深厚覆盖层上复合土工膜防渗体受力特性分析

马海兵

（新疆阜康市水利管理总站上户沟水管所，新疆阜康831500）

深厚覆盖层上复合土工膜防渗体受力特性分析

马海兵

（新疆阜康市水利管理总站上户沟水管所，新疆阜康831500）

分析土工膜防渗受力变形特性，有助于了解防渗体系在可能的不良情况下是否能够安全运行，进而掌握大坝结构安全运行状况。研究符合土工膜的受力特性属于材料与边界条件的双重非线性问题，采用非线性有限元对双河水库复合土工膜防渗体受力特性进行分析，对坝体力学特性和变形规律进行研究得出：复合土工膜与粗粒垫层结构面应力-应变关系属于应变软化型，符合一般应力应变规律，在可能的不良情况下，大坝应力、变形都在安全允许范围内，大坝结构安全符合设计要求。

双河水库；坝体；土工膜；受力特性

0 引言

近年来，随着材料制造工艺的不断进步，复合土工膜在防渗性能方面取得长足的改进，具有良好的力学特性和防渗特性，在水力工程中应用越来越广泛。复合土工膜作为坝体防渗结构的一部分，土工膜与垫层结构面的受力特性势必会影响到土工膜防渗特性的发挥。双河水库大坝建设在深厚覆盖层上，工程设计采用土工膜+砂壳的防渗形式。分析土工膜防渗受力变形特性，有助于了解防渗体系在可能的不良情况下是否能够安全运行，进而掌握大坝结构安全运行状况。

1 工程概况

双河水库处于白杨河山前冲洪积倾斜平原之上部，库区地层由第四纪上更新世（Q3）卵石、全新世（Q4）淤泥质粉土层组成。但淤泥质粉土层厚度较小，分布不均属弱透水层。而下部有由巨厚卵石和碎石土组成，分布较稳定，渗透系数为4.1×10-3cm/s（3.5 m/d），属中等透水层，地下水埋深大于150 m。大坝建设深厚覆盖层上，坝体上下游坝坡坡比分别为1∶3和1∶2。

复合土工膜的规格型号采用200 g/m2/PE0.50/200 g/m2，幅宽采用6.0 m~8.0 m，拉伸强度不低于180 N/（5 cm），断裂延伸率不低于40%，弹性模量在5℃不低于70 MPa，抗冻性（脆性温度）不应低于-60℃，撕裂强度应大于或等于40 N/mm，抗渗强度应在1.05 MPa水压下48小时不透水，渗透系数为10-11cm/s~10-12cm/s。

2 计算模型

根据文献资料[1-2]可知，土工膜单宽拉力会随着拉应变的增加而增加，到一定程度后拉力会下降。复合土工膜与垫层结构面在接触过程中，二者之间会产生摩擦，而对摩擦特性有直接影响的为剪应力。而工程坝体的填筑料选择的是砂砾石料，其属于非线性材料，应力应变关系亦呈非线性。同时，土工膜与坝体结构面属于边界条件的非线性接触，所以，研究复合土工膜防渗斜墙的受力特性属于材料与边界条件的双重非线性问题研究。

2.1 本构模型

为了解本工程土工膜与垫层结构面的摩擦特性，设计通过室内实验，在25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa四种不同竖向应力作用下，求得土工膜与不同结构面的位移-剪应力关系曲线，进而推导得出最大剪切应力[3-4]。图1所示为在不同法向正应力条件下土工膜与垫层结构面的位移-剪应力关系曲线。分析可知，位移-剪应力曲线呈明显的抛物线形态，随着拉应变的不断增加，剪应力值逐渐增加，并且经历了快速增长阶段、缓慢增长阶段以及缓慢下降阶段，剪应力峰值在缓慢增长阶段达到最大值。剪应力达到峰值后，随着拉应变的继续增加，剪应力将发生降低，并出现残余应力。同时，不同法向正应力条件下，残余应力也有明显不同，正应力越大残余应力也越大。因此，分析得出土工膜与坝体结构面的应力-应变关系属于应变软化型。

2.2 模型建立

模型建立过程中，通过等效替换的方式对土工膜厚度与渗透系数进行同步扩大，以提升计算结果的准确度[5]。采用库伦摩擦模型，复合土工膜设计采用四边形薄膜单元[6-8]。模型坝体和坝基单元数分别为2400个、7480个，土工膜单元440个，通过土工膜拉伸和剪切试验得到的材料参数见表1。同时，模拟计算过程中，对于两个表面之间的摩擦行为用摩擦系数来进行表征。

