高面膜堆石壩關(guān)鍵設(shè)計(jì)概念與設(shè)計(jì)方法

束一鳴

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

以高分子聚合物土工膜作為防滲主體鋪設(shè)在上游壩面(以下稱(chēng)“面膜”或“防滲面膜”)的堆石壩稱(chēng)作面膜堆石壩(membrane faced rock-fill dam,MFRD)[1]。面膜堆石壩整體結(jié)構(gòu)與面板堆石壩相近,前者相較后者的顯著區(qū)別是將防滲混凝土面板轉(zhuǎn)換成高分子防滲面膜后不設(shè)縫及止水。面膜堆石壩主要結(jié)構(gòu)分為支撐體和防滲體。

面膜堆石壩具有以下特點(diǎn):①膜防滲性能高,作為工業(yè)化產(chǎn)品,質(zhì)量保證率高;②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了,“前堵后排”的水工設(shè)計(jì)基本思想體現(xiàn)充分;③施工程序流暢,施工速度快、工期短、效率高[2];④面膜位于壩面,運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單方便;⑤高面膜堆石壩不同部位應(yīng)變差異極大,需精心設(shè)計(jì);⑥施工質(zhì)量控制要求高。

高面膜堆石壩的適用條件包括:①因無(wú)合適料場(chǎng)只能用軟巖石料建造混凝土面板壩;②地震烈度8度以上深覆蓋層的高壩壩址;③河床覆蓋層深厚且附近無(wú)合適防滲土料或采土受生態(tài)環(huán)境保護(hù)限制難以采用黏性土心墻(或斜心墻)高堆石壩方案的壩址;④高寒地域建造瀝青混凝土心墻高堆石壩施工質(zhì)量難以控制的壩址;⑤建造高面板堆石壩的造價(jià)和工期難以滿足業(yè)主預(yù)期;⑥當(dāng)前高面膜堆石壩的建造高度在150 m以內(nèi)為宜。

在面膜堆石壩設(shè)計(jì)的研究方面:全蘇水工科學(xué)研究院(現(xiàn)為全俄水工科學(xué)研究院股份公司，下同)通過(guò)鋪設(shè)在礫石墊層上聚乙烯(PE)膜的水力頂脹試驗(yàn),建立了膜厚與水壓力、礫石直徑、膜彈性模量及允許拉應(yīng)力之間的關(guān)系式[3-4];文獻(xiàn)[3]中Girard基于狹長(zhǎng)縫上液脹薄膜圓弧變形的假定,推導(dǎo)了防滲膜受水力頂脹后應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算公式;Girard等[4]調(diào)查一座聚氯乙烯(PVC)土工膜防滲土壩保護(hù)層滑坡事件時(shí)對(duì)PVC土工膜/土工織物界面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核,發(fā)現(xiàn)在低法向壓力下應(yīng)用斜板儀取代直剪儀測(cè)試土工膜界面的抗剪強(qiáng)度是可行的;顧淦臣[5]基于薄膜理論給出特定水頭下土工膜拉力及變形計(jì)算方法;束一鳴[6]通過(guò)試驗(yàn)分析土工膜的拉伸力學(xué)性能參數(shù),得出土石壩防滲膜的彈性應(yīng)變量指標(biāo)比拉伸強(qiáng)度指標(biāo)更為重要,并給出復(fù)合土工膜獲得最大延伸率的方法;Giroud等[7]通過(guò)理論分析提出以土工膜拉伸變形余能評(píng)價(jià)其抵抗差異變形能力的概念,并表明PVC膜適應(yīng)差異變形的能力遠(yuǎn)大于HDPE膜;Giroud等[8]通過(guò)理論分析提出土工膜在結(jié)構(gòu)物拐角連接處變形的計(jì)算公式;束一鳴等[9-13]通過(guò)水力頂脹(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“液脹”)試驗(yàn)分別對(duì)PVC土工膜及損傷土工膜進(jìn)行工程仿真,獲得土工膜損傷程度與切線變形模量及液脹強(qiáng)度之間的關(guān)系,并通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)等方法闡述了防滲膜隨主體結(jié)構(gòu)位移在周邊錨固區(qū)域狹小部位會(huì)產(chǎn)生較大拉伸變形而發(fā)生威脅防滲膜安全的“夾具效應(yīng)”;Cazzuffi等[14]綜述全球面膜壩工程后指出,合適的高彈性應(yīng)變量防滲膜與全服役期裸露使用的防滲膜已成為發(fā)展趨勢(shì)。

