膜上荷載對(duì)防滲土工膜膜下氣場(chǎng)的影響分析

程玉亮

（遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

0 引言

平原水庫(kù)多數(shù)在旱季施工，地下水位埋深較深，庫(kù)區(qū)土體為非飽和土，轉(zhuǎn)到汛期，地下水位上升，水入滲到非飽和土體中，水壓力擠壓非飽和土體中的氣體，氣體被擠壓至土體表面，表面受土工膜封閉，于是形成了庫(kù)區(qū)膜下氣場(chǎng)。膜下氣場(chǎng)外在表現(xiàn)為氣泡，具有一定的壓力。國(guó)內(nèi)其他庫(kù)盤(pán)鋪膜防滲的工程觀測(cè)結(jié)果顯示，采用庫(kù)盤(pán)鋪膜防滲在某些情況下會(huì)產(chǎn)生較大的膜下氣壓，造成對(duì)土工膜的頂托、懸浮甚至頂破，從而造成防滲失效，給工程帶來(lái)巨大的安全隱患。因此研究平原水庫(kù)土工膜防滲膜下氣場(chǎng)的影響因素具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)南水北調(diào)東線工程魯北段大屯水庫(kù)土工膜膜下氣場(chǎng)問(wèn)題研究結(jié)果，土工膜膜上荷載對(duì)防滲土工膜膜下氣場(chǎng)有明顯的影響，但影響程度尚不清楚，所以采用室內(nèi)試驗(yàn)的方式，進(jìn)一步研究膜上荷載對(duì)防滲土工膜膜下氣場(chǎng)的影響，再此基礎(chǔ)上，對(duì)平原水庫(kù)土工膜防滲排氣方案提出一定的建議。

1 試驗(yàn)方案及膜下氣場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)介紹

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由土柱、供水裝置、測(cè)量裝置和土工膜封閉系統(tǒng)組成。土柱桶由5 mm厚有機(jī)玻璃筒制成，其底面均勻分布15個(gè)2 mm小孔，外圍為整理箱，提供水頭壓力差，在水壓力作用下，水從小孔入滲至土柱體內(nèi)，擠壓非飽和土中的氣體，氣體被擠壓至土體表面，形成膜下氣場(chǎng)。測(cè)量系統(tǒng)包括排水取氣法測(cè)量氣體體積，測(cè)量氣泡壓力時(shí)將集氣瓶換成U型壓力計(jì)。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

膜上荷載采用膜上覆水形式，荷載大小分別為20，140，300，500 Pa。試驗(yàn)土樣干密度為1.5 g/cm3，含水率為20%。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）制備20%含水量土壤，并將預(yù)定含水量土壤裝入有機(jī)玻璃桶，分層擊實(shí)，制成干密度為1.5 g/cm3的土柱體。并將裝有土柱體的有機(jī)玻璃筒放入整理箱中。

2）對(duì)土柱體表面進(jìn)行土工膜封閉。用橡皮套扎進(jìn)，用玻璃膠進(jìn)行封閉。在膜上注入指定荷載的水，作為膜上荷載。

3）用供水系統(tǒng)保持有機(jī)玻璃桶外水位為27 cm，提供水頭壓力，使水從有機(jī)玻璃筒底部小孔入滲至土柱中。由馬氏瓶提供水量，保持有機(jī)玻璃筒外水頭恒定。

4）起動(dòng)秒表，測(cè)量指定時(shí)間，氣泡體積、氣泡壓力、入滲量隨時(shí)間的變化。當(dāng)水滲透到土柱表面，所測(cè)數(shù)據(jù)10 min無(wú)變化時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

1.3 膜下氣場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

1）膜下氣泡體積。包括膜下氣泡產(chǎn)生速率、氣泡體積隨時(shí)間變化反應(yīng)膜下氣場(chǎng)。

2）膜下氣泡氣壓。包括膜下氣壓增加的速率及最終氣壓大小，評(píng)價(jià)膜下氣場(chǎng)。

3）入滲到土柱中的水量。膜下氣場(chǎng)主要是由于入滲到土柱中的水驅(qū)趕非飽和土中氣體所致，水入滲量隨時(shí)間變化間接反應(yīng)膜下氣場(chǎng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膜上荷載對(duì)膜上氣泡體積的影響

