堆石坝用土工膜锚固部位布设形式优化设计

苏亮

（湖南水利水电职业技术学院 长沙市 410131）

引言

我国从20世纪80年代开始，在岩土和水利工程中开始应用土工膜作为主要防渗材料。土工膜具有防渗性能好、适应变形能力强、施工周期短及造价低等优点[1]。伴随着科技的进步与工程建设的需要，混凝土防渗墙与土工膜联合防渗作为一种新型的防渗体系在堆石坝工程中得到了广泛的应用[2～3]。

防渗体系作为堆石坝工程的核心部位，在工程应用中发挥着至关重要的作用[4～7]。而在工程实际中，防渗墙与土工膜在锚固部位（图1），往往由于二者的差异沉降或不平衡位移，出现常见的“夹具效应”，从而导致土工膜在锚固部位附近发生拉伸破坏而渗漏，进而影响整体工程的安全应用。因此，很有必要针对土工膜与防渗墙锚固部位膜的布设形式进行优化设计，以确保堆石坝中防渗墙与土工膜联合防渗体系的安全运行。

图1 防渗墙与土工膜锚固部位示意图

1 优化设计方案及布设原则

1.1 布设原则

在传统的堆石坝膜防渗工程中，土工膜与防渗墙在锚固部位采用水平布设的方式（方案1），如图2所示，土工膜直接锚固在防渗墙的顶部，然后沿坝基的延伸方向水平铺设。这是一种常规的布设方式，坝体在运行过程中坝基和混凝土防渗墙之间往往会发生较大的差异沉降，尤其对深覆盖层上的坝体而言这种差异变形更大，土工膜在锚固端部极小部位往往由于这种差异沉降作用发生拉伸变形，乃至拉伸破坏，一些学者称这一现象为土工膜的“夹具效应”。

图2 土工膜锚固区常规布设方案

针对堆石坝防渗工程中土工膜锚固端部的“夹具效应”问题，工程设计人员提出了在土工膜锚固部位采用伸缩节式的土工膜铺设方法，并给出了两种Z字形的土工膜布设方案2、方案3（图3）。这两种方案在以往的工程中曾被采用，但是目前针对这种伸缩节的布设方式仍然存在一些争议，认为该方案不能解决土工膜在锚固端的“夹具效应”问题。笔者认为在防渗墙锚固区域土工膜的布设应满足两个原则：第一，伸缩节的布设应该能够适应在坝体运行中防渗墙与其附近坝基之间的不均匀沉降；第二，土工膜锚固区域的伸缩节在坝基与防渗墙之间发生差异沉降的同时，能够顺利打开，且能保证该区域的土工膜处于冗余或者小变形状态。

图3 “Z”字形土工膜布设方案

1.2 优化设计方案

由于堆石坝工程中，混凝土方向防渗墙由于材料刚度较大在水荷载的作用下沉降量较小，而土工膜覆盖部位的坝基土体材料沉降量相对较大，结合上述两个布设原则，笔者从理论可行的角度提出了以下几种土工膜锚固端布设方案，如图4所示，先分述如下：方案4为一种上折线形布设方式，土工膜在锚固部位的端部向上折起，以此适应锚固部位近端的不均匀沉降；方案5为一种上折波形的布设方式，这种波浪形的布设方式旨在缓冲结构差异沉降的同时，能够使波浪跟随坝基沉降不断展开，以使土工膜有较多的冗余量，避免发生拉伸破坏；方案6为上梯形的布设方式，该种方式在锚固区域初始的折线位置添加了一个水平段然后又折下，旨在将差异沉降局限在距锚固区域相对较小的范围内；方案7为向上的正三角布设形式，该种方式与上一方案相同，目的是为了进一步缩小伸缩节的布设区域，减少对后面土工膜的影响。

图4 锚固区域优化设计方案

2 布设方案对比分析

为了验证常规土工膜铺设方式中“夹具效应”的存在，并探究Z字形伸缩节及笔者提出的锚固区域土工膜布设方案，在缓解土工膜锚固端“夹具效应”中的有效性，笔者借助二维有限元数值计算软件，对上述三种方案进行了数值模拟计算，以探究土工膜在不同状态下的力学特性和变形情况。

2.1 数值模拟

数值计算中选取土工膜锚固区域的部位进行分析，所选结构区域如图5所示，将区域二维有限元模型划分为5个部分，即保护层、土工膜、垫层、下层土体、混凝土防渗墙。其中，混凝土材料采用线弹性本构模型，保护层、垫层、及下层土体均采用摩尔-库伦本构模型，土工膜采用线弹性本构模型。同时，为了直观地定性分析土工膜锚固区域膜材料的变形情况，笔者在数值计算过程中，对土工膜一层采用常用的等效计算的方法，即增大材料厚度的同时降低材料的弹性模量。

图5 数值计算区域分区图

数值计算过程中，在模型的右侧施加横向和纵向固定约束，在模型底部施加横向和纵向固定约束，在模型左侧施加横向固定约束，纵向自由约束，在模型顶部距离混凝土防渗墙m的范围内施加50m水荷载，用于模拟坝体运行过程中材料顶部的水荷载作用。整个计算过程只进行静力分析，不考虑工程的渗流等因素。经过数值计算后得到土工膜锚固区域不同布设方案在相同荷载作用下变形后的效果图如图6～图9。