在大壩建設(shè)方面:意大利于1959年建成Contrada Sabetta大壩,壩高32.5 m,在坡比為1∶1的上游壩面上鋪設(shè)厚2 mm的聚異丁烯膜作為堆石壩的防滲體[15],是第一座高度超過(guò)30 m的面膜堆石壩;1996年建成的高91 m地處南歐的Bovilla面膜堆石壩[16],在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防滲材料及工藝等方面均取得長(zhǎng)足進(jìn)步;我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始新建膜防滲土石壩以來(lái),1994年建成第一座高于30 m的面膜堆石壩——浙江小嶺頭堆石壩[17];2007年建成蓄水的西霞院面膜礫石壩,為我國(guó)大江大河上建造的第一座面膜土石壩[18];2009年建成蓄水的四川田灣河梯級(jí)水電站仁宗海面膜堆石壩高達(dá)56 m[19];高度超過(guò)70 m的面膜堆石壩目前只有我國(guó)投資并設(shè)計(jì)的老撾南歐江六級(jí)軟巖面膜堆石壩,壩高87 m,2015年10月建成蓄水[2]。

應(yīng)該指出,由于國(guó)際專(zhuān)利保護(hù),我國(guó)土工膜防滲土石壩是在加固工程(壩體變形基本完成)及中低土石壩(壩體變形不大)建設(shè)過(guò)程中摸索發(fā)展起來(lái)的,原有的一些設(shè)計(jì)誤區(qū)尚未產(chǎn)生明顯不良后果,但對(duì)于70～150 m的高面膜堆石壩,需嚴(yán)格按高堆石壩及防滲膜自身變形特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和精心施工,才能確保大壩運(yùn)行安全并達(dá)到設(shè)計(jì)服役周期。本文基于數(shù)十年的研究與實(shí)踐,針對(duì)高面膜堆石壩防滲面膜設(shè)計(jì)中的一些模糊認(rèn)識(shí)展開(kāi)討論,闡述其部分設(shè)計(jì)概念與方法。

1 堆石壩面膜變形特性與膜類(lèi)選擇

1.1 防滲面膜的變形特性

a. 面膜堆石壩壩面鍋底狀變形最大處的變形值較大,但應(yīng)變量遠(yuǎn)小于防滲面膜的彈性應(yīng)變量;在深窄河谷中,堆石體因流變產(chǎn)生擠壓變形,而柔軟的面膜則產(chǎn)生彎曲變形。

b. 面膜鋪設(shè)于壩面且變形模量低,其對(duì)壩體位移產(chǎn)生的約束甚微，所以面膜需適應(yīng)壩體的位移變形以保證自身運(yùn)行安全。

c. 中等高度大壩底部所受水壓足以使具有孔隙的墊層上的防滲面膜產(chǎn)生液脹變形。

d. 受水壓后,壩面周邊與河床及兩岸基巖之間將產(chǎn)生較大差異位移,因面膜周邊錨固在基巖或混凝土構(gòu)件上,將承受該處較大的差異變形。值得指出,參照我國(guó)已建200 m級(jí)面板堆石壩周邊縫的實(shí)測(cè)最大矢量位移值為105 mm[20],所以錨固處面膜的集中變形量可以預(yù)測(cè)。

1.2 已建中低面膜堆石壩防滲膜類(lèi)型及其主要特性

我國(guó)境內(nèi)建造的面膜堆石壩屬中、低高度,壩體的位移變形相對(duì)較小,施工難度相對(duì)較低,對(duì)防滲膜選擇的要求相對(duì)寬松,主要有3個(gè)品種,即低密度聚乙烯(LDPE)膜、高密度聚乙烯(HDPE)膜、聚氯乙烯(PVC)膜。LDPE膜常以復(fù)合膜形式(膜厚度0.8 mm以下)用于防滲水頭小于或等于30 m的工程,其柔軟性適中,由于其幅寬較大,拼接接縫少,現(xiàn)場(chǎng)焊接施工工作量較小。HDPE膜主要用于防滲水頭大于50 m的工程,厚度在1 mm以上,因其柔軟性極差,施工可操作性差;又因其彈性極限延伸率在15%以內(nèi),適應(yīng)局部較大差異位移變形的能力較弱。PVC膜主要用于防滲水頭30 m以上的工程,其彈性應(yīng)變量可達(dá)60%以上。區(qū)別于20世紀(jì)八九十年代的PCV膜,當(dāng)前生產(chǎn)的PVC膜塑化劑不易流失,國(guó)外較多大壩采用PVC膜全服役期裸露運(yùn)行。

