软岩堆石高坝土工膜防渗技术

宁　宇，喻建清，崔留杰

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)



软岩堆石高坝土工膜防渗技术

宁宇，喻建清，崔留杰

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

以目前世界上最高、软岩填筑比例最大的老挝南欧江六级水电站的土工膜面板堆石坝工程为依托，研究了土工膜选型、上保护层及下支持层设计、土工膜与周边结构连接设计分析、监测方案等内容，建立了系统的堆石坝土工膜面板防渗设计流程、体系和方法。土工膜防渗在南欧江六级水电站中的成功应用，为100 m级堆石坝工程提供借鉴，为筑坝材料缺乏地区的坝体防渗设计提供了新的选择。

土工膜面板堆石坝；软岩填筑；防渗设计；土工膜与周边结构连接；南欧江六级水电站

0　引　言

从1959年意大利将橡胶运用于Sabetta坝体防渗开始，土工膜在坝体防渗中使用历史已经超过50年。20世纪80年代以后，欧美各国将土工膜广泛运用于坝体防渗，我国在土石坝除险加固、尾矿坝、库盆防渗、施工围堰等工程中也较为常用[1]。根据国际大坝委员会(ICOLD)统计数据，至2003年6月全球有超过232座大坝采用土工膜防渗，其中大部分为碾压混凝土坝和混凝土坝防渗改造[2]。

国内采用土工膜防渗的土石坝具有代表性的有塘房庙土工膜心墙坝、石砭峪沥青混凝土斜墙坝(后期采用土工膜修复)、钟吕土工膜面板坝、西霞院土工膜斜墙坝、仁宗海土工膜面板坝等[3- 7]。国外较具代表性的工程有阿尔巴尼亚1996建成的Bovilla复合土工膜面板堆石坝(土工膜防渗56 m)[8]。随着材料技术的飞速发展，土工膜的耐久性及抗老化问题已不再是制约其使用的关键因素，然而由于种技术难题和其他原因，目前世界上仍无100 m级的堆石坝采用土工膜进行上游面防渗。

南欧江六级水电站属于二等大(2)型工程，土工膜面板堆石坝设计坝高88 m(后调整为85 m)，总填筑量193万m3，板岩填筑量157万m3，软岩填筑比例高达81%，是世界上最高的土工膜面板堆石坝，也是软岩填筑比例最大的面板堆石坝。

目前，国内外相关规范并未对土工膜堆石坝设计做明确规定。国内相关规范也仅对“水头≤50 m”或“1、2级低坝与3级及其以下中坝”经论证可采用土工膜防渗做出相关规定[9- 11]。南欧江六级土工膜面板堆石坝已经大大突破了相关规范，也无类似工程实例，且土工膜铺设于软岩坝体表面，其受力状态更加复杂和不利。为确保工程安全可靠，必须从土工膜选型到细部设计进行了系统全面的分析研究，建立完善的分析方法和设计流程。

1　土工膜防渗体分析与设计

1.1土工膜面板坝设计的关键与流程

土工膜堆石坝设计主要关注以下几点：①土工膜的选型；②土工膜下支持层及上保护层设计；③土工膜与周边结构的连接。土工膜防渗系统设计过程中，坝坡、膜材、锚固方式、下支持层、上保护层设计高度交叉，不同的选择需对应不同的方案。南欧江六级土工膜防渗设计流程如图1所示。

图1　南欧江六级土工膜防渗系统设计流程

1.2土工膜选型

1.2.1土工膜安全系数

设复合土工膜的极限拉力为Tmax，极限拉应变为εmax，工作拉力为T，工作拉应变为ε，则土工膜的拉力与应变的安全系数KS、Kε分别为：

KS=Tmax/T，Kε=εmax/ε

(1)

