平原水库防渗膜下气胀现象产生机制现场试验研究

袁俊平 ，曹雪山 ，和桂玲，王 豹 ，刘英豪，殷宗泽

（1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2. 河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；3. 山东省水利勘测设计院，济南 250013）

1 引 言

平原水库大多建于软土地基，地层渗透性通常较大，筑坝土料抗渗性能也较差[1]，为了保证工程安全和工程效益，平原水库建设中必须采取相应防渗措施。土工膜全库盘防渗技术是平原水库常见防渗措施之一，在工程中已有广泛应用，如胜利水库[2]和夹山子水库[3]就采用了这种防渗技术，较好地解决了渗漏问题。然而，有些平原水库出现了土工膜浮托、胀破等现象[4]，如山东省淄博市新城水库全库铺塑约1.0 km2，因气胀破坏导致严重渗漏[5]；济南市玉清湖水库北店子沉砂池坝坡铺设复合土工膜，坝前10 m范围内出现严重气胀破坏[6]。这种破坏给工程维护带来极大困难，并大大增加了工程运行成本，急需专门研究解决。国内外一些学者对防渗结构中土工膜下气场问题进行了研究：美国工程师Gross[7]和Stone[8]等讨论了填埋场防渗系统中土工膜下液气压力现象，保华富等[9]提出布置排水暗沟和逆止阀解决膜下液气的顶托作用。然而，膜下压力的产生机制和条件及其分布变化规律等仍然未完全搞清，采取工程措施时尚缺乏理论指导，设计和施工还只能依赖于工程经验。

为探求上述问题的答案，更好地指导工程实践，笔者开展了理论分析和现场试验研究。

2 膜下气胀现象产生机制

从理论上分析，引起膜下气压升高，导致膜下出现气胀现象的可能因素主要有以下3种（见图1）。

2.1 地下水位抬升

受施工条件的限制，通常在较为干燥的环境下（常在旱季）进行水库的施工和防渗膜的铺设，此阶段地下水位较深，土工膜以下、地下水位以上的土层处于非饱和状态，即土体中不仅含有孔隙水，还含有大量的孔隙气。运行（或雨季）时地下水位上升，挤压非饱和土层中气体，而其顶面受土工膜阻隔，气无法排出，体积压缩，气压力增加，于是形成库区内膜下气场。

2.2 库水位快速降低

水库蓄水使地基土受竖向的水荷载作用，膜下地基土压缩，产生超静孔隙压力。当水位下降时，非饱和地基土减压回弹，但回弹量远小于压缩量，孔隙中的气体得不到充分膨胀，气压也就来不及跟随膜上水荷载的降低而迅速降低，此时气压有可能超过上覆荷载。

2.3 围坝填筑

围坝分层填筑后，非饱和围坝填筑土体内气压、水压随填筑高度增加而增长。靠近土坝的部分，受到坝体的荷载，产生应力增量，在较短时间内未达到固结完成，因而存在一定的孔隙气压力。

图1 膜下气胀现象产生机制示意图Fig.1 Schematic diagram of mechanism of air pressure increasing under geomembrane

3 现场试验概况

为了验证上述膜下气胀现象产生机制，确定主要影响因素，进一步揭示膜下气场分布规律，进而提出合理有效的处治对策，笔者在山东省德州市大屯水库开展了现场试验。

3.1 工程地质概况

大屯水库位于山东省德州市武城县恩县洼东侧，是南水北调东线第1期工程山东境内的调蓄水库之一，是山东省鲁北输水工程的重要组成部分，水库总占地面积为6.489 km2。

库区内广泛分布第四系全新统堆积层，浅部以砂壤土、裂隙黏土、壤土为主（埋深一般小于10 m），夹有零星壤土和粉砂，厚度变化较大，分布不均匀；较大埋深处以粉细砂和中细砂为主（埋深一般大于10 m）。

