復(fù)合土工膜在引黃閘防滲中的應(yīng)用

岳娟 潘維宗 安俊江 彭驚

摘要：涵閘底板與鋪蓋連接處易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致黏土防滲體破壞，危害涵閘及大堤安全。復(fù)合土工膜與黏土鋪蓋組合結(jié)構(gòu)抵抗變形能力強(qiáng)，可作為閘室底板與閘前鋪蓋間防滲體。以山東楊集引黃閘為例，建立涵洞式水閘三維模型，在平衡地應(yīng)力后，對閘室底板施加實(shí)測位移荷載，研究實(shí)際沉降條件下復(fù)合土工膜的應(yīng)力變形規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：復(fù)合土工膜最大應(yīng)力均出現(xiàn)在底板底部拐角處，縱向最大拉應(yīng)力為4.30 MPa，橫向最大拉應(yīng)力為3.54 MPa，小于土工膜的允許抗拉強(qiáng)度，可滿足工程應(yīng)用要求，其變形規(guī)律依附于閘基的沉降，縱向位移與閘基沉降基本相等。針對直角拐角處應(yīng)力集中現(xiàn)象，可在橫、縱向折疊鋪設(shè)土工膜，以減小拉應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：復(fù)合土工膜;防滲結(jié)構(gòu);ABAQUS;引黃閘

中圖分類號：TV311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 025

涵洞式水閘是黃河上常見的一種水工建筑物，主要包括閘前鋪蓋、閘室和涵洞等部分。閘室前設(shè)鋪蓋可增大滲徑長度，減小坡降，其通常有混凝土鋪蓋和黏土鋪蓋兩種類型。在實(shí)際應(yīng)用中，閘室本身質(zhì)量較大，加上大堤填土對閘室的頂推力作用，使得閘室底板與鋪蓋連接處常發(fā)生不均勻沉降。在對黃河上涵閘進(jìn)行清淤檢查中發(fā)現(xiàn)，大部分涵閘沉陷不均勻[1]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，黃河上建成20 a的涵閘閘室前累計(jì)不均勻沉降一般為10～ 20 cm.超過了規(guī)范允許值?；炷龄伾w剛度大，在不均勻沉降處承受較大彎矩，易發(fā)生破壞。黏土鋪蓋剛度較小，變形協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)，但在不均勻沉降處會因底板沉降而發(fā)生剪切破壞?；炷粱蝠ね龄伾w斷裂破壞后，導(dǎo)致涵閘滲徑縮短，引起水力梯度增大，在上游水頭作用下易產(chǎn)生涌水、管涌，掏空閘室及涵洞基礎(chǔ)，嚴(yán)重時(shí)還會影響堤防安全。因此，在工程設(shè)計(jì)時(shí)會考慮在底板下設(shè)混凝土摩擦樁或端承樁。在底板下設(shè)置樁基礎(chǔ)可有效減小閘室沉降，但底板下部土體不再受到上部重力作用而壓密，在長時(shí)間滲流作用下易發(fā)生掏空現(xiàn)象，另外很多工程一味滿足承載力要求，導(dǎo)致基礎(chǔ)處理采用過多樁基，水泥樁造價(jià)較高，增加了建設(shè)成本[2]。

土工膜防滲好、施工簡便、造價(jià)低，在30多a的研究與實(shí)踐中，其應(yīng)用日漸普遍，施工方法日漸成熟[3-4]。如：張馬涵閘采用土工膜真空聯(lián)合預(yù)載加固軟基[5]：韓董莊和孫東涵閘閘前鋪蓋在改建中采用土工膜防滲，鋪設(shè)范圍為原鋪蓋長度，經(jīng)施工分析，復(fù)合土工膜方案經(jīng)濟(jì)且防滲效果良好[6]：勝豐涵閘采用400g/m的無紡?fù)凉げ间伾w結(jié)合混凝土防滲墻進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)[7]。但此類工程將復(fù)合土工膜作為防滲體，在設(shè)計(jì)中均未考慮鋪蓋與閘室底板連接處不均勻沉降的影響，在閘基底板與鋪蓋連接位置復(fù)合土工膜的應(yīng)力變形狀態(tài)如何，在何處應(yīng)力變形最大，復(fù)合土工膜是否能夠安全運(yùn)行，尚未進(jìn)行系統(tǒng)分析。