1.3 高面膜堆石壩防滲膜類(lèi)型選擇

高面膜堆石壩防滲膜的選擇應(yīng)考慮現(xiàn)有防滲膜產(chǎn)品的適應(yīng)差異變形性能、施工操作性(柔軟性能)、抗損傷性能等主要因素。

a. 變形性能。無(wú)回收料的PVC膜的拉伸極限伸長(zhǎng)率約為250%,應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)明顯的屈服點(diǎn),4℃庫(kù)水溫度環(huán)境中的彈性變形階段末端值在60%～70%之間[21]。HDPE膜的拉伸極限伸長(zhǎng)率在500%以上,彈性變形階段伸長(zhǎng)率在15%以內(nèi),拉伸屈服強(qiáng)度約為拉伸斷裂強(qiáng)度的2/3,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀與理想彈塑性曲線相仿;LDPE膜的彈性變形量比HDPE膜稍大[22]。如前所述,適應(yīng)大壩位移變形是防滲膜的安全之道,PVC防滲膜的變形特性更有利于自身運(yùn)行安全。

b. 柔軟性能。PVC膜柔軟優(yōu)越性體現(xiàn)于:膜的拼接以及在錨固件上的安裝等操作都易于實(shí)施;而厚度1 mm以上的HDPE膜平面呈板狀,施工操作較為困難。此外，PVC膜能自然貼合在細(xì)觀相對(duì)不平整的墊層表面,受水壓后膜內(nèi)基本不產(chǎn)生附加張拉變形;而呈板狀的HDPE膜,受水壓后將發(fā)生附加張拉變形。

c. 抗損傷性能。防滲膜儲(chǔ)存、運(yùn)輸、施工過(guò)程中難免會(huì)對(duì)膜產(chǎn)生不同程度的損傷,復(fù)合膜比純膜的抗損傷性能高,只要復(fù)合工藝可靠,應(yīng)優(yōu)先選擇兩布一膜型復(fù)合膜;若復(fù)合工藝可靠性不足,可選擇一布一膜型復(fù)合膜。

d. 抗老化性能。近30多年國(guó)內(nèi)外膜防滲大壩工程的實(shí)踐表明,只要防滲膜上設(shè)置防護(hù)層,防滲膜在服役期的抗老化性能是能滿足工程要求的。

綜上所述,對(duì)于高面膜堆石壩的防滲膜而言,選擇復(fù)合型PVC膜是合適的。

2 面膜厚度擬定方法

2.1 現(xiàn)行厚度擬定方法的局限性

全蘇水工科學(xué)研究院、美國(guó)學(xué)者基勞德等先后提出了基于防滲膜在墊層上受水壓頂脹的應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算公式,國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)作了介紹和推薦[3](以下簡(jiǎn)稱(chēng)上述文獻(xiàn)),使符合適用條件的防滲膜液脹應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算校核有公式可循。然而,人們逐漸將上述文獻(xiàn)液脹應(yīng)力-應(yīng)變公式用以設(shè)計(jì)防滲膜的厚度,其結(jié)果與高面膜堆石壩實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)差異較大。①面膜變形并非僅液脹形式。水庫(kù)蓄水后,防滲面膜變形主要有兩種，最普遍的是隨壩體位移而產(chǎn)生的變形,其次才是局部墊層存在凹凸處產(chǎn)生的水力頂脹變形;此外還有施工期需承受的施工操作受力變形。所以僅以液脹變形擬定面膜厚度,具有較大局限性。②厚度計(jì)算值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)采用值。上述文獻(xiàn)公式提出的背景,分別針對(duì)相對(duì)粗放的墊層與固體廢棄物。對(duì)于現(xiàn)代高面膜堆石壩,即使采用顆粒型墊層,對(duì)墊層顆粒粒徑控制的要求嚴(yán)格,一般為粗砂細(xì)礫,最大粒徑不大于10 mm,平均粒徑約4～6 mm,顆粒間形成的孔隙更加微小,用上述文獻(xiàn)液脹計(jì)算公式得到的防滲膜厚度有的甚至不足1 mm,需放大若干倍才能作為設(shè)計(jì)值,而放大的倍數(shù)存在較大的任意性。③計(jì)算公式應(yīng)用需一膜一試驗(yàn),即需通過(guò)多軸拉伸試驗(yàn)分別獲取不同規(guī)格防滲膜的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,而不是常規(guī)單向拉伸的應(yīng)力-變形關(guān)系。④若采用GB/T 50290—2014《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中允許抗拉強(qiáng)度的計(jì)算式作為防滲面膜厚度的設(shè)計(jì)方法,因該公式主要適用于在結(jié)構(gòu)中承受拉力、發(fā)揮加筋作用的材料,將其作為防滲面膜的厚度計(jì)算公式,適用性偏離嚴(yán)重。

