土工膜在堤壩上游防滲層中的數(shù)值模擬及應(yīng)用研究

朱 峻

(江西峻瑞建設(shè)工程有限公司，江西 九江 332000)

1 概 述

堤壩工程通常造價(jià)較高，因此研究提高大壩技術(shù)性能、降低大壩建設(shè)成本的替代方案具有重要意義。土工合成材料的使用是目前改良土壤的一種方法，該方法在巖土工程中很常見。與傳統(tǒng)材料相比，土工合成材料具有許多優(yōu)勢，如成本更低、執(zhí)行時(shí)間更短、安裝更容易。由于土工合成材料與傳統(tǒng)土工材料相比具有獨(dú)特的特性，近年來土工合成材料的應(yīng)用越來越受到世界各國工程師和研究人員的關(guān)注。因此，有必要進(jìn)行新的研究和設(shè)計(jì)模型，特別是當(dāng)土工合成材料應(yīng)用于土石壩時(shí)[1]。

土工膜是最常見的土工合成材料之一。它們被定義為與任何巖土工程相關(guān)材料一起使用的非常低滲透的合成膜，目的是控制人造工程、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)中的液體或氣體遷移。高密度聚乙烯土工膜通常用于建造水庫等工程，其防護(hù)效率取決于合成膜的完整性以及其他方面，如使用壽命[2-3]。

本文以某平原水庫大壩為研究對象，主要研究上游不透水土工膜襯砌對堤壩地基處理效果的影響。選擇一個(gè)大壩的橫截面來代表大壩的整體性能，并支持進(jìn)一步的研究。在此基礎(chǔ)上，建立以土工膜為上游防滲層的大壩小尺度滲流模型，使研究人員能夠?qū)χ匾獏?shù)進(jìn)行標(biāo)定。該模型考慮了水電站的特點(diǎn)，是對原型的簡化。

2 大壩土工膜鋪設(shè)

本文以某平原灌注式水庫為研究對象，水庫設(shè)計(jì)水位875.0 m，對應(yīng)水面面積46 km2，庫容1.38×108m3，庫盤面積54.8 km2，死水位869.75 m，死庫容0.08×108m3。水庫利用率54%。水庫岸線總長45.112 km，其中北庫岸線長22.06 km，人工壩體總長23.052 km。水庫進(jìn)水樞紐設(shè)計(jì)流量25 m3/s，退水閘設(shè)計(jì)流量26 m3/s。放水涵洞：一庫放水涵洞設(shè)計(jì)流量2 m3/s；二庫兩座放水涵洞設(shè)計(jì)流量均為12.5 m3/s。

壩的左側(cè)有一個(gè)長約580 m的頂峰，最大高度約為25 m。由于壩基土的土工性質(zhì)，在壩的左側(cè)上游的土工膜已被用作襯墊，以減少整個(gè)壩基的水流。所用土工膜為厚1.5 mm的柔性合成HDPE膜，兩側(cè)有紋理。據(jù)大壩設(shè)計(jì)人員介紹，為了避免土工膜與壓實(shí)土之間的滑移，選擇了一種紋理土工膜。

土工膜在地基土上的設(shè)置是由先前挖掘的深0.80 m的錨溝和寬0.50 m的土工膜制成的，在這兩種情況下，回填壓實(shí)是通過靠近土工膜的手工操作設(shè)備來完成的。為防止膜損傷，大壩上游面土工膜錨槽寬2 m，在堤防施工后施工。土工膜面板之間的接縫采用雙焊接工藝，通過熱熔聚合物的應(yīng)用，在焊縫之間形成一個(gè)氣密通道。從通道可以識別最終缺陷，檢查密封程序的質(zhì)量，并修復(fù)最終確定的缺陷。為了保護(hù)土工膜并減輕由于某些機(jī)械效應(yīng)而導(dǎo)致的最終局部破壞的影響，在土工合成材料上鋪設(shè)一層50 cm的壓實(shí)土。在壓實(shí)的土層上，再建造一層厚50 cm的壓實(shí)堆石保護(hù)層。見圖1。