考虑了施工、材料蠕变、化学和生物破坏等因素，通常取土工膜的安全系数K≥5。若K<5，则应该重新选择复合土工膜做试验，直到满足要求为止。

1.2.2材料及厚度选择

(1)材料选择。从国内外土工膜防渗工程统计可知，早期的土工膜坝多选用RI(橡胶)及PVC(聚氯乙烯)。随着材料技术的发展，近年来PVC(聚氯乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)及LLDPE(线性低密度聚乙烯)被广泛运用，国内选用PE复合土工膜的工程较多[1- 8]。土工膜选择时应结合坝体高度、坝坡、铺设和锚固措施等综合选定。膜材性能优越可提高工程可靠性，并降低土工膜与周边结构连接的设计难度。另外还应充分考虑所选材料的可施工性，例如PE土工膜超过一定厚度后硬度较大，施工过程若需要弯折则会有一定难度；而PVC土工膜柔性好，但其抗穿刺或抗磨损性又不如PE材料。通过常规的土工膜应力应变关系曲线如图2所示，可知PVC及LLDPE土工膜弹性应变率可超过50%[12]。对需要适应大变形的部位采用土工膜进行防渗时，建议选择PVC或LLDPE复合土工膜，以使得土工膜变形处于其弹性应变范围。

图2　PVC土工膜应力应变关系曲线

(2)厚度选择。工程中常用的基于薄膜理论的曲线交会法是针对坝基或坝体存在裂缝或不同级配的卵石情况下推得的，较适用于砂砾石坝基有裂缝情况下确定膜厚，并未考虑土石坝蓄水后坝体及坝基沉降变形对复合土工膜应力应变的影响，采用该方法求解准确性将受到影响[13]。因此，坝体土工膜选择时应根据有限元分析获得的不同工况下土工膜最大拉应变ε，通过土工膜的拉伸曲线获得该拉应变值ε对应的拉应力T(图3)，将该值带入式(1)计算获得不同工况下土工膜纵横向抗拉安全系数Ks，从而选出安全系数满足要求的复合土工膜。通常情况下，理论计算的膜厚往往较小，而实际运用中倾向于采用厚膜。根据欧美、日本等国家坝体土工膜防渗应用经验，膜厚一般在1 mm 以上，最厚达5 mm[2]。国内泰安抽水蓄能工程采用不同的方法计算膜厚为0.1～0.7 mm，实际选择1.5 mm[14]。Bovllia复合土工膜面板堆石坝，采用了3 mm PVC膜[9]。

图3　有限元应力应变曲线方法

1.3土工膜下支持层与上保护层设计

土工膜与坝体下支持层及上保护层设计要结合坝坡、土工膜上下层、复合土工膜形式及施工方铺设方案进行综合确定。不同土工膜选择，不同的铺设锚固方式，决定了不同的保护层及下支持层设计。

上游坝面土工膜防渗方式，施工方便、效率高，但需要对土工膜耐久性、土工膜上保护层及下支持层间的抗滑稳定及其变形开裂对土工膜的影响进行重点分析。

(1)土工膜下支持层与上保护层抗滑稳定。土工膜与接触层层间抗滑稳定安全系数为

(2)

式中，δ为复合土工膜与接触层之间的摩擦角；α为土工膜的铺放角；c为复合土工膜与接触层的面积粘结力；I为复合土工膜与接触面的粘结长度；W为复合土工膜及其上部压重的重量。通常，确定了土工膜上保护层与下支持层材料后，分析其层间抗滑稳定性。对于不满足要求的情况，需要采取相应的工程手段(刷粘合剂、坝面锚固等方法)以达到规范要求安全系数。

(2)下支持层。下支持层作为坝体的一部分，坝体填筑、蓄水及运行期产生的变形均会通过下支持层作用于土工膜本身，故下支持层的设计显得尤为重要。设计时应重点考虑：①强度。避免水压作用下上游侧产生过大的变形，同时具有一定变形适应性，在大变形条件下不产生开裂错动。②渗透性。避免库水位骤降时，内水顶托土工膜。③材料和级配。避免下支持层在坝体变形开裂时产生尖角对土工膜造成严重破坏。国内束一鸣教授研发了聚合物多孔混凝土，具有较好的物理力学特性，强度高且大变形条件下不易开裂错断，但造价高于传统挤压边墙[14]。根据国内外工程进行汇总，土工膜的下垫层常见材料有：砂、砾、无沙混凝土、垫层料、土工织物、砌石、挤压边墙等。国内常采用垫层或无沙混凝土层作为土工膜的下支持层，这两种材料渗透性较好，且水压作用下能与坝体变形协调。