本文針對引黃閘閘室底板與鋪蓋間不均勻沉降現(xiàn)象，提出采用復(fù)合土工膜作為閘室底板與閘前鋪蓋之間的防滲結(jié)構(gòu)，并簡要介紹了復(fù)合土工膜的施工程序。利用ABAQUS建立涵閘三維模型，涵閘以復(fù)合土工膜+黏土鋪蓋作為防滲體，研究復(fù)合土工膜的應(yīng)力變形狀態(tài)，為復(fù)合土工膜應(yīng)用于鋪蓋與閘基連接處提供可行性依據(jù)，并提出相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 復(fù)合土工膜設(shè)計(jì)

1.1 土工膜防滲體的優(yōu)點(diǎn)

（1）土工膜滲透系數(shù)為10-11 cm/s，遠(yuǎn)小于黏土滲透系數(shù)（10 cm/s）和混凝土滲透系數(shù)（10 cm/s），完全可以滿足普通涵閘閘室底板與上游鋪蓋連接處的防滲要求。

（2）復(fù)合土工膜+黏土鋪蓋組合結(jié)構(gòu)抵抗不均勻沉降能力強(qiáng)。黏土一方面可以起防滲作用，另一方面作為墊層可保護(hù)復(fù)合土工膜免于碎石尖角刺破，起到雙保險(xiǎn)作用。同時(shí)復(fù)合土工膜的極限延伸率在300%以上，抵抗變形能力遠(yuǎn)超黏土和混凝土[4]。

（3）復(fù)合土工膜+黏土鋪蓋組合防滲結(jié)構(gòu)造價(jià)低。黏土可取閘址處開挖土體，復(fù)合土工膜綜合單價(jià)大致為30元/m，比采用大量黏土和混凝土防滲造價(jià)顯著降低。

（4）施工方便。復(fù)合土工膜在抽水蓄能電站堤防、面膜堆石壩中廣泛應(yīng)用，施工技術(shù)已相對成熟，面膜焊接保證率高。在應(yīng)用黏土一復(fù)合土工膜防滲體施工時(shí)，復(fù)合土工膜工程量小，僅在上下游閘基底板連接位置鋪設(shè)：復(fù)合土工膜與混凝土連接部分不設(shè)上墊層，可簡化土工膜鋪設(shè)工藝。

1.2 土工膜防滲體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防滲體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮鋪蓋與閘基底板連接處不均勻沉降對防滲結(jié)構(gòu)的影響，采用復(fù)合土工膜+黏土鋪蓋的組合防滲結(jié)構(gòu)形式。復(fù)合土工膜可在鋪蓋因不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫時(shí)正常防滲。

復(fù)合土工膜防滲體平面設(shè)計(jì)：復(fù)合土工膜在上游與黏土鋪蓋錨固槽連接，下游與混凝土底板膨脹螺栓錨固連接，形成局部密封防滲體系：為保證土工膜運(yùn)行安全，土工膜在連接處垂直方向鋪設(shè)至漿砌石護(hù)底

鋪蓋防滲結(jié)構(gòu)包括0.4 m厚漿砌石護(hù)底、0.2 m厚壤土、0.3 m厚黏土。

復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)：上游復(fù)合土工膜結(jié)合鋪蓋防滲結(jié)構(gòu)，0.4 m漿砌石保護(hù)層，防止水流沖刷上墊層：0.2 m壤土上墊層，防止?jié){砌石在施工過程中對土工膜的損害;下墊層為0.3 m厚黏土。下游復(fù)合土工膜與混凝土底板直接接觸，不設(shè)上墊層，下墊層設(shè)0.3 m細(xì)砂墊層。

土工膜防滲結(jié)構(gòu)接頭設(shè)計(jì)：復(fù)合土工膜與建筑物連接處密封連接。對于與預(yù)澆混凝土閘基底板的連接，采用膨脹螺栓進(jìn)行錨固;上游與鋪蓋的連接采用開挖錨固槽，然后澆筑素混凝土，固定復(fù)合土工膜。

1.3 防滲方案比選

基于復(fù)合土工膜滲透系數(shù)小、抗拉性能好、適應(yīng)應(yīng)變能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在此選用復(fù)合土工膜方案與塑性混凝土墻方案進(jìn)行對比：方案①.10 m長的黏土鋪蓋+塑性混凝土防滲墻;方案②，10 m長的黏土鋪蓋+局部復(fù)合土工膜。