2.2 合理的厚度擬定方法

由于采用上述文獻(xiàn)中液脹應(yīng)力-應(yīng)變公式計(jì)算厚度存在局限性,實(shí)際工程中最終還是由設(shè)計(jì)者參考已建工程擬定,或者將計(jì)算安全系數(shù)放大,使設(shè)計(jì)厚度滿足已建工程的經(jīng)驗(yàn)值。

實(shí)際上,影響防滲面膜設(shè)計(jì)厚度的主要因素是大壩高度,其直接影響大壩位移、防滲面膜隨位移的變形、防滲面膜水力頂脹變形、施工困難程度及防滲面膜施工受力變形、防滲面膜擦劃損傷概率及程度等。由于其中較多指標(biāo)難以精確量化,因此參照已建工程經(jīng)驗(yàn)以壩高擬定防滲膜厚度的方法相對(duì)比較明智。這并不是從以前的定量化設(shè)計(jì)倒退到現(xiàn)在的定性化設(shè)計(jì),而是選擇一種更加符合現(xiàn)階段壩高對(duì)防滲面膜厚度要求的科學(xué)合理設(shè)計(jì)方法。由于絕大多數(shù)大壩壩高即為擋水水頭，參照國(guó)內(nèi)外已建工程,按照面膜堆石壩擋水水頭擬定防護(hù)層下的PVC防滲面膜厚度見(jiàn)表1。

表1 面膜堆石壩不同擋水水頭PVC防滲面膜

3 顆粒墊層面膜液脹變形設(shè)計(jì)校核方法

3.1 相對(duì)繁復(fù)的現(xiàn)行校核方法

a. 基勞德公式只涉及徑向水壓力、孔隙直徑、膜內(nèi)拉力,除非對(duì)不同規(guī)格的防滲膜均分別開(kāi)展多軸拉伸試驗(yàn),否則難以得知面膜所受該水壓力下的實(shí)際內(nèi)力及其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

b. 應(yīng)用僅涉及膜厚度而未涉及彈性模量的計(jì)算公式需要專(zhuān)門(mén)針對(duì)不同規(guī)格防滲膜做多軸拉伸試驗(yàn)，以獲取其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。不同種類(lèi)、不同規(guī)格的PVC等防滲膜具有不同的彈性模量,在相同水壓力作用下將產(chǎn)生不同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。全蘇水工科學(xué)研究院以允許應(yīng)力[σ]控制的厚度計(jì)算公式雖然包含防滲膜的彈性模量,但正如公式適用條件所述,僅適用于某一區(qū)間粒徑墊層上某一區(qū)間厚度的PE膜,并不適用于所有類(lèi)型、規(guī)格的防滲面膜。

c. 水壓頂脹變形并不遵循單向拉伸變形規(guī)律。由于不同荷載作用下面膜頂脹變形的弧面形狀(曲率)的改變,遵循多軸拉伸或雙向拉伸變形的規(guī)律,其與單向拉伸變形不盡相同,所以采用單向拉伸試驗(yàn)的變形曲線作圖獲得設(shè)計(jì)膜厚的方法難免偏差很大。

d. 實(shí)際水壓頂脹變形并非無(wú)限度發(fā)展直至破壞。一般防滲面膜鋪設(shè)于透水混凝土墊層或透水?dāng)D壓邊墻墊層之上,即使鋪設(shè)于顆粒墊層之上,顆粒間孔隙的孔深一般小于周?chē)w粒粒徑厚度的1/2,防滲面膜頂脹變形觸底后就不可能再繼續(xù)變形。

3.2 本文實(shí)用校核方法

為避免對(duì)同類(lèi)不同規(guī)格的防滲膜分別開(kāi)展液脹試驗(yàn)以復(fù)核其液脹變形安全性,筆者認(rèn)為可從工程實(shí)際出發(fā),基于設(shè)計(jì)要求提出可能最大有限變形(即面膜頂脹變形終止于孔洞底部,狀態(tài)見(jiàn)圖1[23])的計(jì)算公式。該公式應(yīng)滿足以下條件:①能反映顆粒墊層的特征因素;②以更符合防滲面膜破壞規(guī)律的應(yīng)變量作為安全校核物理量;③校核指標(biāo)值需考量面膜持續(xù)長(zhǎng)久變形對(duì)服役期的影響;④校核計(jì)算盡量簡(jiǎn)單明了、使用方便。