(3)上保护层。上保护层起到保护土工膜不受阳光的暴晒、防止水位骤降对土工膜的顶托及辅助土工膜抗滑稳定的作用。在已建的土工膜堆石坝中，绝大部分土工膜上部均设置有保护层，常见形式有①粉土层或粉砂层；②浆砌石或堆石；③现浇混凝土护面(Ospedal坝、Bovllia坝)；④预制混凝土板(钟吕坝、栖霞院大坝等)；⑤喷混凝土(捷克，1985，坝高20 m，特纳维卡坝)；⑥挂网喷混凝土(西班牙，Pozade Los Ramos砌石坝)。国内常采用预制混凝土板对土工膜进行保护。预制混凝土板利于排水及土工膜的检修，但铺设过程中容易损坏土工膜，现场施工控制难度大。现浇混凝土一般采用素混凝土，分段浇筑并留缝，缝间采用沥青木板或无纺布充填，缺点是不能进行土工膜的检修，施工过程须严格控制避免损坏土工膜。

1.4土工膜预留变形余量设计

传统的设计方案中，采用土工膜在坝面打折、趾板部位设置伸缩节的方法，以期坝体在变形后土工膜能够有一定的伸缩余量[1，3- 7]。实际上，土工膜打折预留伸缩节的方法非但在水压情况下土工膜不能展开拉伸，且土工膜在打折部位形成应力集中，加速其老化破坏(如图4a、图5a所示)。另外，此类方法在坝坡较陡的工程中施工难度较大，干扰了坝体正常填筑工序(如图4b所示)。

图4　常见的坝坡面变形预留设计

坝体与趾板或周边混凝土结构连接部位土工膜应变大，锚固部位易产生夹具效应[15]。因此，土工膜与周边结构的连接部位土工膜是否能预留一定可变性量以适应坝体的变形与沉降显得尤其重要。工程设计中土工膜伸缩余量预留的设计方法不尽相同。图5a方法缺点如前述；图5b土工膜预留变形设计方法相对较为合理，在坝体受水压沉降后，土工膜预留弯折部位拉伸，减小了土工膜自身的应变量。但图5b中的方法土工膜需要在坝体填筑前与趾板锚固，施工过程中还需要对土工膜进行保护，后期铺设土工膜再次与该部位土工膜焊接，增加了施工难度及一条横向焊缝。

图5　土工膜与周边结构连接方法

2　南欧江六级水电站复合土工膜防渗体系设计

图6　南欧江六级土工膜面板坝坝体设计(单位：m)

南欧江六级水电站采用复合土工膜作为坝体的防渗层，土工膜铺设于挤压边墙上部，后边设置垫层(弱风化砂岩料)、过渡层(弱风化砂岩料)、主堆石(弱风化板岩料)、次堆石区(强风化板岩料)及底部排水体区(弱风化砂岩料)。过渡层及排水体区形成L形排水以使土工膜渗水能顺畅排至下游，保持软岩堆石料处于相对干燥。坝体设计分区如图6所示。

2.1土工膜选型

依据土工膜的试验与坝体应力变形计算成果，复合土工膜厚度应≥1.0 mm。参照国内外类似工程实例，结合市场土工膜常规厚度并分析了施工难易程度，南欧江六级水电站的复合土工膜面板堆石坝选用了CARPI公司SIBELON®CNT 5250型号复合PVC土工膜(3.5 mmPVC+700 g土工布)作为坝体防渗材料，其土工膜标准满足ASTM标准，材料特性优于国内同类产品。

