堆石坝面防渗膜－垫层料界面力学特性试验研究

蒋善平 束一鸣 吴海民 滕兆明 蔚成亮 任泽栋

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.昆山市淀山湖防洪工程管理处，江苏昆山 215345）

与传统堆石坝防渗体相比，坝面土工膜防渗结构具有适应变形能力强、造价低、施工便捷、低碳环保等优点［1］，因此，土工膜防渗堆石坝的潜在发展势头强劲.土工膜与垫层材料界面力学特性决定着坝面土工膜防渗结构稳定性以及整个大坝的安全性.目前能应用于较高堆石坝面土工膜防渗结构垫层的材料主要有水泥无砂混凝土［2］、聚合物透水混凝土［3］及表面粘结的细砾.水泥无砂混凝土具有较高的抗压强度和良好的透水性能，在国内外均有作为膜防渗堆石坝垫层的工程实例［4］.聚合物透水混凝土是一种新型透水垫层材料，是以聚合物胶和粗骨料混合搅拌固结成型的蜂窝状多孔隙混凝土结构；具有透水性好、抗折和抗压强度高、模量低、施工方便等优点，此外，与水泥无砂混凝土相比，凝固时间较短，一般浇筑24h后的强度可以达到最终强度的80%，其抗压和抗折试验表明，聚合物透水混凝土达到抗压强度峰值或者抗折强度峰值后，具有明显的残余强度值，并且达到峰值荷载后的试样没有出现明显的裂缝，其完整性较好，仍然可作为堆石坝防渗膜的支撑，这一点是无砂混凝土所不及的，对于利用土工膜设计深厚覆盖层高面板堆石坝宽尺度接缝止水具有重要的意义.

土工膜与垫层材料之间界面力学特性的研究方法主要有室内直剪试验、拉拔试验、斜板试验等几种方法［5］，其中，直剪试验是研究土工合成材料界面力学特性最常用的方法.国内外许多学者采用直剪试验对土工合成材料界面力学特性进行了研究，如Myles、Koutsourais等利用直剪试验研究了粘性土、砂与有纺织物、土工格栅等土工合成材料的界面摩擦特性［6－7］；Korner等认为常规直剪仪只能测出土体－土工膜界面的峰值抗剪强度，必须使用有大行程剪切位移的试验仪器才能测出残余抗剪强度［8］；Shallenberger对粘土－土工膜接触界面进行了直剪试验研究，并指出界面剪切应力－位移关系具有明显的应变软化特性［9］；吴景海等用直剪试验方法研究了5种不同的国产土工合成材料与砂和粉煤灰等填料之间的界面力学特性；Chiwan Hsieh等用直剪试验研究了接触面尺寸效应对沙土－土工膜接触面摩擦特性的影响［10］；徐超等人对加筋土工合成材料与土体界面直剪试验的影响因素进行了研究，认为剪切速率不超过一定界限时对筋－土界面抗剪强度几乎无影响，然而关于土工膜与透水混凝土垫层之间界面力学特性的研究目前较少.

1 试验方案

本文采用300mm×300mm大尺寸土工合成材料界面直剪仪对水泥无砂混凝土和聚合物透水混凝土两种垫层材料与土工膜界面的力学特性进行了试验研究，得到了土工膜与两类垫层材料的界面强度特性以及剪应力－剪切位移关系特征，为堆石坝面土工膜防渗结构垫层料的优选、稳定性分析及用土工膜来设计深厚覆盖层高面板堆石坝宽尺度接缝止水提供一定的参考依据.

1.1 试验材料

1）土工膜垫层料，主要为水泥无砂混凝土和聚合物透水混凝土两种材料，水泥无砂混凝土所用粗骨料为5～20mm粒径的玄武岩碎石，水灰比为0.3［11］，孔隙率为0.2，具体配比及力学性能参数如表1所示；聚合物透水混凝土的单位质量胶骨比为2.5%，粗骨料也采用5～20mm粒径的玄武岩碎石，具体配比及力学性能参数如表2所示，为使糙面PVC膜与聚合物透水混凝土界面充分接触，在不影响其透水性能的前提下，在聚合物透水混凝土的表面复合一层粒径约为4mm的细骨料，并进行压实抹平处理，处理后的试样如图1所示.

表1 无砂混凝土的配比及力学性能参数

图1 表面复合细骨料的聚合物透水混凝土

表2 聚合物透水混凝土配比及力学性能参数

2）土工膜，试验采用堆石坝面防渗常用的两布一膜型式的复合土工膜、1.4mm厚的HDPE纯膜、1.0 mm的加糙PVC膜，其中HDPE纯膜和加糙PVC膜试样如图2所示，复合膜由两层400g／m2的长丝针刺无纺土工织物与0.8mm厚PE膜复合而成.