圖1 顆粒墊層上PVC膜承受不同水頭卸載后狀態(tài)

上述校核方法的思路基于墊層顆粒以可能最不利排列方式開(kāi)展試驗(yàn),其并不涉及面膜的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,而面膜材料的本構(gòu)關(guān)系將在擬定材料的允許應(yīng)變值中體現(xiàn)。

3.2.1 墊層顆粒排列試驗(yàn)假設(shè)

顆粒墊層采用扁圓礫,最大粒徑dmax≤10 mm,滲透系數(shù)k≥5×10-2cm/s。墊層顆?？赡茏畈焕帕性囼?yàn)按dmax=10 mm、意外混入的超常礫石粒徑D≈20 mm(半徑R≈10 mm)開(kāi)展,如圖2所示。依據(jù)工程實(shí)際,墊層表面大致平整,經(jīng)量測(cè),扁圓礫厚度T可表達(dá)為

T=R/i

(1)

圖2 4個(gè)超常扁圓礫石形成星形孔洞(俯視)

經(jīng)量測(cè),本試驗(yàn)處于表面的超常顆粒按環(huán)形排列形成的孔隙(孔洞)深度h為

h=T/j

(2)

將式(2)代入式(1)得到:

h=R/ij=R/m

(3)

式中:i和j為計(jì)算系數(shù)；m為寬深比，m>2。試驗(yàn)中超常扁圓形礫石的厚度T≈D/4=R/2,即h≈T/2=R/4。

基于設(shè)計(jì)墊層顆粒可能的最不利排列方式進(jìn)行試驗(yàn),需對(duì)校核方法建立以下一些必要假設(shè)。

a. 以3個(gè)或4個(gè)超常粒徑的扁圓形礫石聚集在一起時(shí)形成的孔隙(孔洞)作為面膜水壓頂脹的架空空間,其中尤以4圓礫間孔隙(孔洞)面積更大,因此以4圓礫聚集狀態(tài)計(jì)算水壓頂脹變形,如圖3所示。

圖3 4個(gè)扁圓礫形成星形孔洞(俯視)

b. 如圖3所示,由圓礫間交點(diǎn)C1、C2、C3和C4構(gòu)成的星形孔隙(孔洞)可用等面積圓(等效圓)替代,即當(dāng)D一定時(shí),如圖4所示的等效圓半徑Rb就得以確定。提出孔隙等效圓概念基于以下考慮:①超常顆粒任意排列,形狀各異,統(tǒng)一將其簡(jiǎn)化以等效圓表征;②等效圓的校核結(jié)果偏于安全,因?yàn)榇笞冃尾牧显诟飨蛲葢?yīng)變下最先達(dá)到屈服。

圖4 面膜頂入孔洞形成球冠狀(立視后倒轉(zhuǎn)180°示意圖)

c. 受水壓后防滲面膜頂入等效圓的變形與孔隙(孔洞)形狀有關(guān),可能為圓弧狀,也可能為橢圓弧狀或非光滑弧面狀等,依據(jù)討論,假定為球冠狀是最合理的，如圖4所示,圖中hm為球冠的弦高,Rm為球冠所在球體的半徑。

d. 本文研究對(duì)象為高面膜堆石壩,產(chǎn)生面膜水壓頂脹變形的顆粒墊層孔隙(孔洞)位置分布是完全隨機(jī)的。以可能的最不利狀況考慮,即出現(xiàn)在所設(shè)計(jì)大壩的下部,承受大壩最大水頭。

3.2.2 本文校核方法及結(jié)果分析

根據(jù)墊層顆粒排列試驗(yàn),基于以上假設(shè),經(jīng)過(guò)推導(dǎo)(因篇幅所限,此處略去推導(dǎo)過(guò)程)可分別得到面膜液脹呈球冠狀后的平均面積應(yīng)變?chǔ)臕和平均線應(yīng)變?chǔ)舕為

(4)

(5)

將m以不同數(shù)值代入式(4)(5)可得相應(yīng)的平均面積應(yīng)變?chǔ)臕和平均線應(yīng)變?chǔ)舕,見(jiàn)表2。

表2 不同m值對(duì)應(yīng)的εA和εl

m的計(jì)算公式如下：

(6)

液脹變形的面積應(yīng)變和線應(yīng)變校核公式分別為

εA≤[ε]A

(7)

εl≤[ε]l

(8)

