小泉水库库盘防渗设计及土工膜应力应变分析

马海兰

（阜康市九运街镇农业发展服务中心，新疆 阜康 831501）

新疆自治区地处西北内陆，新构造运动突出，区内河道具有流程短、纵坡大特点，适合修建水库地形较少，只能设计在冲积平原上。而冲积平原区往往砂砾层覆盖厚度大，渗透性强，给水库坝体建设带来极大影响。但随着材料技术的发展，土工膜全库盘防防渗技术已经得到广泛应用，由于其属于柔性材料，本身可承受一定的塑性变形，可以适应库盘位移变形，达到较好的防渗目的。

1 工程概况

小泉水库位于新疆阜康市滋泥泉子镇下湖村境内，属于甘河子流域下游冲积平原区。库区及外围地形开阔，地势南高北低，坡度为0.3%～0.4%，周围有较少荒漠性植被，水土流失较严重。该水库是一座以灌溉为主的引水注入式水库，经地质勘查，其库盘表层低液限黏土为主，厚度0.2～1.1m，岩性为黏土、粉土、粉质砂土，实测其渗透系数为（0.85～1.25）×10-3cm/s，属中等透水性。由于建设初期水库未做库盘防渗处理，水库渗漏损失可达4.34万m3/a，必须做防渗处理。设计经处理后的小泉水库总库容可达125万m3，控制灌溉面积1000hm2，工程等别Ⅳ等，规模小（1）型。

2 库盘防渗结构设计

小泉水库坝体长63m，最大坝高21m，坝顶宽4.5m。上游采用混凝土面板防渗，主体结构为砂砾石，上游坝坡为1∶1.5，下游坝坡1∶1.3（如图1）。

本项目设计采用全库盘铺设复合土工膜进行防渗处理，防渗土工膜规格0.3～0.5mm塑料膜，由于施工中经常发生破损情况，因此本项目设计采用“两布一膜”的复合土工膜，具体规格为200g/m2+0.5mmPE+200g/m2。

为保证库盘防渗结构的稳定性，需对铺膜区域进行平整处理，防渗结构层从下到上依次为天然砂砾料+150mm砂垫层+400mm厚天然级配砂砾料［1］，土工膜之间采用热焊接搭接，上游坡脚和库盘交接处开挖固定槽，尺寸0.8m×1.0m（宽×深），铺设完成后用原土回填夯实，并设置防冲齿墙。

图1 大坝及土工膜布置结构剖面

3 土工膜应力应变场分析

随着水库投入使用，水库库盘会产生一定变形，进而会有相应的应力应变［2］。而土工膜有一定塑性，如果库盘应力应变数值在土工膜极限范围内，则不会影响其防渗性；若超出土工膜极限范围，则可能将土工膜撕裂，破坏防渗结构整体性，防渗效果也会大大降低［3］。因此需要对两者应力应变数值进行模拟计算。

3.1 库盘位移和应变场

本项目采用“三维有限元”模型对小泉水库库盘位移和应变场进行模拟分析，将大坝总结点数共计6420个单元。库盘应力应变是本项目的研究重点，库盘模拟长度取5倍坝高，模型如图2［4］。

图2 坝体三维有限元计算网格

3.1.1 库盘和坝基位移分析

通过模拟得到小泉水库满蓄期库盘和坝基水平和竖向位移云图［5］，如图3和图4。

图3 满蓄期库盘、坝基水平位移云图

图4 满蓄期库盘、坝基竖向位移云图

模拟结果表明：

（1）水平方向，满蓄期库盘向上游方向偏移1.23cm，向下游方向偏移2.56cm，偏移最大值均位于上下游坝踵位置。

（2）竖直方向，坝体会发生沉降，最大值出现在上游坝基坡脚部位，具体值约为17.10cm。

3.1.2 库盘和坝基应力场分析

模拟小泉水库满蓄期库盘和坝基拉应力场分布情况，如图5。在满蓄期，库盘和坝基主要载荷为“自重+水体重力”，其中水体重力载荷分布基本平行于地表库盘表面，最大应力值0.32MPa。库盘表面最大应力值位于上游坡脚位置 （固定槽），应力值0.54MPa。换算到土工膜最大拉应力，数值0.065MPa。

图5 满蓄期库盘、坝基应力场分布云图

3.2 土工膜极限应力应变分析

复合土工膜为柔性材料，抗拉性是决定其应用效果的主要指标，本项目设计在试验室对土工膜性能进行测试［6］。测试温度和作用力加载速率对结果影响较大，经调查，阜康市境内水库库底温度范围常年保持在9～11℃，因此试验温度设定为10℃；作用力加在速率设定为5cm/min。

试验方法为将复合土工膜浸泡在水中，在其纵、横方向上同时进行拉伸试验，得到两个方向上的应力应变关系曲线如图6。

图6 复合土工膜纵、横向应力应变曲线

由于试验条件属于理想化，所以极限拉应力σmax和极限拉应变εmax需留有一定安全系数，计算公式如式（1）、式（2）。

式中 σa为土工膜容许拉应力；εa为土工膜容许拉应变；FiD为施工破坏影响系数，取值1.6；FcR为材料蠕变影响系数，取值2.1；FcD为化学破坏影响系数，取值1.2；FbD为生物破坏影响系数，取值1.1。

最终得到复合土工膜力学容许值，如表1。

表1 复合土工膜力学容许值

综合分析：小泉水库库盘防渗对土工膜要求的极限拉应力数值为0.065MPa，通过试验室分析得出所用土工膜材料的容许拉应力达到1.00MPa，安全系数达到14.4；对土工膜要求的极限拉应变值为0.171m，而土工膜容许拉应变大于10.3%，按照土工膜铺设尺寸为50m×60m计算，其容许拉应变值约为横向5.16m，纵向容许值更大，因此均符合相关安全要求。

4 结语

小泉水库在蓄水后其库盘和坝基的横向和竖向最大位移分别发生在上下游坝踵和上游坝基坡脚部位，数值分别为2.56cm和17.10cm。远远小于测试土工膜的容许应力应变值，因此安全性符合要求。在应用土工膜防渗时，必须结合工程实际情况，施工前要对所用材料性能进行严格测试，防止出现效果不佳情况。

［1］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，2005，36（11）：143-144.

［2］唐安军，刘红.土工膜水库库盘防渗技术及应用［J］.水利规划与设计， 2010（5）：86-88.

［3］李旺林，魏晓燕，李志强，等.平原水库库盘防渗土工膜气胀现场试验研究［J］.中国农村水利水电，2014（10）：29-132.

［4］李旺林，李志强，魏晓燕，等.土工膜缺陷渗漏引起气胀的研究［J］.岩土工程学报，2013，35（6）：1161-1165.

［5］吴俊杰，凤炜，刘亮，等.全库盘防渗复合土工膜应力应变分析［J］.水电能源科学， 2013（12）：66-69.

［6］路强.土石坝全库盘土工膜防渗技术探讨［J］.水利规划与设计， 2017（7）：130-132.