（1）防滲效果及可行性比較。方案①采用10 m長黏土鋪蓋進(jìn)行水平防滲，結(jié)合塑性混凝土墻作垂直防滲，形成閘基防滲體系。塑性混凝土墻可增加滲徑，且混凝土滲透系數(shù)為10 cm/s.可滿足普通閘底板與上游鋪蓋連接處防滲要求。該方案是目前工程中廣泛應(yīng)用的方案。閘室自重及上游水壓力主要由混凝土墻來承擔(dān)，閘基土體基本不承擔(dān)，塑性混凝土防滲墻起到防滲抗?jié)B作用，效果良好。方案②采用黏土鋪蓋與復(fù)合土工膜組合防滲，黏土鋪蓋作為復(fù)合土工膜的保護(hù)層，與土工布組成雙保險(xiǎn)，防止碎石及混凝土底板邊角刺破土工膜，同時(shí)黏土和土工膜都具有防滲效果，且復(fù)合土工膜的滲透系數(shù)僅10 cm/s.遠(yuǎn)小于黏土及塑性混凝土的，完全能夠滿足引黃閘10 m水頭的防滲要求。復(fù)合土工膜抗拉性能好，極限延伸率大于50%，可適應(yīng)較大幅度的不均勻沉降，為消除底板轉(zhuǎn)角處的夾具效應(yīng)，可采用折疊鋪設(shè)方案，以土工膜幾何變形來代替拉伸變形，保證組合防滲結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）經(jīng)濟(jì)性比較。方案①中，塑性混凝土墻設(shè)置在閘室底板前齒墻底部，上部與閘室底板澆筑在一起，下部打人相對不透水層。楊集引黃閘單孔凈寬2.6 m，共三孔，底板寬11.4 m.地基相對透水層厚6m.塑性混凝土墻打人地基相對不透水層下1m，即混凝土墻深約7m，混凝土墻單價(jià)為300元/m左右，塑性混凝土墻造價(jià)約2.4萬元。相比方案①，復(fù)合土工膜鋪設(shè)范圍在鋪蓋與閘基連接位置，復(fù)合土工膜長度約15m，閘室寬度約11.4 m，其工程量為171 m，復(fù)合土工膜綜合單價(jià)為30元/m，其造價(jià)約0.5萬元。

（3）比選結(jié)果。方案①與方案②作為閘室防滲方案均可滿足工程防滲要求，其對比見表1。方案①采用的塑性混凝土墻可有效增加滲徑并具有良好的防滲性能;方案②所采用的復(fù)合土工膜，滲透系數(shù)小，造價(jià)低，不能減小閘室不均勻沉降，但復(fù)合土工膜抗拉性能好，可適應(yīng)于較大的不均勻沉降：方案①塑性混凝土材料費(fèi)約是方案②復(fù)合土工膜材料費(fèi)的5倍。綜合考慮采用方案②進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)。

2 復(fù)合土工膜防滲施工

復(fù)合土工膜防滲施工程序見圖2。復(fù)合土工膜的鋪設(shè)順序與閘室的施工順序保持一致，先進(jìn)行閘室施工，然后進(jìn)行鋪蓋施工。因此，復(fù)合土工膜具體施工順序?yàn)椋洪l室混凝土底板澆筑完成后，首先采用膨脹螺栓錨固底板土工膜，然后將混凝土底板與錨固好的復(fù)合土工膜吊裝到指定位置，再鋪設(shè)鋪蓋段復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜之間采用焊接連接，連接完成后錨固槽錨固鋪蓋段復(fù)合土工膜，最后對鋪蓋段復(fù)合土工膜鋪設(shè)上墊層，最后進(jìn)行漿砌石護(hù)底。其施工特點(diǎn)是：上游土工膜結(jié)合鋪蓋防滲結(jié)構(gòu)，與鋪蓋有共同的墊層;下游復(fù)合土工膜與混凝土直接接觸，不設(shè)上墊層。

3 有限元計(jì)算分析

復(fù)合土工膜滲透系數(shù)僅10 cm/s，是一種理想的防滲體，以山東黃河楊集引黃閘為例，采用復(fù)合土工膜+鋪蓋防滲方案，對復(fù)合土工膜進(jìn)行有限元計(jì)算分析。采用ABAQUS建立閘室三維模型，平衡地應(yīng)力之后，閘室底部施加實(shí)測沉降位移，主要研究復(fù)合土工膜的應(yīng)力變形狀態(tài)。