2.2上保护层和下支持层设计

为使南欧江六级水电站坝体施工方便快速，将土工膜直接铺设与挤压边墙表面。需要对土工布与挤压边墙的层间抗滑稳定及挤压边墙的物理力学特性进行分析和设计。

2.2.1抗滑稳定

参考《土工合成材料工程应用手册》，土工织物与混凝土间摩擦系数f=0.65，南欧江六级复合土工膜与混凝土间的抗滑稳定安全系数如表1所示。

表1土工布与混凝土的抗滑稳定计算结果

材料安全系数允许安全系数需增加粘结力/kN·m-2满足要求的坡比土工布与混凝土1.041.351.551∶2.08

由计算成果可知，土工布与混凝土间的抗滑稳定系数低于规范要求，在坝坡不变的情况下需要采取特殊措施以使得复合土工膜与坝面抗滑稳定满足要求。具体措施为：①土工布与挤压边墙间刷沥青等粘合剂增加粘结力以满足抗滑稳定性要求；②采用现浇混凝土板作为上保护层，增加法向力，从而增加抗滑稳定性；③其他施工手段。CARPI公司采用了特殊的土工膜锚固施工方式，每隔6 m设置一个锚固带，锚固带随挤压边墙上升，采用挤压边墙的自重使其固定，坝面土工膜与锚固带焊接(见图7)。采用此方法施工的土工膜抗滑稳定性好，受力均匀，解决了土工膜与坝体间的抗滑稳定问题。

2.2.2下支持层(挤压边墙)

南欧江六级挤压边墙设计与土工膜铺设方案相关，兼具了固定锚固条带、增加锁扣等功能，结合坝体挡水高度，确定挤压边墙的抗压强度为8～10 MPa，渗透系数>10-3cm/s，每米平整度<±2 cm。

未蓄水前，由于坝体变形沉降，1/3坝高部位挤压边墙出现了多条鼓胀裂缝(图8a)；由于坝体中部沉降变形导致坝顶中部至坝高2/3部位挤压边墙出现挤压破碎(图8b)。挤压边墙最大裂缝深度超过了30 cm，宽度约6～9 cm。由于挤压边墙强度较高，错动后形成了尖角和较大碎块，蓄水后水压难以将其压碎(经过现场回弹仪测试，尖角和碎块部位强度>6 MPa)，这些部位的土工膜将会应力集中，严重影响使用寿命。对此，采取切开已铺设土工膜→将碎块取出→砂浆抹平→重新补焊的方法对鼓胀部位进行修复(图8c)。蓄水后在水压作用下，挤压边墙向上游鼓胀的情况得以缓解。

图8　挤压边墙的鼓胀破坏及修补

在未来类似的工程中，挤压边墙的设计需要经过论证，强度高的挤压边墙虽然能减小水压作用下土工膜应变，但坝体变形沉降导致的挤压边墙开裂错动形成的尖角碎块可能对土工膜的威胁更大。

2.2.3上保护层设计

根据不同的土工膜膜材和锚固形式，南欧江六级土工膜上保护层设计了挂纤维网喷混凝土及现浇混凝土板两种形式。当通过措施使得抗滑稳定满足要求的情况下，挂纤维网喷混凝土方式是较好的土工膜上保护层设计方案。该方法施工更加方便快速，且在施工过程中不易损伤土工膜。当土工膜施工方无特殊工艺措施保证土工膜与挤压边墙间抗滑稳定时，采用现浇混凝土板保护以增加法向力，提高土工膜与挤压边墙抗滑稳定性。南欧江六级现浇混凝土板设计见图9，设计方案主要考虑：①通过分隔缝实现现浇板间的相对稳定及反向排水。②趾板可顶托住现浇混凝土板，承担剩余下滑力。

图9　南欧江六级现浇混凝土保护板及对应趾板设计

选用的瑞士CARPI公司SIBELON®CNT 5250型号PVC复合土工膜抗老化及耐久性良好，可表面裸露，国外也有较为成功的运用实例。该方案具有检修方便、施工速度快、投资节省等优点。同时，裸露方案也带来了施工期及运行期土工膜保护的问题。施工过程中土工膜由于滚石等原因出现了多处损坏，分别进行了两次修补，相对于混凝土面板，土工膜的缺损修补容易且耗时短。

