土工膜缺陷對(duì)壩坡滲流特性及穩(wěn)定的影響

陳昌盛

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

0 引言

土工膜是壩坡施工過程中較為常用的高分子聚合薄膜材料，具有防滲性能好、保持壩坡坡體連續(xù)性、造價(jià)低、施工速度快等特征，且土工膜防滲技術(shù)目前也較為成熟，是一種較好的土工材料。

對(duì)于土工膜在壩體中的應(yīng)用研究目前已經(jīng)取得了較為豐碩的研究成果：束一鳴[1]采用三維滲流場有限元模擬的研究方法，分析了土工膜的滲透量和缺陷滲漏量及膜后浸潤面的變化規(guī)律；孫冬梅等[2]分析了不同階段的土工膜缺陷探測的措施，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)不同缺陷檢測措施的適用性進(jìn)行了研究；顧淦臣[3]分析了土工膜缺陷與缺陷滲漏、土工膜強(qiáng)度分析、壩面土工膜穩(wěn)定性、土工膜滲透機(jī)理、土工膜周邊連接等問題；盧東曉[4]對(duì)中小型水庫設(shè)計(jì)中，土工膜防滲技術(shù)在應(yīng)用過程中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析；牛飛[5]為了解決水源來水量減少的問題，對(duì)某飲水工程進(jìn)行了鋪設(shè)土工膜鞏固提升改造；侍克斌等[6]分析了傳統(tǒng)方法在土工膜防滲結(jié)構(gòu)計(jì)算中的不足，通過推導(dǎo)壩體土工膜防滲結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的表達(dá)式，驗(yàn)證了折線法的合理性；王艷玲[7]根據(jù)土工膜的工作機(jī)理、材料特性、邊界條件和破壞模式，對(duì)壩體土工膜防滲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算；劉鳳茹等[8]將壩體的實(shí)測測壓管數(shù)據(jù)與有限單元法相結(jié)合分析了大壩典型斷面開展穩(wěn)定和瞬態(tài)典型工況下的大壩滲流場。

在上述研究基礎(chǔ)上，本研究擬以某水庫攔河大壩工程為研究對(duì)象，分析不同土工膜布設(shè)位置、不同缺陷尺寸、不同缺陷高度下壩坡坡體的滲流特征與抗滑穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系。

1 工程概況

本研究以某水庫攔河大壩工程為研究對(duì)象，該工程庫區(qū)屬侵蝕剝蝕構(gòu)造中山區(qū)，山頂高程1353m～1421.9m，河谷高程989.6m～1040.6m，相對(duì)高差300m～400m。水庫河谷呈NE走向，河床平均比降9‰，水流較緩。由于水庫河谷由砂、泥巖組成，巖性軟硬相間，因此，河谷寬窄相間，狹谷地段為“V”形谷，開闊地段為“U”形谷。工程區(qū)出露的地層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組與侏羅系下統(tǒng)香溪組紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾長石石英砂巖互層，三疊系上統(tǒng)須家河組巖屑石英砂巖夾頁巖、炭質(zhì)頁巖。第四系河流沖積與坡殘積層主要分布于河床和緩坡地帶。水庫區(qū)無區(qū)域性斷裂通過，河壩向斜呈小角度斜穿水庫區(qū)，向斜兩翼不對(duì)稱，北翼相對(duì)較緩，傾角35°～37°，南翼相對(duì)較陡，傾角50°～70°，庫區(qū)為斜向谷。庫區(qū)巖體中除層面裂隙外，還發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙。區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散層中的孔隙水和基巖裂隙水。

土工膜布置形式主要有坡面布置以及壩體中心防滲心墻布置方法，根據(jù)本工程實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)于采用“之”型布設(shè)方法，土工膜布置與壩體施工同時(shí)進(jìn)行，“之”型土工膜布置形式與壩體變形更加切合，不會(huì)導(dǎo)致過大變形與應(yīng)變，進(jìn)而防止土工膜破損，本研究對(duì)比分析兩種土工膜布置形式的滲流特性與抗滑穩(wěn)定性變化特征。

2 土工膜缺陷影響大壩滲流特性分析

2.1 壩體特征

研究對(duì)象為一高30m的砂礫石壩，壩體結(jié)構(gòu)如圖1所示，壩體前后坡度均為1∶1.7，水庫正常蓄水水位高度為28m，設(shè)計(jì)A、B兩種方案，分別為在壩體坡面及壩心位置處鋪設(shè)土工膜，具體鋪設(shè)如圖1(a)、(b)所示，方案A土工膜膜后墊層厚度為50cm，方案B在“之”型土工膜中間鋪設(shè)墊層，墊層水平厚度為80cm，厚度1.0mm的土工膜相當(dāng)于10.0cm厚的多孔介質(zhì)防滲層。根據(jù)實(shí)際工程調(diào)查，土工膜最常出現(xiàn)的破損形式為5.0cm、10.0cm、20.0cm，破損缺陷的高度間距設(shè)計(jì)為0.80m，即在0.40m、1.20m、…、27.40m位置處設(shè)置破損缺陷。

圖1 壩體結(jié)構(gòu)

該壩體的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示，壩體、墊層的土水特征曲線與滲透系數(shù)變化曲線如圖2所示。

表1 壩體的材料力學(xué)參數(shù)

圖2 壩體的材料特性曲線

2.2 滲流特性分析

在方案A的情況下，緊貼膜后與X=66m位置處的浸潤線與土工膜缺陷高度變化曲線如圖3所示，分析圖3中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在方案A的情況下，隨著土工膜缺陷高度不斷增大，浸潤線的高度呈現(xiàn)先變大后變小的變化趨勢，且在土工膜缺陷高度為8.40m高度左右時(shí)，浸潤線的高度出現(xiàn)小范圍的激增。