库区地下水位以上土层平均饱和度为 86.9%～94.0%，属较高饱和度的非饱和土。孔隙气被水封闭以气泡形式存在，只能随水一起流动，可将孔隙水和孔隙气看成一种混合流体[10]。地下水类型为孔隙潜水，地下水位埋深一般为1.10～1.80 m，同时库区内地下水位变化幅度较大。坝址区各土层渗透系数为 0.089～13.60 m/d，属中等～强透水性，无相对不透水层。

3.2 现场试验区布置

试验区呈矩形布置，外围尺寸为80 m×130 m。从试验区最外围向内依次布置φ500 mm水泥土深层搅拌桩（埋深为7.0 m）、排灌水沟（深为1.0 m）及排灌水井（埋深大于10 m，间距分别为10 、15 m）、围坝（高为2.0 m，内外坡均为1:1.5）、库区。

试验库区净尺寸为50 m×100 m，中部在原地面基础上开挖1 m，中部与东西两侧连接过渡段坡度为1:10。试验库区分两个亚区，其中A区不设置膜下排气设施，B区设置排气措施（在库区中部沿南北方向设一道排气盲沟，深约 0.5 m，沟内铺设透气软管连接至试验区围坝顶，用中粗砂回填）。整个试验库区内铺设两层土工膜直至围堤顶部，下层为一布一膜，土工布朝下，上层为光膜，两层土工膜厚度均为0.25 mm。

设置水泥土搅拌桩防渗墙是为了独立控制两个试验区地下水位变化，隔断两试验区之间及试验区与外界地下水的连通性。通过向排灌水沟和水井内注水或抽水来达到抬升或降低试验区内地下水位的目的。膜上所施加荷载大小变化则是通过调整膜上水位来实现的。试验区布置情况详见图2(a)。

3.3 观测仪器埋设布置

验证膜下气胀现象产生机制，研究各工况下膜下土中孔隙压力大小、分布及其变化情况，分别在两个试验亚区中部、边界等不同位置布置了测点，重点监测土中孔隙流体压力和地下水位的变化。采用了秦岭CYG130系列高精度压力传感器，可实时动态采集土体中孔隙压力变化，量程为 0～50 kPa或0～100 kPa，精度为0.5 kPa。观测仪器埋设布置情况见图2(b)。

图2 试验区及仪器布置图（单位：m）Fig.2 Layout of test field and investigation instruments (unit: m)

4 现场试验方案

本次现场试验对前述引起膜下气胀现象的各影响因素进行了模拟，重点模拟了膜上荷载不同、地下水位以不同幅度、不同速率快速抬升的工况，具体试验方案见表1。

试验条件控制如下：①膜上荷载控制：通过水泵向试验库区内注水，如水深10 cm，则膜上荷载为1 kPa。②地下水位快速抬升控制。在A区和B区周围的排灌水沟内分别放置水泵，向排灌水沟内快速注水并保持沟内的水位。③地下水位抬升速率控制：通过控制单位时间内向沟槽内注水的水量来控制地下水位抬升速率。④地下水位涨幅控制。通过水位计量测库区周围水井和坝体坡脚处水位孔内水位来控制地下水位的涨幅情况。⑤初始地下水位控制。每组试验前均先由试验区四周抽排水井进行降水，使试验区地下水位低于试验区清基面以下3 m。

表1 试验方案Table 1 Test schemes

根据孔压计测读结果并结合钻孔取土含水率测试结果综合判断试验是否达到稳定状态。

地下水位变化控制检验时利用试验区内及周边20个临时观测孔对地下水位变化情况进行监测。结果表明，持续降水约7～10 d后，观测孔内地下水位埋深一般均超过 5.0 m，且基本保持稳定；停止降水1 d后，地下水位缓慢回升，但仍能保持埋深超过 3.0 m，且各观测孔地下水位基本相同；试验区四周沟槽持续保持满水条件下，试验区内地下水位可在24 h从埋深3.0 m处抬升至地表附近。可见，试验布置方案较好地实现了控制地下水位的升降，基本避免了外围地下水位的影响。

5 试验结果与分析

以下分别分析不同工况条件下试验结果。需要说明的是，由于土体饱和度较高，这里孔压计测读的实际上是土中孔隙（混合）流体压力的大小。而混合流体压力um与孔隙水压uw及孔隙气压ua间有关系[10]：