3.1 工程概況

楊集引黃閘建于1992年，為一聯(lián)三孔鋼筋混凝土涵洞式水閘，每孔凈寬2.6 m、凈高2.8 m，建筑物等級為I級，閘門為鋼筋混凝土平板閘門，涵洞全長80 m.分8節(jié)，閘首段長9.99 m，其余7節(jié)均長9，98 m，設(shè)計(jì)流量為30 m/s.底板上設(shè)邊墩、中墩，邊墩厚0.67 m，中墩厚1.05 m.洞身頂、底板厚均為0.7 m，每節(jié)涵洞洞節(jié)之間設(shè)鋼筋混凝土墊梁，墊梁高0.5 m、寬1.0 m。工作閘門機(jī)架橋?yàn)橐徽w式鋼筋混凝土肋形結(jié)構(gòu)，涵洞頂部有大堤回填土，閘上游設(shè)置3m長的黏土鋪蓋，閘底板高程45.9 m.設(shè)計(jì)防洪水位56.6 m，見圖3。

該水閘運(yùn)行21 a后，山東黃河勘測設(shè)計(jì)研究院對其進(jìn)行了安全檢測。結(jié)果表明，其上游面有明顯裂縫，漿砌石護(hù)坡塌陷，基礎(chǔ)底部有掏空現(xiàn)象，閘前鋪蓋前Im出現(xiàn)多處滲水管涌，涵洞之間止水鋼板嚴(yán)重腐蝕。在此提出采用復(fù)合土工膜與現(xiàn)有鋪蓋組合進(jìn)行防滲。試樣規(guī)格為500 g土工布夾1.0 mm厚的PVC膜，土工材料參數(shù)見表2。

依據(jù)水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，測得的極限抗拉強(qiáng)度T和相應(yīng)極限拉應(yīng)變ε用于工程設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行折減：的容許拉應(yīng)力橫向?yàn)?.4 MPa.縱向?yàn)?.1 MPa;拉應(yīng)變橫向?yàn)?9.5%.縱向?yàn)?6.2%。

3.2 計(jì)算模型

模型范圍在閘體上游取20 m.下游取到閘室后大堤平臺20 m.左右岸各取到邊墩外側(cè)10 m，縱向取底板以下20 m.主要構(gòu)件包括大堤、閘室、鋪蓋和土工膜?？紤]到上游翼墻對復(fù)合土工膜影響較小，故未予建模。復(fù)合土工膜采用兩布一膜，計(jì)算模型見圖4。采用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析。

土體模擬采用摩爾庫侖模型，涵閘、鋪蓋、土工膜模擬采用線彈性模型，計(jì)算參數(shù)見表3。

計(jì)算考慮土工膜與閘室底板、鋪蓋、地基土體之間的摩擦接觸，以及胸墻及邊墩外側(cè)與大堤填土接觸。接觸面摩擦系數(shù)見表4。計(jì)算中所有接觸面法向采用硬接觸，所有接觸滑移均設(shè)為小滑移。土工膜與底板和地基土之間設(shè)置接觸單元，主要考慮模擬土體與膜料間的擠壓和滑移;胸墻、邊墩與大堤土之間接觸單元主要考慮大堤填土被動(dòng)土壓力對閘室的頂推力，以及兩側(cè)填土對結(jié)構(gòu)的擠壓力。

計(jì)算工況：根據(jù)楊集引黃閘閘基沉降實(shí)測資料，取閘室下游10 m范圍內(nèi)測點(diǎn)進(jìn)行工況設(shè)計(jì)。沉降點(diǎn)布置如圖5所示。左側(cè)Cl點(diǎn)累計(jì)沉降為32 mm，C2點(diǎn)為35 mm;右側(cè)Cl點(diǎn)累計(jì)沉降為66 mm，C2點(diǎn)為5 mm，不符合沉降規(guī)律，考慮可能是儀器問題，根據(jù)現(xiàn)有右側(cè)C1、C3點(diǎn)數(shù)據(jù)，取C2點(diǎn)沉降為Cl、C3點(diǎn)沉降的平均值，為70 mm。

