穩(wěn)的可能性,并提出相應的排水排氣措施;Cao等[13]基于混合流體理論開發(fā)了考慮水氣二相流的非飽和土固結程序,并對現(xiàn)場試驗進行了數(shù)值分析;張凱等[14]基于多孔多相連續(xù)介質理論,通過引入排氣率的概念,提出了考慮水氣二相流的非飽和土簡化固結理論,并對庫盤土工膜下的水氣運移規(guī)律進行了分析。由于平原水庫土工膜氣脹現(xiàn)象的實質是非飽和土在封閉邊界條件下的水、氣、固三相耦合問題,涉及土工膜下非飽和土體變形、孔隙水壓力和孔隙氣壓力三者的相互耦合作用。然而,已有研究中大都采用孔隙混合流體壓力來統(tǒng)一描述孔隙水壓力和孔隙氣壓力,雖然一定程度上也能反映實際規(guī)律,但更多的是適用于土體飽和度較高的情況,且無法將水氣變化單獨分離開來,這對于解釋全庫盤鋪膜平原水庫的氣脹形成機制仍存在不足。

為深入研究全庫盤土工膜防滲平原水庫土在真實運行條件下的氣脹機理,本文通過研制專門的土工膜氣脹模型試驗裝置,開展地下水位上升、膜上蓄水和庫水驟降3種運行工況下的模型試驗,研究土工膜下非飽和試樣的豎向位移、孔隙氣壓力、孔隙水壓力、吸力以及豎向土壓力的耦合變化規(guī)律。

1 試驗設備研制

為模擬平原水庫土工膜在實際工作條件下的氣脹發(fā)生、發(fā)展過程,研制了土工膜下氣壓測試儀,如圖1所示。該裝置由固結系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成,能夠模擬土工膜封閉條件下的非飽和土在上部荷載變化、地下水位變化等情況下的膜下土體位移、孔隙水壓力和孔隙氣壓力的變化規(guī)律。

圖1 土工膜氣脹試驗裝置Fig.1 Experiment equipment for air expansion test on geomembrane

固結系統(tǒng)由膜上系統(tǒng)、膜下系統(tǒng)以及膜體結構組成。其中,膜上系統(tǒng)為由上筒體、頂蓋和接口等組成的加壓艙,用于施加豎向荷載;膜下系統(tǒng)由下筒體、底座及接口組成;膜體結構由土工膜和密封裝置組成。上筒體與頂蓋之間、上筒體-土工膜-下筒體之間及下筒體與底座之間通過法蘭盤相連,且法蘭盤之間均設O形密封圈。

壓力控制系統(tǒng)由氣壓力控制系統(tǒng)(加壓/抽氣)和進出水控制系統(tǒng)(進水/排水)組成,用于控制膜上荷載和膜下地下水位。

測量系統(tǒng)包括位移計、張力計、孔隙氣壓力計和土壓力盒。其中,位移計采用YHD-150型回彈式直線位移傳感器,量程150 mm,精度0.1%;張力計為HQ100型壓差式傳感器(量程為0～500 kPa),通過在傳感器與筒體之間加設空腔,在空腔前布置進氣值為5 kPa的陶瓷板,使得張力計不僅能量測飽和狀態(tài)下的正孔隙水壓力,也能量測非飽和狀態(tài)下的土體吸力;孔隙氣壓力計布置在土工膜下,同為HQ100型壓差式傳感器(量程為0～500 kPa);土壓力盒測得的為土水混合壓力,包含水壓力。

2 試驗模擬方法

2.1 試樣制備

由于平原水庫中一般為砂土地基,試驗土樣取自南京江心洲中部的細砂土,屬于含細粒土砂(SF)。土體飽和滲透系數(shù)為5.57×15-5cm/s,密度為2.70 kg/m3。試樣采用分層擊實法制備,控制試樣含水率為5.62%,干密度為1.47 g/cm3,初始孔隙比為0.878,初始飽和度為17.3%。

