膜上荷载对防渗土工膜膜下气场的影响分析

程玉亮

（辽宁省农村水利建设管理局，辽宁 沈阳 110003）

0 引言

平原水库多数在旱季施工，地下水位埋深较深，库区土体为非饱和土，转到汛期，地下水位上升，水入渗到非饱和土体中，水压力挤压非饱和土体中的气体，气体被挤压至土体表面，表面受土工膜封闭，于是形成了库区膜下气场。膜下气场外在表现为气泡，具有一定的压力。国内其他库盘铺膜防渗的工程观测结果显示，采用库盘铺膜防渗在某些情况下会产生较大的膜下气压，造成对土工膜的顶托、悬浮甚至顶破，从而造成防渗失效，给工程带来巨大的安全隐患。因此研究平原水库土工膜防渗膜下气场的影响因素具有较强的现实意义。根据南水北调东线工程鲁北段大屯水库土工膜膜下气场问题研究结果，土工膜膜上荷载对防渗土工膜膜下气场有明显的影响，但影响程度尚不清楚，所以采用室内试验的方式，进一步研究膜上荷载对防渗土工膜膜下气场的影响，再此基础上，对平原水库土工膜防渗排气方案提出一定的建议。

1 试验方案及膜下气场评价指标介绍

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，主要由土柱、供水装置、测量装置和土工膜封闭系统组成。土柱桶由5 mm厚有机玻璃筒制成，其底面均匀分布15个2 mm小孔，外围为整理箱，提供水头压力差，在水压力作用下，水从小孔入渗至土柱体内，挤压非饱和土中的气体，气体被挤压至土体表面，形成膜下气场。测量系统包括排水取气法测量气体体积，测量气泡压力时将集气瓶换成U型压力计。

图1 室内试验装置示意图

1.2 试验方法

膜上荷载采用膜上覆水形式，荷载大小分别为20，140，300，500 Pa。试验土样干密度为1.5 g/cm3，含水率为20%。具体实验步骤如下：

1）制备20%含水量土壤，并将预定含水量土壤装入有机玻璃桶，分层击实，制成干密度为1.5 g/cm3的土柱体。并将装有土柱体的有机玻璃筒放入整理箱中。

2）对土柱体表面进行土工膜封闭。用橡皮套扎进，用玻璃胶进行封闭。在膜上注入指定荷载的水，作为膜上荷载。

3）用供水系统保持有机玻璃桶外水位为27 cm，提供水头压力，使水从有机玻璃筒底部小孔入渗至土柱中。由马氏瓶提供水量，保持有机玻璃筒外水头恒定。

4）起动秒表，测量指定时间，气泡体积、气泡压力、入渗量随时间的变化。当水渗透到土柱表面，所测数据10 min无变化时结束试验。

1.3 膜下气场评价指标

1）膜下气泡体积。包括膜下气泡产生速率、气泡体积随时间变化反应膜下气场。

2）膜下气泡气压。包括膜下气压增加的速率及最终气压大小，评价膜下气场。

3）入渗到土柱中的水量。膜下气场主要是由于入渗到土柱中的水驱赶非饱和土中气体所致，水入渗量随时间变化间接反应膜下气场。

2 试验结果分析

2.1 膜上荷载对膜上气泡体积的影响

试验条件、工况组合及稳定段试验数据如表1所示。根据图2可以得出：在土体含水率、干密度、土柱周围水位上升速度均相同的情况下，膜上荷载对气泡体积影响明显。同一时间点，气泡体积随着膜上荷载的增大而减小。此种现象可以解释为，膜上荷载越大，在土柱中产生超静孔隙水应力越大，超静孔隙水应力阻碍了土体水的入渗和土体水驱赶气体的进程。另外，膜上荷载越大，膜下气压越大，气压对水的入渗也有一定的阻碍作用。对每组试验结束后的土样进行含水率测定发现，膜上荷载越大，土样的含水率越低，说明，膜上荷载阻碍了水驱赶非饱和土中的气体，驱赶至土体表面的气体体积相应减小。

表1 试验条件、工况组合及稳定段试验数据

2.2 膜上荷载对膜下气泡气压的影响

试验条件、工况组合及稳定段试验数据如表2所示：

图2 不同膜上荷载条件下气泡体积随时间变化曲线

表2 试验条件、工况组合及稳定段试验数据

图3为其他试验条件相同，不同膜上荷载条件下，气泡气压随时间的变化曲线。试验结果表明：同一时间点，气泡气压随着膜上荷载的增大而增大。此种现象可以解释为，膜上荷载为水荷载，水荷载为流动荷载，荷载越大，对气泡的挤压越严重，造成了气泡内的气压越大。

图3 不同荷载条件下气泡气压随时间变化曲线

2.3 膜上荷载对入渗量的影响

试验条件、工况组合及稳定段试验数据如表3所示。

图4为土体初始条件相同，不同膜上荷载条件下，入渗量随时间的变化曲线。可以看出，在土体初始含水率、干密度、试验土体周围水位上升速度均相同情况下，同一时间点，累计入渗量随着膜上荷载的增大而减小。此种现象可以解释为：膜上荷载越大，土体中产生的超静孔隙水压力越大，超静孔隙水应力阻碍了土体水的入渗和水驱赶土中气体的能力。同时，根据本文2.2结论，膜上荷载越大，膜下气压较大，气压对土体水的入渗有一定的阻碍作用。对每组试验结束后的土样进行含水率测量，也可以发现，膜上荷载越大，试验结束后土样的含水率越低，说明，膜上荷载的增大，阻碍了土体水置换气体，结果是入渗量随着荷载的增大而减小。

表3 试验条件、工况组合及稳定段试验数据

3 主要结论及对膜下气场排气方案的建议

3.1 主要结论

膜上荷载对膜下气场影响明显，膜上荷载可以有效地减小膜下气场，荷载越大，气泡体积越小，入渗量也越小。但是，一旦产生膜下气场，膜下气场，尤其是膜下气压，将会随着荷载的增大而增大，给工程带来安全隐患。

3.2 对膜下气场排气方案的建议

图4 不同荷载条件下入渗量随时间变化曲线

在一定程度上，膜上荷载可以有效地减小膜下气场的产生，阻碍水与土中气体的置换，但是在荷载较大的情况下，一旦发生膜下气场问题，膜下气压就会随着荷载的增加而增大，危险性更高，因此究竟膜上荷载为多少，建议根据当地地质条件进行数值计算等深入研究，确定平原水库合理膜上荷载。

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