式中:[ε]A、[ε]l分別為液脹面積應(yīng)變、液脹線應(yīng)變?cè)试S值。

從表2與式(4)(5)可知:①面膜在接觸顆粒墊層上的液脹變形與形成星形孔隙(孔洞)的顆粒粒徑有關(guān);②應(yīng)變量與孔隙(孔洞)半徑及深度有關(guān),即孔隙(孔洞)的m越大,應(yīng)變量越小;③m相同時(shí),面積應(yīng)變量比線應(yīng)變量大得多。

由此可得到如下結(jié)論和啟示:①顆粒墊層上面膜液脹變形量取決于孔隙(孔洞)的寬深比。本文校核公式的工程意義在于,設(shè)計(jì)者或施工質(zhì)量控制者根據(jù)墊層可能的超常粒徑極易得到面膜可能產(chǎn)生的最大液脹變形應(yīng)變量,無(wú)須糾纏于極難合理模擬的水壓力從小至大的變形過(guò)程。②評(píng)估接觸顆粒墊層時(shí),一方面考量是否有超常大顆粒聚集,而更重要的是考量其顆?？锥吹膶捝畋?這可以從美國(guó)Salt Spring堆石壩混凝土面板工程[19]中得到印證,已運(yùn)行70多年的面板混凝土老化剝蝕形成凹坑,修復(fù)時(shí)去除松動(dòng)部分,將防滲面膜直接鋪設(shè)于凹坑并未填平的混凝土面板上,盡管凹坑直徑很大,但深度不大,即寬深比較大,運(yùn)行1年后水庫(kù)放空檢查,變形后貼緊坑底的防滲面膜仍安全運(yùn)行。但若按上述文獻(xiàn)的公式計(jì)算,面膜會(huì)因孔隙直徑超大而破壞。③面膜液脹變形處于多向應(yīng)力狀態(tài),以允許面積應(yīng)變量校核頂脹變形更加符合工程實(shí)際。④相同的球冠變形,面積應(yīng)變量比線應(yīng)變量大得多,從偏于安全考慮,以允許面積應(yīng)變量校核頂脹變形更加保險(xiǎn)。⑤由雙向拉伸和單向拉伸的比較試驗(yàn)可知,相同的面膜材料,雙向或多向拉伸的極限伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)小于單向拉伸的極限伸長(zhǎng)率,即雙向或多向拉伸允許應(yīng)變量遠(yuǎn)小于單向拉伸允許應(yīng)變量,因此以允許面積應(yīng)變量校核液脹變形更加合理。

4 高面膜堆石壩防滲膜變形安全校核原理及方法

4.1 面膜安全校核物理量選擇

面膜在大壩運(yùn)行中的力學(xué)行為主要表現(xiàn)為:①隨壩體位移發(fā)生伸長(zhǎng)變形;②墊層局部凹凸、孔隙(孔洞)產(chǎn)生液脹變形;③以上兩種變形的疊加。在工程結(jié)構(gòu)材料安全校核中通常以強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)拉、壓應(yīng)力作為校核指標(biāo),例如混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度、土體的抗剪強(qiáng)度等。

然而,高面膜堆石壩防滲面膜的安全校核應(yīng)以拉伸變形應(yīng)變量作為校核物理量,原因如下:①面膜的受力變形主要是隨著壩體位移而產(chǎn)生拉伸變形以及局部可能發(fā)生的液脹變形;②長(zhǎng)期持續(xù)變形后極限伸長(zhǎng)率的損失比極限拉伸強(qiáng)度的損失更突出;③在有限元等數(shù)值計(jì)算與原型觀測(cè)中,變形及應(yīng)變都是直接計(jì)算或量測(cè)的物理量,而應(yīng)力是由應(yīng)變計(jì)算得出的。

4.2 面膜應(yīng)變量計(jì)算

a. 面膜隨壩體位移變形應(yīng)變量。堆石壩為散粒體結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)階段的壩面位移通常采用三維有限單元法或三維差分法等分析方法獲得堆石壩位移的數(shù)值解,進(jìn)而計(jì)算面膜的應(yīng)變值。由于面膜是在壩體填筑、壩面墊層處理后再鋪設(shè)的,所以不應(yīng)計(jì)入壩體填筑時(shí)發(fā)生的位移,只計(jì)算初蓄水至正常蓄水位或最高水位時(shí)產(chǎn)生的部分壩體位移;計(jì)算應(yīng)考慮面膜與墊層間的界面特性，故應(yīng)選取防滲面膜最大應(yīng)變量作為應(yīng)變安全校核對(duì)象。