制樣時,先在試驗筒內壁均勻涂抹一薄層白凡士林,減小土樣與筒壁之間的摩擦,并在試驗筒的進出水口、進氣抽氣口處放置好薄土工布或金屬濾網,以免試驗過程中土顆粒流出堵塞通水通氣管道;然后在試驗筒底部鋪設一層2 cm厚的粗砂層,保證模擬地下水位上升時筒內水位可以均勻上升;當填土高度達到張力計所在位置時,將預先7 d置于蒸餾水中飽和的張力計安裝在試驗筒壁上,然后覆土壓實以保證土樣與陶瓷板接觸良好,張力計自筒底往上每隔15 cm布置1個,共4個;當土樣達到預定高度后,用水平尺進行整平,在試樣表面中心位置設孔隙氣壓力傳感器,所有連接傳感器的數(shù)據(jù)線均通過在試驗筒側壁開孔引出,孔口采用O形密封圈密封,再將土工膜平鋪在試樣表面,膜上放置上筒體,并通過螺栓和上、下連接法蘭進行固定,上、下法蘭盤與土工膜之間均設置了耐磨損O形橡膠密封圈。試樣制備結束后,安裝試驗筒頂蓋和位移計,試驗筒必須保證完全密閉。試驗開始前,先靜置12 h,然后在試樣表面施加100 kPa荷載,之后再靜置48 h,待試樣內土體吸力穩(wěn)定后開始進行試驗。

2.2 試驗過程

試驗經歷3個階段,總歷時91.5 h。

第1階段:模擬地下水位上升階段。設土工膜位置為±0 m水位高程。通過底座一側進水口向筒體內緩慢注水,控制進水流量6.5 mL/min,略小于土體的飽和滲透系數(shù),使試樣內的浸潤線緩慢上升。待通水約67 h后,膜下水位接近-0.06 m高程,關閉進水閥門,模擬地下水位上升工況結束。

第2階段:模擬膜上蓄水階段。該階段在第1階段結束后1.5 h開始,共歷時14 h,膜上水壓共分6級增加,每級增加60 kPa,每兩級之間間隔1.5 h,其中第5級與第6級間隔3 h。

第3階段:模擬膜上庫水驟降工況。該階段歷時10 h,膜上水壓由460 kPa降至100 kPa。

3 試驗結果分析

圖2～4分別為試驗模擬地下水位上升、膜上蓄水和庫水驟降3種工況下對應的各測值時程變化曲線。圖中P為膜下孔隙壓力;WT為地下水位高程;L為膜上荷載;E為試樣底部土壓力;S為試樣表面豎向位移;t為時間。

圖2 地下水位上升過程中各測值隨時間變化Fig.2 Variations of the measured values during the rising of groundwater table

圖3 膜上蓄水過程中各測值隨時間變化Fig.3 Variations of the measured values during the impounding of the reservoir

圖4 庫水驟降過程中各測值隨時間變化Fig.4 Variations of measured values during the sudden drawdown of water level in the reservoir

3.1 地下水位上升工況

圖2(a)為土工膜的膜下氣壓、孔隙水壓力與地下水位隨時間變化曲線。可以看出,膜下氣壓隨著地下水位的上升而增大,且當?shù)叵滤唤咏凉つr,其上升速率有所提高。膜下氣壓增大的主要原因為試驗筒底部土體孔隙水壓力增大,導致孔隙水持續(xù)往試樣頂部滲透,在此過程中同步驅動孔隙氣體往上流動,由于試樣表面被土工膜封閉,孔隙氣體在地下水位與土工膜之間不斷聚集壓縮,孔隙氣壓隨之增大,根據(jù)Boyle定律,隨著空氣體積的壓縮其壓強也逐漸增大。對于飽和度較低的土體,其吸水能力較強,孔隙水具有較大的向上運移趨勢,且土體中孔隙氣體處于完全連通狀態(tài)或部分連通狀態(tài),孔隙氣體可以較快從水位上升面流動至土樣頂部的膜下氣壓測點處。因此,對于膜下土體飽和度較低的情況,孔隙氣壓隨地下水位的變化尤為明顯,這解釋了膜下氣壓從通水一開始就以較大速率增大的現(xiàn)象。