(a)緊貼膜后

在方案A土工膜布置條件下，當(dāng)浸潤線的高度分別為7.60m、8.40m及9.20m，土工膜缺陷尺寸為5cm時(shí)，土工膜后壩體的浸潤線分布如圖4所示，且當(dāng)土工膜缺陷尺寸為10cm、20cm時(shí)壩體的浸潤線分布規(guī)律與之類似，本研究不再贅述。分析圖4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷高度為9.20m時(shí)，在缺陷位置附近，墊層位置處出現(xiàn)局部獨(dú)立飽和范圍，但該區(qū)域未影響壩體內(nèi)部浸潤線的分布，浸潤線仍在壩體內(nèi)部呈現(xiàn)下降的變化趨勢；但當(dāng)缺陷高度為8.40m時(shí)，在缺陷位置附近，墊層位置處也出現(xiàn)了局部獨(dú)立飽和范圍，但該區(qū)域影響壩體內(nèi)部浸潤線的分布，浸潤線在飽和區(qū)附近有局部的抬高，使得墊層與壩體內(nèi)部墊層附近局部區(qū)域出現(xiàn)貫通。

圖4 方案A土工膜后壩體的浸潤線分布

在方案B的情況下，緊貼膜后與X=66m位置處的浸潤線與土工膜缺陷高度變化曲線如圖5所示，分析圖5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在方案B的情況下，隨著土工膜缺陷高度不斷增大，浸潤線的高度也呈現(xiàn)先變大后變小的變化趨勢，且在土工膜缺陷高度為4.40m高度左右時(shí)，浸潤線的高度出現(xiàn)小范圍的激增。

(a)緊貼膜后

在方案B土工膜布置條件下，當(dāng)浸潤線的高度分別為5.20m、4.40m及3.60m時(shí)，土工膜后壩體的浸潤線分布圖如圖6所示。分析圖6中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三種高度情況下，土工膜后壩體未出現(xiàn)明顯的局部抬高現(xiàn)象。

圖6 方案A土工膜后壩體的浸潤線分布

圖7為兩種方案下的不同缺陷尺寸時(shí)，壩體水流滲流量隨土工膜缺陷高度的變化曲線，對(duì)于壩體坡面鋪設(shè)土工膜的方案A及壩心位置處設(shè)土工膜的方案B，三種不同尺寸的缺陷對(duì)滲流量的影響不大，且影響差值隨著土工膜缺陷高度的增加逐漸減小。對(duì)于方案A，滲流量隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；而對(duì)于方案B，滲流量隨著高度的增加而逐漸減小，其中在土工膜缺陷高度12.0m～15.0m范圍內(nèi)時(shí)，減小幅度最大。

(a)方案A

圖8為兩種方案下的不同防滲形式、缺陷尺寸(5cm、10cm)時(shí)，壩體水流滲流量隨土工膜缺陷高度的變化曲線，分析圖8中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩種缺陷尺寸下的壩體水流滲流變化趨勢基本相同，但缺陷尺寸越大，壩體水流滲流量越大。

(a)5cm缺陷

2.3 壩體穩(wěn)定性分析

土工膜存在缺陷，導(dǎo)致壩體內(nèi)部滲流特性發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)引起壩體穩(wěn)定性的變化，圖9為在方案A土工膜布置條件下，土工膜不同缺陷尺寸時(shí)，上游坡體的穩(wěn)定性系數(shù)與土工膜缺陷高度的關(guān)系曲線。分析圖9中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，土工膜的缺陷尺寸不同對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響較小，且方案A下的上游坡體的穩(wěn)定性系數(shù)隨著土工膜缺陷高度的增加逐漸增大，對(duì)于方案B的穩(wěn)定性系數(shù)值，由于上游的滲流未發(fā)生變化，因而穩(wěn)定性系數(shù)與不布設(shè)土工膜時(shí)相同。

圖9 上游坡體的穩(wěn)定性系數(shù)-土工膜缺陷高度曲線

兩種方案下的缺陷尺寸為5cm時(shí)，上游與下游的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)與缺陷高度的變化曲線如圖10所示。分析圖10中的數(shù)據(jù)，對(duì)于上游抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)，方案A明顯大于方案B，這主要是由于方案A在壩體坡面鋪設(shè)土工膜的作用下，庫水的作用力僅存在壩坡的表面，使得壩體的抗滑性能有效提高，因而抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)處于較高水平；而方案B，由于壩心位置處布設(shè)土工膜對(duì)于上游壩坡位置的抗滑性能提高無明顯效果，因而抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)較小。對(duì)于下游壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)，兩種土工膜布設(shè)條件下的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)值及變化趨勢基本相同，且上下游抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)值隨著缺陷高度的增加逐漸增大。

(a)上游坡壩

3 結(jié)論

本研究以某水庫攔河大壩工程為研究對(duì)象，分析了不同土工膜布設(shè)位置、不同缺陷尺寸、不同缺陷高度下的壩坡坡體的滲流特征與抗滑穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

(1)浸潤線的高度隨著土工膜缺陷高度的增大呈現(xiàn)先變大后變小的變化趨勢，方案A時(shí)浸潤線在飽和區(qū)附近有局部的抬高，壩體內(nèi)部墊層附近局部區(qū)域出現(xiàn)貫通；但方案B不存在。

(2)缺陷尺寸對(duì)滲流量的影響不大，方案A滲流量隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，方案B滲流量隨著高度的增加而逐漸減小，方案A滲流量大于方案B。

(3)土工膜的缺陷尺寸不同對(duì)坡體滑坡穩(wěn)定性的影響較小，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)隨著土工膜缺陷高度的增加逐漸增大。對(duì)于上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，方案A明顯大于方案B；下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)兩方案基本相同。