图1土工膜与结构面剪应力-位移曲线变化规律

表1 复合土工膜主要材料参数

3 复合土工膜受力特性分析

3.1 土工膜应力应变

复合土工膜铺设一般坝体填筑施工完毕后进行，因此，在施工完建期土工膜受到的外力载荷较小，所产生的变形一般较小。复合土工膜本身具有良好的柔韧性，抗拉能力较小，且抗弯曲变形能力几乎可忽略不计，因此，不可能依靠复合土工膜去限制坝体变形。在水库运行阶段，复合土工膜变形属于从属变形，由坝体承受水压而附带产生的变形。图2为模拟水库蓄水引起的土工膜变形等值线，分析可知，土工膜的变形主要有2类，即向坝体下游方面的水平变形和沉降变形，沉降变形主要是随着坝体沉降而产生。土工膜最大水平位移为4.5 cm，最大沉降变形值为5.5 cm，延伸率达到15%，发生在土工膜与左右岸坡的接合位置。水库蓄水后，土工膜与岸坡接合处为应力集中区域，因此这一部位的土工膜变形较大，而实验室测得的土工膜延伸率为136%~142%，判定复合土工膜并未发生延伸破坏。

图2轴向位移等值线

3.2 剪应力-剪应变关系

模拟得到土工膜与垫层结合处的剪应力-剪应变关系如图3所示。将之与实验得到的剪应力-剪应变曲线进行对比可知，两者的变化情况基本相同，这也表明模拟结果的可靠性。模拟得到的最大剪应力为19.45 kPa，土工膜上下界面剪应力不超过峰值，计算工况条件下防渗体系结构符合运行标准。

3.3 结构稳定性

图3土工膜界面剪应力-剪应变变化情况

图4坝体蓄水期等值线(单位:cm)

通过有限元计算模拟，得到整个坝体沉降量和水平位移最大值分别为16 cm、4.5 cm，如图4所示。水库蓄水后，坝体产生的垂直和水平位移基本上都沿着大坝轴线对称分布，表明整个大坝受力情况良好，且并没有产生异常变形，认为坝体结构和土工膜防渗结构都满足坝体稳定运行的要求。图4（b）水平位移分布特征也很好地应证了复合土工膜坝体的非线性，随着正压力增加，残余应力也会相应地增加。

4 结论

本文在复工土工膜防渗体结构建模过程中，充分考虑了结构单元的特性，对坝体稳定性具有更加全面、合理的评价。研究得到：土工膜与坝体结构面的应力-应变关系属于应变软化型；模拟得到的水平位移、沉降变形、延伸率最大值分别为4.5 cm、5.5 cm、15%，发生在土工膜与左右岸坡的接合位置，土工膜所受应力与变形均在设计允许范围内；坝体垂直和水平位移沿坝体轴线对称分布，复合土工膜坝体应力应变符合一般应力变形规律，坝体结构满足安全运行要求，不会发生塑形破坏。

[1]姜海波,侍克斌.坝坡复合土工膜防渗体的抗滑稳定分析[J].水资源与水工程学报,2010,(06):15-18.

[2]姜海波.土石坝坝体、坝基和水库库区土工膜防渗体力学特性及渗透系数研究[D].新疆农业大学,2011.

[3]顾淦臣.复合土工膜土石坝的设计和计算[J].水利规划设计,2000, (04):49-56.

[4]李传奇,李超超,王帅,等.平原水库土工膜防渗特性分析[J].长江科学院院报,2016,(04):135-139.

[5]丁东彦.复合土工膜心墙堆石坝应力变形分析[D].兰州交通大学, 2014.

[6]尚层.土石坝复合土工膜防渗斜墙应力变形分析[D].新疆农业大学, 2012.

[7]吴兆和,沈长松,瞿忠烈,曹鑫.复合土工膜堆石坝膜受力变形特性分析[J].水电能源科学,2010,(03):91-94+137.

[8]岑威钧,沈长松,童建文.复合土工膜防渗堆石坝力学特性有限元分析[J].水电能源科学,2008,(05):110-112+165.

TV441

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1673-9000（2017）03-0136-03

2017-01-03

马海兵（1982-），男，新疆阜康人，工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。