式中：χ为有效应力系数，可用Aitchison经验公式近似计算[11]：

式中：Sr为饱和度。

可见，孔压计读数反映了土中孔隙气压的大小，即孔压计读数越大，土中孔隙气压也越高。

5.1 库区气场分布规律

图3给出了工况a-1时试验区部分测点处孔压计读数随试验历时变化曲线。其中图例编号规则为“探头位置+埋深”，如“AP5-0.2”为测点AP5处埋深为0.2 m的孔压探头。其中测点AP5、BP5位于试验区长轴靠近A、B区分界处，测点AP1、BP1分别位于试验区长轴东西两端坡顶（靠近围坝处），测点AP2、BP2分别位于试验区长轴东西两侧过渡段坡面中部，测点AP3、BP3分别位于两试验亚区中部，测点AP6、BP6分别位于试验区长轴方向围坝坡脚靠近边界处，测点AP7、BP7与测点AP6、BP6在平行于试验区短轴的直线上。

由图可以看出：

（1）孔压计读数随地下水位快速抬升而变化，该过程曲线呈现为“S”形，可分为3个阶段：①初始段：约0.5～2.0 d，这一阶段孔压计数值几乎保持不变；②增长段：约2.0～3.0 d，此时孔压计读数快速增长；③稳定段：孔压计读数缓慢增长并最终趋于稳定。

（2）埋深较大处（3.0、1.0 m）孔压计读数在增长段的增长速率基本相同，均大于同一平面位置埋深较浅（0.2 m）的孔压计读数的增长速率（见图3(a)）。

（3）地下水位快速抬升，靠近边界处测点（AP6、BP6）的孔压计读数开始增大时刻早于试验区中部测点（AP2、AP3、BP2、BP3），且增长速率和增大幅度均较大，相应地，达到稳定时的数值也略大（图3(b)、3(c)）。

图3 孔压随时间变化曲线（a-1，膜上荷载1 kPa）Fig.3 Curves of pore pressure vs. time (Case a-1,loading upon: 1 kPa)

5.2 地下水位抬升速率的影响

图4给出了工况a-2（B区地下水位抬升快于A区）时库区AP1、BP1测点和AP2、BP2测点不同埋深处孔压计读数随试验历时变化曲线。

图4 孔压随时间变化曲线（a-2，膜上荷载11 kPa）Fig.4 Curves of pore pressure vs. time (Case a-2,loading upon: 11 kPa)

可以看出，地下水位快速抬升，当埋深不超过1.0 m时，B区孔压计读数增长速率大于A区，但最终达到稳定后读数趋于相同（见图4(b)，在11月6日至11月9日这段时间内，BP2-1.0读数的增长速率大于AP2-1.0，在11月9日至11月17日，两个孔压计的读数趋于相同数值，约为10.8 kPa）；而埋深较大（3.0 m）时，不同地下水位抬升速率条件下孔压计读数增长速率及最终稳定读数几乎不变。

可见，地下水位抬升速率对浅层土中的孔隙压力增长快慢有一定影响，地下水位抬升速率越大，孔隙压力增长速率也越大，而对土中孔隙压力最终稳定读数影响较小。

5.3 地下水位抬升幅度的影响

图5给出了工况a库区测点AP1、BP1和AP3、BP3处不同埋深的孔压计读数随试验历时变化曲线。其中测点AP1、BP1处地表高程高于AP3、BP3测点处地表高程，因此，两处相同埋深处测点所对应的地下水位抬升幅度不一样，测点AP1、BP1地下水位抬升幅度小于测点AP3、BP3处。

可以看出：

（1）土中相同埋深处孔隙压力值测点AP3、BP3的比AP1、BP1的要大。这是因为测点AP3、BP3地下水位抬升幅度较大，从而形成较大的孔隙压力增长。

（2）测点AP3、BP3处不同埋深孔压计的稳定读数均超过该点相同埋深的静孔隙水压和膜上荷重之和，膜下压力会使土工膜浮起；而AP1、BP1埋设点处，不同埋深处孔压计读数均小于相同埋深处静孔隙水压，可知土工膜可保持稳定。