图6 方案1数值计算结果图

图7 方案2、方案3数值计算结果图

图8 方案4、方案5数值计算结果图

图9 方案6、方案7数值计算结果图

通过上述计算结果定性的对比分析可知，在方案1中土工膜在锚固区域发生了较大的拉伸变形，出现了所谓的“夹具效应”，以往工程中采用的方案2、方案3中，所布设的这种Z字形的伸缩节并没有由于不均匀沉降打开，而是在上部水荷载的作用下被挤压在了一起，“夹具效应”同样存在，而笔者提出的方案4～7中，土工膜在锚固部位的伸缩节都在坝体和防渗墙不均匀沉降的作用下顺利打开，有效地避免了“夹具效应”的发生。

2.2 指标评价

为了对上述各种优化方案进行有效的量化对比分析，准确合理地选择出最优的布设方案，在参考前述两个主要布设原则的基础上，初步拟定了3个评价指标，用于描述不同布设方案在相同荷载条件下土工膜伸缩节的力学状态，指标符号及其说明如附表。附表 优化指标计算公式及说明

?

上述3个指标中，指标X1能够对应土工膜锚固区域布设标准的两个重要准则，作为评价锚固区域土工膜变形量的主要因素，在各种方案的对比分析中发挥着至关重要的作用。根据有限元软件的数值计算结果，通过数据处理分析可得不同方案的土工膜应变率指标X1的值（图10）。

图10 指标X1柱状图

由图10中数据可知，方案1中土工膜发生拉伸应变，应变率为2.94%，在锚固区的微小区域内存在“夹具效应”；方案2和方案3同样发生了拉伸应变，应变率分别为5.6%和4.82%，这种Z字形布设方式在局部的拉伸应变较常规的布设方式拉伸应变增大很多；由图中数据可以看出，方案4、方案5、方案6、方案7在相同荷载条件下的应变率为负值，这说明对应方案的土工膜伸缩节不但没有发生拉伸变形，反而还受到挤压作用产生部分的冗余，我们暂且称之为“冗余率”，可以看出方案5的冗余率最大，方案6次之，方案4、方案7冗余率最小。

为了进一步对比分析土工膜具有冗余的四组方案的优劣，通过数据处理得到四组方案对应的材料大主应力最值比指标X2和大主应变最值比指标X3的值如（图11、图12）。

图11 指标X2柱状图

图12 指标X3柱状图

通过图11、图12中数据可以看出，就指标X2而言，方案4、方案5的值相对较大，材料应力分布较均匀，方案6、方案7的均匀性相对较差；就指标X3而言，方案5、方案7的值相对较大，材料受力后变形越均匀，方案4、方案6的均匀性相对较差。

2.3 目标函数分析

由各指标数据对比分析可以出，四种新的布设方案在不同的指标方面各有优劣，为了全面综合地评价四组方案的优劣，笔者采用自定义目标函数F的方法对各组方案进行评价，该目标函数值越大，说明设计方案越好，相反则越差。目标函数F的具体表达式为：F=-α1X1+α2X2+α3X3

其中，X1、X2、X3为综合性评价指标，α1、α2、α3为各个指标的对应权重，根据各个指标的重要性，各指标权重初步设定为α1=0.6、α2=0.2、α3=0.3，及指标X1较指标X2和指标X3相对重要一些，指标X2和指标X3具有同等的重要性，通过数据处理可得不同方案在相同荷载条件下的目标函数值如图13所示。

图13 目标函数柱状图

通过目标函数值F的对比分析可知，方案5、方案7目标函数值分别为0.272和0.259，在4个方案中相对较大，设计方案较优；方案4和方案6目标函数值分别为0.227和0.218，相对较小，设计方案适应性较差。

3 结论

本文首先讨论分析了土工膜防渗堆石坝坝防渗体系中土工膜与防渗墙锚固部位常规的布设方法，及其在应用过程中容易发生破坏的具体原因；其次，就防渗墙锚固区域土工膜的布设原则进行了详细的阐述，并从理论可行的角度提出了4种布设方案；最后，借助有限元软件对相同荷载条件下不同布设形式的力学特性进行了对比分析，并通过目标函数的形式进行了综合评价。结果表明，4种布设方式均能适应防渗墙与土工膜锚固区域的差异沉降，其中方案5与方案7相对较优，方案4与方案6相对较差，这一结果可供工程实际与科研提供有效的参考依据。

[1]《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（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[2]顾淦臣.复合土工膜或土工膜堤坝实例述评[J].水利水电技术，2002，33（12）:26-32.

[3]顾淦臣.复合土工膜或土工膜堤坝实例述评（续）[J].水利水电技术，2003，34（1）:55-61.

[4]岑威钧,沈长松,童建文.深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝筑坝特性研究[J].岩土力学，2009，30（1）:175-180.

[5]李波,程永辉,程展林.深溪沟水电站上游围堰渗流稳定计算结果分析[J].中国农村水利水电，2012，34（11）:2081-2086.

[6]张优秀,徐威,王均星.围堰防渗墙与复合土工膜联接型式离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2011，5:169-171.

[7]张自顺.复合土工膜在景洪水电站二期围堰防渗中的应用[J].陕西水利，2009，（1）:97-98.