图2 土工膜试样

1.2 试验设备

试验采用河海大学水工结构实验中心土工合成材料直剪拉拔仪，设备照片如图3所示，该仪器能用于土体－土工合成材料界面直剪试验和拉拔试验，上、下剪切盒的有效尺寸均为300mm×300mm，试验时上剪切盒固定不动，下剪切盒移动.界面法向荷载和水平向剪切荷载分别由砝码－杠杆系统和电机提供，最大法向压力可达400kPa，最大剪切行程可达10 cm.剪切位移通过位移传感器量测，剪切力通过测力传感器量测，试验过程中试验数据由采集系统采集并直接在计算机上显示实时剪切应力－剪切位移曲线.

图3 土工合成材料界面直剪拉拔仪

1.3 试验方法及步骤

试验时，先在下剪切盒内放置一块与剪切盒等高的刚性板，用于支撑土工膜试样，将土工膜固定在刚性板上表面，安装好上剪切盒并保持土工膜试样平整，然后将尺寸为300mm×300mm的垫层试样装入上剪切盒内，注意安装垫层试样时要保证复合膜与垫层之间接触良好，最后放置法向加载板并施加法向荷载.试样安装过程如图4所示.

图4 试样装备

本次试验中法向分别施加25kPa、50kPa、75 kPa、100kPa的压力荷载，试验时水平向剪切速率控制为1mm／min［12］，在每一级法向荷载下，实时观测剪应力－剪切位移曲线，当曲线出现峰值且有软化现象、达到稳定的残余强度时停止剪切试验；没有出现明显峰值时，当剪切位移达到15mm后停止剪切试验.

2 试验成果及分析

2.1 剪应力－剪切位移曲线

聚合物透水混凝土与复合膜、HDPE纯膜的剪应力－剪切位移曲线分别如图5中的（a）、（b）所示.由图可知，复合膜－聚合物透水混凝土界面剪应力－剪切位移曲线呈非线性关系，未出现软化现象；而HDPE纯膜－聚合物透水混凝土界面剪切应力－剪切位移曲线出现明显软化现象，剪切应力先随剪切位移的增加而增大，当剪切应力达峰值强度后，随剪切位移的进一步增加，剪切应力开始降低，到达残余强度后保持稳定；在相同法向压力下，聚合物透水混凝土与复合膜界面的抗剪强度高于其与HDPE纯膜界面抗剪强度.

水泥无砂混凝土与复合膜、HDPE纯膜界面剪应力－剪切位移关系曲线如图5中的（c）、（d）所示.从图中可以看出，复合膜与水泥无砂混凝土界面剪应力－剪切位移关系曲线也呈非线性；而HDPE纯膜与水泥无砂混凝土界面剪应力－剪切位移关系表现出轻微的软化现象，界面残余强度略低于峰值强度；在相同的法向压力下，复合膜与水泥无砂混凝土界面的抗剪强度高于HDPE纯膜界面抗剪强度.

表面复合一层细骨料的聚合物透水混凝土与糙面PVC膜的剪应力－剪切位移曲线如图5（e）所示，剪应力－剪切位移曲线在法向应力为25kPa、50kPa、75 kPa时呈现非线性；剪应力－剪切位移曲线在法向应力为100kPa时出现了明显的的振荡现象，总体趋势呈现为非线性.

比较图5中5种界面剪切试验结果还可以发现，对于纯膜与两种垫层料界面的剪切应力－剪切位移关系曲线，在法向压力增大时，曲线的规律性变差，因在高应力状态下，垫层表面的部分骨料刺入纯膜表面，相对于低应力状态下，在较小的剪切位移下，界面剪应力迅速增长，结合试验结束后拆除试样观测结果可知，在高法向压力下剪切过程中HDPE纯膜表面出现了较多划痕，导致材料表面相对于低法向压力下的情况发生了变化，这也就佐证了为什么随着法向压力的增大而试验曲线规律性变差；而复合膜界面的结果在不同法向压力下的试验结果规律性很好，主要是因为在各级竖向荷载下的试验初期复合膜表面长丝织物与垫层的咬合作用并不强，但随着剪切位移的增加，这种咬合作用逐渐加强，界面剪应力逐渐增加；表面复合细骨料聚合物透水混凝土与糙面PVC膜的剪应力－剪切曲线在高法向应力下出现振荡现象，垫层面细骨料与PVC膜表面加糙齿嵌固作用较强，结合试验后的PVC膜试样可以看出在高应力状态下，PVC膜表面的加糙齿破坏得较为严重，这是由于在剪切过程中，垫层不断地克服PVC膜表面的加筋齿剪切移动，当前的加糙齿屈服后，剪应力值略有所下降，随后垫层又会与没有破坏加筋齿相互挤压并且挤压力不断增强，在这一阶段，剪应力表现为随着剪切位移的增加而增大，直至这一加筋齿也屈服破坏，故剪应力－剪切位移曲线表现为振荡的现象.