可见，地下水位抬升幅度影响膜下土中孔隙压力变化大小。地下水位抬升幅度较大，膜下土中的孔隙压力增长幅度也较大；反之，则较小。

图5 不同地下水位抬升幅度时孔压时程曲线（a-1，膜上荷载1 kPa）Fig.5 Curves of pore pressure vs. time for different rising amplitudes of groundwater levels (Case a-1,loading upon: 1 kPa)

5.4 膜上荷重的影响

图6给出了3种试验工况下试验区库底土工膜是否隆起的观测照片。

由图可以看出：库区内膜上荷载为1 kPa时，整个库区内膜下出现多处大小不等的气泡聚集区；而膜上荷载为11 kPa和6 kPa时，未出现膜被顶托浮起的现象。可见尽管膜下土中孔隙（混合）流体压力随地下水位抬升而增大，若膜上荷载较小，就会出现土工膜气胀现象；但膜上荷载较大时，土工膜仍能保持稳定，膜下土中孔隙（混合）流体压力将随时间逐渐消散。

图6 不同膜上荷重下膜状态观测照片Fig.6 Photos of geomembrane status subjected to different uploads

膜下土中孔隙压力观测结果验证了上述分析。图7给出了工况a-1、a-2（膜上荷载分别为1 kPa和11 kPa），测点AP7、BP7处的孔压计读数随试验历时变化曲线。

由图可以看出：

（1）图 7(a)中不同埋深的孔压计稳定数值均超过该点相同埋深的静孔隙水压和膜上荷载之和，土工膜会出现浮托现象；而图7(b)中不同埋深的孔压计稳定数值则均小于该点相同埋深的静孔隙水压力和膜上荷载之和，膜下孔隙压力不足以托起土工膜，土工膜保持稳定。

（2）比较相同埋深处孔压计读数，图7(b)中孔压计稳定数值比图 7(a)中孔压计稳定数值大，表明膜上荷载较大时引起土体中的超静孔隙压力也较大，且短时间内来不及消散。

由以上分析可知，膜上不同荷载对膜下土中的孔隙压力变化大小及膜的稳定性有较大影响。当快速蓄水（加荷）时，荷载越大，引起土中超静孔隙压力越大。膜上压重较大，且超过膜下土中超静孔压时，膜可保持稳定。因此，需要设置足够的压重来保证膜的安全稳定。

图7 不同膜上荷重时孔压随时间变化曲线Fig.7 Curves of pore pressure vs. time subjected to different uploads

5.5 其他因素影响比较

表2给出了围坝填筑前后以及水库蓄水过程中（工况b）库区内不同测点处孔压计读数变化情况。可以看出，坝体填筑期以及水库蓄水过程中，土中孔压总体上略有增大，但增大幅度很小，最大增大0.2 kPa。

上述观测结果表明，围坝填筑及水库蓄水过程中膜下孔压基本保持不变。分析其原因：

（1）现场试验中围坝填筑高度和库水位均较小，围坝填筑及水库蓄水所引起的超静孔隙压力也较小；

（2）受施工因素等影响，围坝填筑完成到开始铺膜间隔时间略长，铺膜前土中超孔隙压力已经基本消散。

表2 围坝填筑及水库蓄水前后孔压变化Table 2 Pore pressures before and after embankment construction and reservoir filling

水库快速降水时（工况 c）库区内不同测点处孔压计读数变化幅度也不大（见表3）。当库水位快速降低50 cm（膜上荷载减小5 kPa）时，土中孔压总体上呈减小趋势，最大减小值为1.3 kPa。尽管膜下压力值有所减小，但靠近库区中心处（如测点AP5、BP3、BP7）压力值的减小幅度接近或略小于膜上荷载减小幅度，最终膜下压力值接近或略大于膜上荷载与静水压之和，膜处于被顶托状态。

