平原水库复合土工膜缺陷渗漏影响因素数值分析

刘 健，邵燕妮，李昱莹，齐敏敏

(1.山东大学齐鲁交通学院，山东 济南 250061；2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250011；3.北京市通州区住房和城乡建设委员会，北京 101100)

0 引 言

平原水库是南水北调工程调蓄运营的主要环节。但是，平原水库多修建于河流冲积平原，坝基土层松散、透水性强[1]，对其进行有效的渗流控制十分必要。随着目前平原水库容量的不断增大，常用的防渗墙等手段已经不能满足平原水库防渗需要。由于复合土工膜在防渗性能、延伸性能、抗腐蚀能力、施工操作和经济适用等方面具有显著的优势，被广泛应用于平原水库渗流控制中。但是，复合土工膜在施工过程中易发生破损，从而导致复合土工膜防渗效果达不到设计要求[2]。Noska等[3]通过对300多处大约3.25×106m2的复合土工膜进行质量检测， 结果表明大小为0.5～10 cm2的缺陷占总缺陷的85.8%。近年来，许多专家学者针对复合土工膜缺陷渗漏引起的防渗失效问题进行了较详尽的研究。Giroud等[4]提出下垫层要起到辅助防渗作用，与土工膜共同形成防渗层，并通过大量研究，推出了土工膜与下垫层接触良好和接触不良时缺陷渗漏量的简化半经验计算公式。吴大志[5]、刘凤茹[6]和李霞[7]等，通过室内模型试验定性地分析了复合土工膜缺陷渗漏孔径对土石坝渗流量的影响，得到了渗漏量随孔径尺寸和孔径率增大而增大的结论。孙丹[8]、岑威钧[9]和李传奇[10]等建立了复合土工膜渗漏区的渗流模型，分析了土工膜缺陷对缺陷部位渗流场的影响。

目前的研究多是通过室内试验或理论分析的方法定性地研究复合土工膜缺陷对于缺陷部位的影响，没有考虑复合土工膜缺陷对于实际平原水库的整体影响，也未考虑全库底铺膜情况下复合土工膜缺陷产生位置的影响。为此，本文依托南水北调东线大屯水库，采用FLAC 3D数值模拟软件，建立平原水库复合土工膜缺陷渗漏数值计算模型；开展复合土工膜缺陷渗漏试验，验证平原水库复合土工膜缺陷渗漏数值计算模型的准确性；在此基础上分析复合土工膜缺陷尺寸、数量、位置以及库水位条件下复合土工膜缺陷渗漏对平原水库渗漏量的影响。

表1 坝体、坝基及防渗区域材料参数

1 平原水库复合土工膜缺陷渗漏数值计算方案

1.1 复合土工膜缺陷渗漏数值计算模型

本文以南水北调东线鲁北段大屯水库为原型进行数值模拟。库内设计水位9.60 m，储水量5 209万m3，围坝坝高12.1 m，坝顶宽7.5 m，上下游边坡坡比分别为1∶2.75、1∶2.5，坝高7.4 m以下部分为弃土平台，平台宽20 m，围坝由砂壤土和裂隙粘土混合填筑。

本文取典型围坝断面，沿轴线截取50 m长的围坝作为研究对象，采用Flac3d数值分析软件建立三维数值模型，如图1所示。数值计算模型中坝体、坝基及防渗区域材料参数如表1所示。坝基的4个侧面和底面以及坝体、复合土工膜和弃土平台的前后2个面固定位移和速度，下游坝基上表面为自由面。复合土工膜上表面为进水面，弃土重压平台下游斜面及其后面坝基的上表面设为自由排水面。

水工专家Giroud等根据大量工程调查分析得出土工膜在施工中大约每4 000 m2会产生一个缺陷，其等效孔径一般在1～20 mm[11]。实际复合土工膜厚度一般在0.2～3 mm，但由于厚度相对于围坝尺寸太小，在通过软件建立模型时不易划分网格，同时具有计算时间过长、计算精度差、收敛难等问题，因此要选择厚度合适的等效土工膜。根据流量等效原则[12]，将土工膜中PE膜厚0.5 mm换算成厚度为3 m、渗透系数为6×10-7cm/s等效土层；将缺陷处转换成厚度为3 m，渗透系数为6×10-1cm/s的等效土层。