由于4號張力計在試驗時受損,試驗只給出了1號、2號和3號孔隙水壓力的結果。由孔隙水壓力的變化曲線可以看出:在地下水位上升至張力計所在位置之前,張力計所在位置的土體處于非飽和狀態(tài),此時測得的為土體吸力,其隨著地下水位上升還略有增大,說明該階段孔隙氣壓力的增長速率略大于孔隙水壓力;當?shù)叵滤豢拷鼜埩τ嬎谖恢脮r,地下水在毛細管力作用下快速往上遷移,孔隙水壓力迅速增大,吸力消失,當吸力等于零時,說明地下水位已達到張力計所在位置,由此繪制的地下水位隨時間上升曲線如圖2(a)所示,可見地下水位上升速率為0.85 cm/h;此后,當?shù)叵滤怀^張力計所在位置時,孔隙水壓力快速增大,最終趨于膜下氣壓增長曲線,即當?shù)叵滤簧仙镣凉つの恢脮r,膜下孔隙水壓力與孔隙氣壓力相等。

圖2(b)為土工膜豎向位移及底部土壓力隨時間變化曲線?？梢钥吹酵凉つぎa生了約1.5 mm的沉降,未發(fā)生氣脹變形,這是由于由地下水位上升產生的膜下氣壓小于100 kPa的膜上荷載,且考慮土體濕化變形影響,試樣產生了較小的沉陷。對于土壓力,在地下水位上升初期發(fā)生了應力重分布,土壓力由40 kPa減小到30 kPa,后隨孔隙水逐漸滲入土樣而逐漸增大,且在地下水位達到-0.3 m后增速明顯增大。值得注意的是,土壓力初始值小于上部預壓荷載100 kPa,這可能與試樣和筒體內壁之間的摩擦作用有關。

3.2 膜上蓄水工況

該試驗階段，1號、2號和3號孔隙水壓力計均已處于水位線以下，由圖3(a)所示膜下氣壓及孔隙水壓力變化曲線可以看出，隨著膜上荷載的逐級增加，膜下氣壓及孔隙水壓力也逐漸變大，膜下氣壓與孔隙水壓的變化規(guī)律基本一致，孔隙氣壓力略小于孔隙水壓力。這是由于試樣在上部荷載作用下產生了較大的豎向變形(圖3(b))，從而導致土體孔隙減小，使得孔隙內的孔隙氣和孔隙水受到壓縮，而此時土體處于封閉系統(tǒng)內，無排水排氣通道，則土體孔隙中的孔隙氣和孔隙水與土體骨架一起承擔土體受到的上部荷載。同時，由于土體大部分處于飽和或高飽和狀態(tài)，孔隙氣體以氣泡的形式存在于封閉的孔隙水之中，此時的孔隙氣壓與孔隙水壓基本接近，其變化規(guī)律也一致。

可以發(fā)現(xiàn)，在地下水位較高(即地下水位與土工膜之間非飽和土區(qū)域較小)時，庫水上升容易引起膜下孔隙壓力增大，且在膜上荷載較小時，膜上荷載與膜下孔隙壓力值較為接近，可能會引起土工膜產生局部隆起，這在文獻[7]現(xiàn)場試驗中已有發(fā)現(xiàn)；當膜上荷載較大時，膜下孔隙水壓力和氣壓力均小于膜上荷載，土工膜產生氣脹的可能性較小。為避免在庫水上升初始階段產生局部氣脹現(xiàn)象，在土工膜表面設置一定的壓重可較好地防止土工膜被頂起。當然，對于一般砂性土地基上的平原水庫，蓄水深通常為5～12 m左右，地下水位較低，且低壓力下砂性土的壓縮性相對較小，庫水上升幾乎不會引發(fā)土工膜氣脹現(xiàn)象。

圖3(b)為土工膜豎向位置和土壓力變化曲線?？梢钥闯鐾凉つへQ向位置和豎向土壓力均隨膜上荷載增大而增大，其中土工膜豎向位置增高約34 mm，豎向土壓力增大至349 kPa左右，其增大幅度小于膜上荷載。