圖1 上游壩面和地基上的土工膜橫截面圖

數(shù)據(jù)來源與分析：本研究中使用的數(shù)據(jù)來自承包商文件，如項(xiàng)目圖紙、地形測量以及現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果。水庫大壩儀表由立管壓力計(jì)、V形缺口流量計(jì)、水位計(jì)和表面標(biāo)志組成。V形缺口流量計(jì)負(fù)責(zé)測量內(nèi)部排水系統(tǒng)的水流量。在大壩左側(cè)的5個(gè)部分安裝了儀器。根據(jù)壩基左側(cè)幾處鉆孔的現(xiàn)場滲透試驗(yàn)，確定了透水地基土層厚度。所采用的基礎(chǔ)層的水力傳導(dǎo)率是每個(gè)層的幾個(gè)測試的平均值。由于路堤的施工過程，相對于滲透性的各向異性由水平導(dǎo)水率(kh)和垂直導(dǎo)水率(kv)之間的比率確定。

分析中所用的土石壩的垂直和水平平均導(dǎo)水率是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室滲透性試驗(yàn)結(jié)果確定的。通過對土石壩原狀塊體的試驗(yàn)，得到平均水平滲透系數(shù)為1×10-5cm/s，垂直滲透系數(shù)為2×10-6cm/s。因此，水平滲透性大約是垂直滲透性的5倍。基巖主要由玄武巖組成，由風(fēng)化產(chǎn)物覆蓋?；A(chǔ)基巖的平均導(dǎo)水率為1×10-6cm/s。

3 小尺度滲流模型

在室內(nèi)進(jìn)行了土壤巖土特性和小規(guī)模模擬的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?？紤]到水庫大壩的一些特性，小規(guī)模模型由一個(gè)裝滿沙子和其他材料的滲透池組成，以1∶100的比例表示假設(shè)堤壩的橫截面幾何。

3.1 建模的幾何和邊界條件

根據(jù)水庫大壩的幾何特性，如上游和下游邊坡傾角、壩頂寬度、壩體高度和基礎(chǔ)層厚度等，確定斷面模型的幾何結(jié)構(gòu)。需要強(qiáng)調(diào)的是，小比例尺模型是大壩儀表截面的簡化，因此采用平均參數(shù)。

在壩基上的土工膜處理面積的長度，是由幾個(gè)水電站壩段的幾何數(shù)據(jù)定義的。因此，在小尺度模型(L=4H)中再現(xiàn)上游壩基處理長度(L)與壩高(H)之間的比值。模型中采用的內(nèi)部排水系統(tǒng)由垂直濾池和鋪蓋式排水管組成，與大壩原型相似。

小比例尺模型的邊界條件為：①水庫水位；②下游水位；③上游防滲層的水流限制。上游水位被設(shè)置為代表水庫的最大正常水位。

3.2 小尺度模型模擬

模型長250 cm，高60 cm，寬45 cm，容積為0.75 m3。水滲透到路基和模型的基礎(chǔ)上，通過位于水箱末端的出水口收集流量，從而確定流量。滲水箱裝有壓力計(jì)，以測定不同點(diǎn)的壓頭。圖2顯示了模型中的壓力計(jì)位置。本文將堤壩中的壓力計(jì)稱為PE，壩基測壓計(jì)稱為PF。模型特征見表1。

圖2 小型模型中的測壓計(jì)位置模型橫截面設(shè)置

表1 小規(guī)模模型特征

通過模擬3種不同的情況，允許評估上游不滲透膜在壩上的作用：①?zèng)]有地基處理；②在壩上游的土工膜的使用；③在壩體上游使用受損的土工膜。對每一種模擬，總壓頭和滲濾流量的讀數(shù)都被記錄下來。圖3為一個(gè)小規(guī)模的模型草圖。

圖3 小比例尺模型

在模擬土工膜存在缺陷的模型中，在大壩模型上游的密封材料上設(shè)置縱向開口，以便模擬土工膜安裝和大壩施工結(jié)束時(shí)可能出現(xiàn)的缺陷。