图1 大屯水库复合土工膜缺陷渗漏Flac3d模型示意

1.2 复合土工膜缺陷渗漏工况

影响复合土工膜防渗特性的因素主要有土的性质、缺陷大小和位置、水头高度等。因此，根据影响复合土工膜缺陷渗漏的因素，设计数值计算模拟工况如表2所示。

表2 缺陷渗漏数值模拟工况

2 复合土工膜缺陷渗漏试验

为验证数值计算模型准确性，本文设置室内复合土工膜缺陷渗漏试验。试验装置如图2所示。试验装置包括试验桶、螺栓、排气管、填土、复合土工膜、量筒等。试验桶的直径为30 cm，内部填土为大屯水库坝体土样，高20 cm，复合土工膜垫层为中粗砂，垫层厚5 cm。在复合土工膜中间位置设置孔径2 cm的圆形缺陷。

图2 复合土工膜缺陷渗漏试验

3 数值计算结果与分析

3.1 数值计算模型验证

根据室内试验建立复合土工膜缺陷渗漏试验数值模型，模型尺寸和材料参数与室内试验材料一致，模型的水头施加方式及复合土工膜缺陷模拟方式与大屯水库复合土工膜缺陷渗漏数值计算模型一致。数值模拟结果和试验结果对比如图3所示。从图3可知，计算值与实测值相对误差的绝对值在10%之内，说明该模型复合土工膜缺陷渗漏模拟方法和水头施加方式设置合理。

图3 数值模拟结果和试验结果对比

3.2 缺陷尺寸影响

无缺陷情况下模拟坝段50 m每天渗漏量为63 m3，将其作为坝体基础渗漏量。复合土工膜缺陷渗漏设在坝基，距坝脚100 m处位置，围坝渗漏量随孔径变化的曲线如图4所示。从图4可以看出，渗漏孔径从2 mm增加至5 mm，渗漏量仅增加了0.077%，从5 mm增加至10 mm，渗漏量增加了0.248%。说明因复合土工膜缺陷渗漏小于5 mm时对围坝的影响较小，但是当孔径增加至10 mm时需要排查修补。

图4 缺陷孔径与坝体渗漏量的关系

3.3 平原水库水头高度影响

复合土工膜缺陷尺寸为2 mm，不同水位条件下的缺陷渗漏量如图5所示。从图5可以看出，随水头高度的增加，坝体渗漏量呈现出线性规律增长的趋势。

图5 缺陷水头高度与坝体渗漏量的关系

3.4 缺陷距坝脚位置影响

复合土工膜缺陷尺寸为2 mm，坝体渗漏量随缺陷距坝脚位置的关系如图6所示。从图6可以看出，当缺陷位置距离坝脚小于100 m时，缺陷渗漏量的变化较小，50 m坝体渗漏量平均为65.570 m3/d；当距离坝脚超过100 m时，渗漏量随距坝脚距离的增大开始迅速减小；当距离坝脚的位置达到150 m时，渗漏量仅为无缺陷时渗漏量的0.525%。说明当复合土工膜缺陷距离坝脚小于100 m时，需要重点修补。

图6 缺陷水平位置与坝体渗漏量的关系

3.5 缺陷渗漏数量和间距影响

复合土工膜缺陷渗漏尺寸为20 mm，两缺陷间间距为10 m，坝体渗漏量随缺陷数量的关系如图7所示。从图7可以看出，坝体渗漏量随缺陷数量的增加呈现线性增长的关系。复合土工膜缺陷渗漏尺寸为20 mm，缺陷数量为3个，复合土工膜缺陷渗漏量随缺陷间距的关系如图8所示。从图8可以看出，随着缺陷间距的增加，坝体渗漏量明显减小。当缺陷间距达到15 m时，渗漏量降为无间距时的0.312 8%。

图7 缺陷个数对坝体渗流量的影响

图8 不同缺陷间距对坝体渗流量的影响

4 结论与建议

依托南水北调大屯水库，设计平原水库复合土工膜缺陷渗漏数值计算模型，对复合土工膜缺陷渗漏量进行了多工况控制分析，得到了如下结论：

(1)分别对数值计算模型和室内试验确定的复合土工膜缺陷渗漏量进行分析对比，实质计算结果和室内试验结果吻合度较高，验证了平原水库复合土工膜缺陷渗漏数值模型参数、水头施加方式和缺陷模拟方式的准确性。

(2)复合土工膜缺陷的数量和水头高度是影响复合土工膜缺陷渗漏的主要因素，其次为缺陷尺寸、缺陷间距和缺陷位置。

(3)复合土工膜缺陷尺寸较小和距离坝脚较远时对复合土工膜缺陷渗漏量影响较小，复合土工膜缺陷渗漏量随缺陷数量和库水位的增加呈线增长的趋势，当缺陷距离坝脚小于100 m，且缺陷尺寸大于10 mm，同时缺陷间距较小情况下，应重点排查修补。