b. 面膜局部液脹變形應(yīng)變量按式(4)或式(5)計(jì)算。

c. 周邊錨固處面膜變形應(yīng)變量。面膜堆石壩周邊錨固部位極小區(qū)域內(nèi)由于夾具效應(yīng)將產(chǎn)生甚至超過(guò)防滲面膜變形極限的應(yīng)變量。高面膜堆石壩設(shè)計(jì)要求對(duì)周邊錨固部位面膜鋪設(shè)方式進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì),以避免或大量削減該處產(chǎn)生的拉應(yīng)變。在進(jìn)行三維有限單元法或三維差分法等計(jì)算時(shí),極小區(qū)域內(nèi)的面膜應(yīng)變量計(jì)算應(yīng)通過(guò)堆石壩常規(guī)計(jì)算程序的專(zhuān)門(mén)處理實(shí)現(xiàn)。

4.3 面膜變形安全校核公式及指標(biāo)

4.3.1 安全校核公式

a. 壩面防滲面膜變形應(yīng)變量安全校核?？紤]最不利情況,應(yīng)將可能產(chǎn)生最大液脹(水力頂脹)應(yīng)變量與隨壩體位移產(chǎn)生最大拉伸應(yīng)變量相疊加后校核其變形安全，即

εt=εf+εm≤[ε]

(9)

式中:εf為數(shù)值計(jì)算面膜變形應(yīng)變最大值(順坡向或沿壩軸線向),%;εm為可能產(chǎn)生的最大液脹應(yīng)變計(jì)算值,%;εt為上述兩種面膜變形疊加后的應(yīng)變值,%;[ε]為防滲面膜的允許應(yīng)變(若為面積應(yīng)變,以[ε]A表示;若為線應(yīng)變,以[ε]l表示),%。

b. 錨固部位變形應(yīng)變量安全校核。錨固部位防滲面膜常規(guī)平面鋪設(shè)時(shí)的變形應(yīng)變安全校核公式為

(10)

式中:εC為面膜從錨固件出口相對(duì)剛性結(jié)構(gòu)邊緣至同一平面內(nèi)接觸大壩散粒體材料的長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)變量,%;L0為面膜從錨固出口邊緣至同一平面內(nèi)接觸大壩散粒體材料的長(zhǎng)度,cm;LC為錨固部位防滲面膜從相對(duì)剛性結(jié)構(gòu)邊緣至同一平面內(nèi)接觸大壩散粒體材料的長(zhǎng)度內(nèi)在水庫(kù)滿蓄變形后的長(zhǎng)度,可通過(guò)數(shù)值分析或工程類(lèi)比獲得,cm。

錨固部位防滲面膜逆壩面位移方向鋪設(shè)(圖5(a))時(shí)的變形應(yīng)變量安全校核公式為

(11)

錨固部位防滲面膜順壩面位移方向鋪設(shè)(圖5(b))時(shí)的變形應(yīng)變安全校核公式為

(12)

式中:εp為順壩面位移方向鋪設(shè)時(shí)面膜從錨固件出口邊緣沿壩面位移方向變形的應(yīng)變量,%;L1為面膜從錨固出口邊緣順壩面位移方向鋪設(shè)至溝槽底部之間的直線段長(zhǎng)度,cm(參見(jiàn)圖6中堆石所在平面與混凝土防浪墻所在平面之間的垂直距離);Lz為壩面位移后溝槽底部至錨固件出口處的距離,即面膜拉伸變形后從錨固件出口順壩面位移方向至溝槽底部的實(shí)際長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)階段可通過(guò)數(shù)值分析或工程類(lèi)比獲得,cm。

圖5 兩種鋪設(shè)錨固方式

圖6 防滲面膜在壩頂防浪墻底部

4.3.2 安全校核指標(biāo)

a. 單向拉伸應(yīng)變量。當(dāng)校核部位的防滲面膜明顯處于單向拉伸狀態(tài)時(shí),按單向拉伸校核應(yīng)變量。允許應(yīng)變量[ε]l為單向拉伸試驗(yàn)應(yīng)力峰值應(yīng)變量的20%。

b. 雙向拉伸應(yīng)變量。當(dāng)校核部位的防滲面膜明顯處于雙向拉伸狀態(tài)時(shí),按雙向拉伸校核應(yīng)變量。允許應(yīng)變量[ε]A為雙向拉伸試驗(yàn)應(yīng)力峰值應(yīng)變量的20%。