图5 土工膜－垫层料界面剪切应力－剪切位移关系曲线

2.2 界面强度特性

根据5种界面直剪试验结果与试验数据拟合结果，界面剪切应力与法向应力成近似线性关系，拟合结果符合摩尔库伦强度准则，得到五种界面强度参数如图6和表3所示.分析图6和表3可以发现：

1）复合土工膜与两种垫层界面抗剪强度高于纯膜与两种垫层界面的抗剪强度，主要是由于复合膜表面的无纺土工织物与两种垫层材料之间摩擦系数较大，此外由于无纺针刺土工织物表面比较蓬松，所以形成的凝聚力也较大.

2）聚合物透水混凝土和无砂混凝土与复合土工膜、纯膜界面抗剪强度差别不大，聚合物透水混凝土界面抗剪强度略低；虽然聚合物透水混凝土和水泥无砂混凝土均采用相同的粗骨料，但由于聚合物透水混凝土中粗骨料表面裹着一层胶体，表面相对比较光滑，而水泥无砂混凝土表面裹着水泥浆，表面较粗糙.

3）表面复合细骨料聚合物透水混凝土与加糙PVC膜的界面抗剪强度比HDPE纯膜与聚合物透水混凝土的高，主要是由于聚合物透水混凝土表面细骨料与PVC膜的加筋齿嵌固作用较强的原因.

4）从5种界面抗剪强度组成来看，表面复合细骨料聚合物透水混凝土－加糙PVC膜、聚合物透水混凝土－复合膜、水泥无砂混凝土－复合膜、水泥无砂混凝土－HDPE纯膜4种界面的凝聚力较大，而聚合物透水混凝土－HDPE纯膜界面凝聚力很小，主要是因为HDPE纯膜和聚合物透水混凝土表面均较光滑而无法形成凝聚力.

图6 不同工况下界面抗剪强度曲线

表3 界面强度参数

3 结 语

1）HDPE纯膜与两种垫层界面的剪应力－剪位移关系具有不同程度的应变软化特征，界面峰值强度高于残余强度；而复合土工膜与两种垫层界面的剪应力－剪切位移关系无明显软化现象.

2）复合膜与两种垫层界面抗剪强度高于其他膜与两种垫层界面抗剪强度.

3）两种垫层材料与复合膜、HDPE纯膜界面抗剪强度差别不大，聚合物透水混凝土垫层界面抗剪强度略低.

4）聚合物透水混凝土－糙面PVC膜、聚合物透水混凝土－复合膜、水泥无砂混凝土－复合膜、水泥无砂混凝土－HDPE纯膜几种界面的凝聚力较大，而聚合物透水混凝土－HDPE纯膜界面凝聚力很小，在不影响聚合物透水混凝土透水性能的前提下，可以在聚合物透水混凝土与加糙膜的接触面复合一层细骨料，以提高聚合物透水混凝土垫层与膜的咬合力.

图7 聚合物透水混凝土抗压试验典型荷载－位移关系曲线

综上可知，对于采用复合土工膜为前置防渗体并且坝坡比为1∶1.47的高堆石坝，聚合物透水混凝土垫层能够满足抗滑稳定性要求，由于聚合物透水混凝土透水性能满足膜下缺陷渗漏排水要求［13］，聚合物透水混凝土即使在达到其抗压强度峰值后，仍具有较高的残余强度，并保持较好的完整性，其抗压试验典型荷载－位移曲线见图7所示，比较适合作为高堆石坝防渗土工膜的透水垫层.

［1］ 束一鸣，李永红，较高堆石坝膜防渗结构设计方法讨论［J］.河海大学学报，2006，34（1）：60－64.

［2］ 《土工合成材料工程应用手册》编写委员会.土工合成材料工程应用手册［M］北京：中国建筑工业出版社，2000：466－470.

［3］ 戴林军，堆石坝面膜防渗结构聚氨酯无砂混凝土垫层工程特性［D］.南京：河海大学，2012.

［4］ 王桂娟，复合土工膜在严寒地区水库建设的应用［J］.东北水利水电，2009（12）：14－15.

［5］ 徐 超，廖星樾，叶官宝等，土工合成材料界面摩擦特性的室内剪切试验研究［J］.岩土力学，2008，29（5）：1285－1289.

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［11］滕兆明，束一鸣，吴海民，等.无砂混凝土垫层配合比及力学性能试验研究［J］.人民黄河，2012，34（10）：139－141.

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［13］孙叶芝，戴林军，常广品，等.高分子聚合混凝土作为高堆石坝防渗垫层的液胀抗渗及渗漏排水试验［J］.水电能源科学，2013，31（17）：67－69.