3.3 庫水驟降工況

由圖4(a)所示膜下氣壓及孔隙水壓變化情況可見，隨著膜上荷載減小，膜下氣壓及孔隙水壓力在起始階段基本保持不變，當膜上荷載減小到約289 kPa時，土工膜在膜下孔隙水壓力和孔隙氣壓力的作用下產生了明顯的氣脹變形(圖4(b))。文獻[7]現(xiàn)場試驗結果同樣表明，水庫快速降水時，靠近庫區(qū)中心處的膜下孔隙壓力的減小幅度接近或略小于膜上荷載減小幅度，使得膜下壓力值接近或略大于膜上荷載與靜水壓之和，土工膜處于被頂起的狀態(tài)。分析上述引起氣脹的原因，主要是在庫水位驟降工況下，膜下孔隙壓力變化明顯滯后于膜上荷載。在土工膜被頂起后，由于膜上荷載的繼續(xù)減小及土工膜與試樣表面之間形成了一定的空間，土體中的孔隙水壓力及膜下氣壓逐漸減小，與此同時，試樣底部的豎向土壓力也隨著膜下氣壓及孔隙水壓力的減小而逐漸減小。

4 結 論

a. 土工膜的膜下氣壓隨地下水位上升而增大,是引發(fā)土工膜氣脹的主要原因;當土體位于地下水位以上時,非飽和土體吸力基本保持不變且略有增加,說明土體負孔隙水壓同樣隨地下水位上升而增大,但增大速率略小于孔隙氣壓力;當?shù)叵滤唤咏脱蜎]土體時,土體從非飽和狀態(tài)轉變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),孔隙水壓力快速增大,且最終趨向于膜下氣壓值。

b. 當?shù)叵滤慌c土工膜之間的非飽和區(qū)域較小時,庫水上升容易引起膜下孔隙壓力增大,且在膜上荷載較小時,膜上荷載與膜下孔隙壓力值較為接近,土工膜可能會產生隆起變形,建議在土工膜上部設置壓重平衡膜下土體孔隙壓力。

c. 當庫水驟降時,膜下孔隙壓力消散滯后于膜上荷載,當庫水降至一定水位后,將出現(xiàn)膜下氣壓大于膜上荷載的情況,從而導致土工膜產生隆起變形,其中地下水位與土工膜之間非飽和區(qū)越小,土工膜產生氣脹破壞的可能性越大。

筆者通過模型試驗研究了地下水位上升、膜上蓄水以及庫水驟降3種工況下的土工膜氣脹現(xiàn)象,初步探討了土工膜下非飽和土中的水氣固三相變化規(guī)律。下一步,將著重開展土工膜缺陷滲漏下的氣脹和膜下排氣措施試驗研究,同時建立非飽和土的水氣固三相耦合模型對土工膜氣脹機理及排氣措施進行理論分析。

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Experimentalstudyontheairexpansionofgeomembraneunderoperationconditionofplainreservoir

WANGLiujiang1,LIUSihong1,SUNLai2,FANKewei1,HUTianhan1

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.PowerChina,HuadongEngineeringCorporationLimited,Hangzhou310014,China)

It is recognized that air expansion of geomembrane is essentially a three-phase coupled problem, which is water-air-solid in unsaturated soil, and is influenced by the rise of ground water level, storage of the reservoir and the rapid draw down of the water level in the reservoir. In this respect, a special laboratory equipment for the air expansion test of geomembrane is developed. Air expansion tests are then conducted to explore the variations of the displacement, gas pressure, suction, pore water pressure and vertical earth pressure under different working conditions. The test results show that the pore air pressure and pore water pressure are increased with the rise of the ground water level and the magnitude of the air pressure is dependent on the rising amplitude of groundwater level. It is found that the pore pressure of the soil under the geomembrane is significantly increased due to the increased water pressure during storage in the reservoir, and air expansion failure in the geomembrane is more likely to be induced at the initial storage period, especially when the unsaturated zone between the ground water level and geomembrane is small. It is therefore suggested that a certain amount of preloading could be applied over the geomembrane to prevent its expansion behaviour. As the pore pressure response below the geomembrane is usually later than the preloading above the geomembrane, pore pressure would become larger than the preloading applied during the rapid draw down of water level in the reservoir, which will lead to the air expansion failure on the geomembrane.

plain reservoir; geomembrane; unsaturated soil; air expansion; pore air pressure

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.06.008

2016-10-25

國家科技支撐計劃(2015BAB07B05)；國家青年科學基金(51509077)；浙江省港航局科技計劃(2015-2-42)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項(2016B03514，SJLX16_0205)

王柳江(1985— )，男，浙江武義人，副教授，博士，從事非飽和土多場耦合數(shù)值分析研究。E-mail: 15850514642@163.com

TU41

A

1000-1980(2017)06-0522-06