以上允許應(yīng)變量指標(biāo)取值為應(yīng)力峰值應(yīng)變量的20%,主要考慮面膜運(yùn)行變形的安全余幅,同時(shí)考慮面膜長(zhǎng)期持續(xù)變形后力學(xué)性能的衰減對(duì)服役期的影響。

5 面膜周邊錨固原理及方法

5.1 周邊錨固處夾具效應(yīng)

高面膜堆石壩的面膜周邊錨固在基巖或混凝土構(gòu)件上,錨固設(shè)計(jì)要求錨著力產(chǎn)生的摩阻力大于膜的拉伸強(qiáng)度,相當(dāng)于拉伸試驗(yàn)中的一端夾具,這是維持防滲面膜穩(wěn)定所必需的;而另一端夾具,位于毗鄰錨固處的壩面,庫(kù)水壓力相當(dāng)于錨固壓力,只要防滲面膜與墊層之間的摩阻力大于膜的拉伸強(qiáng)度,這一端的夾具即已充分形成[18]。按照防滲面膜的常規(guī)鋪設(shè)方法,上述這兩個(gè)夾具之間的距離約為數(shù)毫米至十?dāng)?shù)毫米,而蓄水以后兩者之間的位移值若以混凝土面板堆石壩周邊縫矢量位移較大值60～80 mm估算,此處防滲面膜的應(yīng)變量將超出500%,超出任何一種防滲面膜的彈性變形極限,導(dǎo)致防滲面膜安全受到極大威脅。

5.2 避免或削弱夾具效應(yīng)的設(shè)計(jì)概念與方法

a. 以防滲面膜的幾何變形替代自身材料變形。將出錨固構(gòu)件的一段防滲面膜逆壩面位移方向鋪設(shè),使蓄水運(yùn)行后的防滲面膜隨壩體位移回到與錨固線同一平面附近,在此位移過(guò)程中防滲面膜幾乎不產(chǎn)生拉應(yīng)力,如圖5(a)所示。

b. 增加夾具間標(biāo)距,減小防滲面膜的材料變形。使出錨固構(gòu)件的一段防滲面膜緊貼溝槽壁即順壩面位移方向鋪設(shè),增大兩夾具間的初始距離(標(biāo)距),因壩面位移最終值一定,則標(biāo)距越大,拉伸應(yīng)變就越小,如圖5(b)所示。

5.3 與兩岸巖坡連接錨固的布置

防滲面膜與兩岸巖石壩坡的連接錨固結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖5(a),逆壩面位移方向鋪設(shè)布置步驟如下[24]:①布置防滲面膜錨固趾板;②布置防滲面膜錨固線與壩面鋪膜線;③將防滲面膜由上部進(jìn)入錨固件錨固。

5.4 與壩頂混凝土防浪墻連接錨固的布置

防浪墻底部處于正常蓄水位以上時(shí),防滲面膜與壩頂混凝土防浪墻的連接可采用埋置方式,見(jiàn)圖6。防浪墻底部處于正常蓄水位以下時(shí),可采用錨固方式將防滲面膜錨著在混凝土防浪墻上游面。

5.5 與壩基混凝土防滲墻連接錨固的布置

河床為砂礫石深覆蓋層時(shí),河床段防滲面膜的底部與混凝土防滲墻連接,應(yīng)將防滲面膜錨固在混凝土防滲墻墻帽的下游側(cè),錨固方式與錨固在混凝土趾板情況相仿,見(jiàn)圖7。

圖7 防滲面膜錨固在混凝土防滲墻下游側(cè)

6 結(jié) 語(yǔ)

本文首先指出低水頭面膜土石壩的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法并不適合于高面膜堆石壩,之后基于高面膜堆石壩面膜變形原理,闡述防滲面膜類(lèi)型選擇、面膜厚度設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)提出面膜液脹變形的設(shè)計(jì)校核方法，并提出完整的面膜變形安全校核方法,闡述了具有創(chuàng)新意義的面膜合理錨固方法,基本回答了當(dāng)前高面膜堆石壩設(shè)計(jì)所面臨的一些概念尚不完全清楚和方法尚不完全明確的問(wèn)題。

面膜堆石壩具有寒帶及熱帶地域的施工及運(yùn)行適應(yīng)性、弱壩基及弱壩體材料運(yùn)行適應(yīng)性,適用于高寒、深覆蓋層、地震烈度大、壩體填筑軟巖、無(wú)防滲土料或采土對(duì)環(huán)境生態(tài)負(fù)面影響大的水庫(kù)工程,隨著防滲面膜材料性能的提升、防滲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及施工工藝的完善,其應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。