表3 库水位快速降低前后孔压计读数变化Table 3 Pore pressures before and after reservoir water quick reduction

5.6 排气盲沟作用效果

试验过程中，当发现膜下有气体聚集形成气泡时，测读B区排气管上连接的压力计，结果表明，压力计读数仅有0.1 kPa左右的增加量；打开排气管上的控制阀门，发现从排气盲沟排出的气体流量很小，经历2～3 d后，膜下气泡体积减小不明显，相应各测点处孔压计读数也基本保持不变。这说明排气盲沟作用效果不佳，其原因可能是整个试验过程中膜下压力总体上量值较小，难以形成较大的压力梯度，膜下聚集气体不能被快速引排到排气盲沟中。

6 结 论

（1）地下水位抬升、库水位快速降低、围坝填筑等因素会引发膜下气胀问题，试验结果验证了膜下气胀现象的发生。

（2）地下水位抬升时，膜下孔隙压力增长过程呈“S”形，靠近边界处和埋深较浅处变化较快，远离边界处孔隙压力最终增长幅度较大。

（3）地下水位抬升是引起膜下孔隙压力升高的关键因素，其中地下水位不同上升速率对膜下孔隙压力升高快慢有一定影响：水位上升速率越快，膜下孔隙压力增长也越快，反之则较慢；地下水位不同，抬升幅度对膜下孔隙压力大小有影响：抬升幅度越大，膜下孔隙压力增长越大。

（4）快速加载时，增大膜上荷载会引起膜下孔隙压力增加，设置一定的荷载可较好地防止膜顶托或胀破。需要开展进一步试验研究验证合理有效的膜下排气措施。

[1]杜辉. 平原水库土工膜防渗技术研究与应用[硕士学位论文D]. 南京: 河海大学, 2006.

[2]侍克斌, 李玉建, 马英杰, 等. 土工膜全库盘防渗技术在胜利水库的应用及有关问题探讨[J]. 水利水电技术,2005, 2(11): 143－144.SHI Ke-bin, LI Yu-jian, MA Ying-jie, et al. Discussion on application of anti-seepage for whole bottom of Shengli reservoir with geomembrance[J]. Technology on Water Resources and Hydropower, 2005, 2(11): 143－144.

[3]易太平, 陈朋申. 土工膜用于全库盘防渗设计与施工[J]. 防渗技术, 1999, 3(1): 25－27.

[4]姜海波. 库盘大面积土工膜防渗结构在运行中的抗裂研究[D]. 乌鲁木齐: 新疆农业大学, 2009.

[5]王薇, 崔化宇, 李国伟. 水平铺塑在新城水库库区防渗中的应用[J]. 人民黄河, 2003, 25(9): 38－39.

[6]徐瑞兰, 翟寅章, 刘英豪. 裂隙黏土在玉清湖水库工程中的应用[J]. 山东水利, 2000, (5): 25－26.

[7]GROSS B A, BONAPATE R, GRIOUD J P. Evaluation of flow from landfill leakage detection layers[C]//Proceedings of the Fourth International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products. Hague:Taylor & Francis Inc., 1990: 481－486.

[8]STONE J. Leakage monitoring of the geomembrane liner for the proton decay experiment[C]//Proceedings of the International Conference on Geomembranes. Denver:IFAI Publishers, 1984: 475－480.

[9]保华富, 杜联凡, 谢正明. 复合土工膜在岩溶库区补漏加固中的应用[J]. 水利与建筑工程学报, 2004, 2(1): 20－22.BAO Hua-fu, DU Lian-fan, XIE Zheng-ming.Application of com-geomembrane in leakage blocking and strengthening in karst reservoir area[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2004,2(1): 20－22.

[10]曹雪山, 殷宗泽. 非饱和土二维固结简化计算的研究[J].岩土力学, 2009, 30(9): 2575－2580.CAO Xue-shan, YIN Zong-ze. Simplified computation of two-dimensional consolidation of unsaturated soils[J].Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(9): 2575－2580.

[11]殷宗泽. 土工原理[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2007: 350－364.