3.3 計(jì)算結(jié)果

（1）應(yīng)力分析。復(fù)合土工膜應(yīng)力分布見圖6。從復(fù)合土工膜縱向和順?biāo)鞣较驊?yīng)力分布可以看出，縱向最大拉應(yīng)力為4.30 MPa，順?biāo)鞣较蜃畲罄瓚?yīng)力為3.54 MPa，其發(fā)生位置均在復(fù)合土工膜豎向拐角處。原因是在自重、水壓力、淤沙壓力和大堤土壓力共同作用下，底板上游端縱向位移最大，由此導(dǎo)致復(fù)合土工膜與底板下端接觸部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，且在建模分析時(shí)，閘室底板下部具有較尖銳的直角轉(zhuǎn)折，進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象。除拐角位置處應(yīng)力集中較大外，剩余復(fù)合土工膜應(yīng)力為1.00 MPa左右?？梢?，水閘在正常運(yùn)行情況下復(fù)合土工膜所受最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于土工膜允許應(yīng)力，可以正常工作。

（2）位移分析。復(fù)合土工膜位移分布見圖7。可以看出，復(fù)合土工膜縱向位移依附于混凝土底板的沉降，其縱向位移最大位置與實(shí)測沉降最大位置基本一致，為70.52 mm，與實(shí)測值相近。土工膜與閘室底板以及地基填土之間并未觀測到明顯的相對滑移。復(fù)合土工膜作為柔性材料，不能改善閘室沉降，僅能很好地適應(yīng)地基的沉降，并且閘室質(zhì)量較大，導(dǎo)致土工膜豎向壓應(yīng)力較大，因此不會產(chǎn)生相對滑移。復(fù)合土工膜順?biāo)鞣较蛭灰婆c土工膜豎向位移相比很小，最大僅為10.20 mm，說明在各種荷載綜合作用下，土工膜的拉伸主要在縱向，應(yīng)采取工程措施避免拉伸變形過大，導(dǎo)致土工膜破壞。

（3）工程改進(jìn)措施。通過上述有限元計(jì)算分析可知，復(fù)合土工膜拉應(yīng)力最大位置在鋪蓋與閘基底板的連接處，在復(fù)合土工膜拐角位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在底板與閘前鋪蓋交界處，閘室因自重大、沉降大，故對復(fù)合土工膜有一個(gè)剪切力，若復(fù)合土工膜緊貼混凝土底板向上鋪至漿砌石護(hù)底，在連接處土工膜有一個(gè)90°拐角，拉應(yīng)力會集中在拐角位置。為減小連接處不均勻沉降對土工膜造成的影響，使用幾何變形來代替拉伸變形。在此建議對混凝土底板與黏土鋪蓋連接位置橫、縱向折疊鋪設(shè)土工膜，減小拉應(yīng)力，鋪設(shè)方式見圖8。這樣當(dāng)?shù)装逑虏繌?fù)合土工膜承受較大拉應(yīng)力時(shí)，可將褶皺段土工膜拉直，減小復(fù)合土工膜的應(yīng)變及應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

針對引黃閘閘室底板與鋪蓋間黏土防滲體易產(chǎn)生剪切破壞的問題，提出采用復(fù)合土工膜作為不均勻沉降部位的防滲結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

（1）復(fù)合土工膜適宜應(yīng)用于涵洞式水閘底板與鋪蓋間防滲，在應(yīng)用時(shí)可采用兩布一膜方式。

（2）復(fù)合土工膜施工順序?yàn)橄掠螐?fù)合土工膜膨脹螺栓錨固、吊裝，然后上游膜鋪設(shè)、焊接以及錨固槽連接，最后回填壤土及漿砌石護(hù)底。

（3）有限元計(jì)算結(jié)果表明，復(fù)合土工膜豎向拉應(yīng)力最大為4.30 MPa.順?biāo)鞣较蜃畲鬄?.50 MPa，均在復(fù)合土工膜的允許抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，而其應(yīng)變主要發(fā)生在豎直方向上，復(fù)合土工膜最大拉伸率遠(yuǎn)小于復(fù)合土工膜的允許拉伸率，復(fù)合土工膜可安全使用。

（4）針對土工膜應(yīng)力集中部位，建議在橫、縱向折疊鋪設(shè)土工膜，充分利用其幾何變形代替拉伸變形以減小拉應(yīng)力。

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