由于土工膜上部无压重，风作用产生的负压可能将土工膜掀起破坏，此时需要对此种情况进行分析计算，分析方法参见文献[17，18]。通过计算其抗滑及风压作用下的稳定性均能满足要求。

2.3土工膜与周边结构预留变形量设计

南欧江六级土工膜与结构间预留变形设计吸取了国内外类似工程经验，通过整体及局部的应力变形分析成果结合趾板锚固位置施工需要，在趾板等结构混凝土与土工膜之间设计了可变形预留。设计方案如图10所示。

图10　土工膜与趾板、溢洪道边墙部位连接设计

国内外关于土工膜应力应变的数值分析研究较多[3- 7，19]，但对土工膜与周边结构的锚固型式的数值模拟或实验研究较为缺乏。南欧江六级复合土工膜堆石坝在设计土工膜与周边结构连接形式时采用了有限元数值方法对常规锚固、预留变形槽锚固2种型式进行分析对比，模拟了坝体分层填筑、土工膜铺设及蓄水全过程。

图11　土工膜塑性区及坝体合位移

通过分析结果可知，预留变形槽后，水压作用下土工膜本身预留部分延展，有效降低了其自身的应变率，降低了由于“夹具效应”在土工膜锚固部位出现拉破坏的可能。土工膜与岸坡趾板及溢洪道边墙接触部位在坝体填筑完成后，根据设计要求在挤压边墙与岸坡趾板部位切割出变形预留槽，再进行土工膜铺设和锚固。

2.4监测设计

除常规堆石坝监测布置外，还针对土工膜进行监测布置。土工膜的监测仪器包括了土工膜渗压计及土工膜应变计。土工膜渗压计主要为监测土工膜下部是否有水、气压顶托等情况；土工膜应变计用于监测蓄水后土工膜的应力应变状态，根据土工膜的极限延伸率和所测得的土工膜拉应变值采用K=εmax/ε计算，可获得土工膜目前工作状态下的安全系数值。

自2015年10月初开始蓄水后，大坝最大沉降量增加约为21 cm，变形量较常规面板堆石坝偏大。同时，土工膜相关监测数据表明土工膜工作正常，较好的适应了坝体的变形。

3　结　论

南欧江六级水电站土工膜面板堆石坝将土工膜适应变形能力强和面板坝填筑断面小的优点结合，使高比例、全断面软岩填筑面板堆石坝成为可能，避免了坝体沉降变形大可能导致的混凝土面板开裂漏水等问题，更进一步的放宽了混凝土面板坝填筑料选用的限制，大幅节约了工期与投资。

目前工程已下闸蓄水至正常水位，接受了全水头的考验，坝体防渗效果良好，应力变形监测数据正常。该工程的成功设计建设具有里程碑意义，为100 m级当地材料坝的设计提供了范例，将推动复合土工膜面板堆石坝在全球范围的运用，增强我国在国际水电设计建设市场中的竞争力。

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(责任编辑王琪)

Anti-seepage of Geomembrane for High Soft Rock Filling Dam

NING Yu, YU Jianqing, CUI Liujie

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

The geomembrane face rockfill dam of Nam Ou 6 Hydropower Station in Laos is the highest soft rock filling project in the world. Based on the construction of Nam Ou 6 Hydropower Station project, the type selection of geomembrane, the designs of upper protect layer and lower supporting layer, the connection of geomembrane and surrounding structures and monitoring program are studied, and the process and method of geomembrane face rockfill dam’s seepage control design are systematically established. The successful application of geomembrane seepage control in Nam Ou 6 Hydropower Station provides experiences for the design of 100 m-high rockfill dams and also provides a new choice of dam body seepage control design in the region lacking of construction material．

geomembrane face rockfill dam; soft rock filling; design of seepage control; connection of geomembrane and surrounding structure; Nam Ou 6 Hydropower Station

2016- 03- 07

宁宇(1981—)，男，云南宣威人，高级工程师，博士，从事岩土工程数值计算及水工结构设计的研究与实践工作．

TV49

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0559- 9342(2016)05- 0062- 06