3.3 小尺度滲流模擬結(jié)果

小模型上采用的尺寸與水庫大壩上采用的尺寸不完全相同，模型中只分析一個(gè)截面。見圖4。

圖4 小比例尺模型的尺寸

表征試驗(yàn)結(jié)果、最大和最小空隙率以及材料的滲透性見表2。根據(jù)材料的粒度分布曲線，驗(yàn)證了其在過濾排水中的適用性。

表2 小型模型所用材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

圖5為在小規(guī)模模型截面上獲得的總水頭值?？紤]到這些布置是指大壩的同一橫截面，并且分析了一組不同的壓力計(jì)，因此將壓力計(jì)分為3種布置，以簡化對結(jié)果的分析。根據(jù)圖5可知，壩模型上游未損壞土工膜的存在減少了通過堤壩和基礎(chǔ)的總流量約46%。另一方面，與未經(jīng)處理的情況相比，有缺陷的土工膜的存在只減少了8%的水流量。根據(jù)圖5布置1中獲得的結(jié)果，大壩模型上游存在土工膜會(huì)導(dǎo)致總水頭降低。由圖5還可以觀察到，水力水頭的降低主要發(fā)生在排水管的上游。說明缺陷的存在導(dǎo)致地基處理效率較低。

圖5 小型模型試驗(yàn)中獲得的總水頭

上游不透水層的地基處理對堤壩材料上的水頭幾乎沒有影響，見圖5中布置2。另一方面，在堤壩與基礎(chǔ)材料界面處的液壓頭中可以看到一些影響，見圖5中布置3(PE - 2和PE-4)。

對于小尺度模型，得到的結(jié)果表明，土工膜減少了堤壩和地基的壓力頭以及排水系統(tǒng)收集的流量。壓頭的降低發(fā)生在壩基下面、土工膜下方和壩體堤壩上游的垂直過濾器上。另一方面，在大壩下游側(cè)，觀測到壓力水頭的微小變化，說明下游側(cè)的流量受排水管的控制。試驗(yàn)還表明，如果使用的土工膜有損壞，排水系統(tǒng)和壓頭收集的總流量與試驗(yàn)中觀察到的沒有土工膜的總流量相似。

對于考慮土工膜長度的分析，在壩基處理的地基土中檢測到壓頭減少。因此，減少的幅度取決于處理過的地基延伸。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，通過基礎(chǔ)的滲流取決于水滲流路徑的長度?？紤]到土工膜在壩上游坡面上的長度分析，當(dāng)大部分水流通過地基時(shí)，地基土中的壓頭與安裝在大壩上游坡面上的土工膜長度有很小的變化。但隨著上游斜坡上土工膜長度的增加，路堤內(nèi)的壓頭減小?？紤]到大部分的總流量發(fā)生在地基上，增加壩體上游坡面土工膜的長度不能有效地減小該參數(shù)的大小。因此，僅采用在斜坡上錨定土工膜所需的長度即可。

4 結(jié) 論

本文對HDPE土工膜作為土石壩上游防滲層的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。水庫的數(shù)據(jù)有助于開發(fā)小型滲流模型。在試驗(yàn)后，對一些參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。此外，還對土工膜中存在的缺陷、防滲層厚度和土工膜長度進(jìn)行了假設(shè)。

對于土工膜中出現(xiàn)缺陷的分析，土工膜上壓實(shí)的土層對地基處理具有良好的性能。在沒有壓實(shí)土層的情況下，考慮土工膜縱向撕裂的模擬中，與沒有損壞土工膜的模擬相比，流量增加約25%。然而，考慮到除了土工膜襯墊之外，具有比基礎(chǔ)保護(hù)層低的滲透性的土壤，流量減少僅為6%。與水力梯度有關(guān)的是，土工膜在地基土上的使用導(dǎo)致梯度值大于1.5。因此，建議謹(jǐn)慎建造錨槽，以避免土工膜和壓實(shí)土壤之間出現(xiàn)意外滲透。如果土工膜有缺陷，也必須特別小心?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，采用土工膜處理透水性地基，可以很好地降低大壩的流壓荷載。