試驗(yàn)條件、工況組合及穩(wěn)定段試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)圖2可以得出：在土體含水率、干密度、土柱周?chē)簧仙俣染嗤那闆r下，膜上荷載對(duì)氣泡體積影響明顯。同一時(shí)間點(diǎn)，氣泡體積隨著膜上荷載的增大而減小。此種現(xiàn)象可以解釋為，膜上荷載越大，在土柱中產(chǎn)生超靜孔隙水應(yīng)力越大，超靜孔隙水應(yīng)力阻礙了土體水的入滲和土體水驅(qū)趕氣體的進(jìn)程。另外，膜上荷載越大，膜下氣壓越大，氣壓對(duì)水的入滲也有一定的阻礙作用。對(duì)每組試驗(yàn)結(jié)束后的土樣進(jìn)行含水率測(cè)定發(fā)現(xiàn)，膜上荷載越大，土樣的含水率越低，說(shuō)明，膜上荷載阻礙了水驅(qū)趕非飽和土中的氣體，驅(qū)趕至土體表面的氣體體積相應(yīng)減小。

表1 試驗(yàn)條件、工況組合及穩(wěn)定段試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 膜上荷載對(duì)膜下氣泡氣壓的影響

試驗(yàn)條件、工況組合及穩(wěn)定段試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：

圖2 不同膜上荷載條件下氣泡體積隨時(shí)間變化曲線

表2 試驗(yàn)條件、工況組合及穩(wěn)定段試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3為其他試驗(yàn)條件相同，不同膜上荷載條件下，氣泡氣壓隨時(shí)間的變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：同一時(shí)間點(diǎn)，氣泡氣壓隨著膜上荷載的增大而增大。此種現(xiàn)象可以解釋為，膜上荷載為水荷載，水荷載為流動(dòng)荷載，荷載越大，對(duì)氣泡的擠壓越嚴(yán)重，造成了氣泡內(nèi)的氣壓越大。

圖3 不同荷載條件下氣泡氣壓隨時(shí)間變化曲線

2.3 膜上荷載對(duì)入滲量的影響

試驗(yàn)條件、工況組合及穩(wěn)定段試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4為土體初始條件相同，不同膜上荷載條件下，入滲量隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯觯谕馏w初始含水率、干密度、試驗(yàn)土體周?chē)簧仙俣染嗤闆r下，同一時(shí)間點(diǎn)，累計(jì)入滲量隨著膜上荷載的增大而減小。此種現(xiàn)象可以解釋為：膜上荷載越大，土體中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力越大，超靜孔隙水應(yīng)力阻礙了土體水的入滲和水驅(qū)趕土中氣體的能力。同時(shí)，根據(jù)本文2.2結(jié)論，膜上荷載越大，膜下氣壓較大，氣壓對(duì)土體水的入滲有一定的阻礙作用。對(duì)每組試驗(yàn)結(jié)束后的土樣進(jìn)行含水率測(cè)量，也可以發(fā)現(xiàn)，膜上荷載越大，試驗(yàn)結(jié)束后土樣的含水率越低，說(shuō)明，膜上荷載的增大，阻礙了土體水置換氣體，結(jié)果是入滲量隨著荷載的增大而減小。

表3 試驗(yàn)條件、工況組合及穩(wěn)定段試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 主要結(jié)論及對(duì)膜下氣場(chǎng)排氣方案的建議

3.1 主要結(jié)論

膜上荷載對(duì)膜下氣場(chǎng)影響明顯，膜上荷載可以有效地減小膜下氣場(chǎng)，荷載越大，氣泡體積越小，入滲量也越小。但是，一旦產(chǎn)生膜下氣場(chǎng)，膜下氣場(chǎng)，尤其是膜下氣壓，將會(huì)隨著荷載的增大而增大，給工程帶來(lái)安全隱患。

3.2 對(duì)膜下氣場(chǎng)排氣方案的建議

圖4 不同荷載條件下入滲量隨時(shí)間變化曲線

在一定程度上，膜上荷載可以有效地減小膜下氣場(chǎng)的產(chǎn)生，阻礙水與土中氣體的置換，但是在荷載較大的情況下，一旦發(fā)生膜下氣場(chǎng)問(wèn)題，膜下氣壓就會(huì)隨著荷載的增加而增大，危險(xiǎn)性更高，因此究竟膜上荷載為多少，建議根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算等深入研究，確定平原水庫(kù)合理膜上荷載。

［1］梁愛(ài)民.非飽和土體入滲特性及飽和入滲機(jī)理試驗(yàn)研究［D］.大連理工大學(xué)博士論文，2008.

［2］宋克強(qiáng)，姚建文.考慮土內(nèi)氣壓勢(shì)的下滲水流數(shù)值模擬［J.水利學(xué)報(bào)，1996（11）：57-58.

［3］李援農(nóng)，林性粹.土體水入滲的氣阻變化及對(duì)入滲參數(shù)的影響［J］.西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，25（3）：51-54.