复合土工膜对水库防渗效果应用研究

郑兆江

(和田地区水利局，新疆 和田 848000)

0 引 言

由于我国水资源存在分布不均的问题，在水资源缺乏地区为保证当地正常水资源使用，近年来国内大力建设水利工程，在一定程度上缓解了水资源压力问题[1-3]。水库工程是蓄水、为居民及农田提供水源的重要水利工程，水库的兴建可极大程度上维持水资源平衡，对区域经济发展有着十分重要的意义[4-5]。水库防渗一直是困扰水库日常运行管理维护的重大问题之一。由于水库在修建与运行过程中，主体部位均与水体直接接触，同时水库存在的施工缝、沉降缝以及骨料之间的间隙，导致水库主体直接受到水体扬压力的作用，而扬压力目前并未明确准确的方法获得，且扬压力对水库危害极大，在实际过程中只能通过一定的手段尽量减少水库所受的扬压力。因此，对于水库防渗措施的研究一直是国内水利工程研究的热点。

大坝是水库工程中的重要组成部分，水库拦蓄水均需通过大坝才能完成。因坝体直接与水体接触，所以对坝体质量的要求普遍较高[6]。由于土石坝是目前国内最常见的坝体型式，这种坝体类型由于颗粒间空隙较大，将产生渗流，直接影响坝体稳定。经过长时间的运行使用，坝体常常出现渗漏、失稳等问题，因此对于水库防渗措施的制定直接影响坝体质量及使用寿命[7]。

关于水库防渗处理，目前常采用的防渗处理措施包括水平防渗处理措施及垂直防渗处理措施，不同防渗措施防渗效果不同，且所适用的范围不同[8]。防渗主要通过延长渗透路径，降低水力坡降，减小扬压力，从而达到防渗效果。目前，常用的防渗措施包括垂直防渗墙、灌浆帷幕、铺盖及复合土工膜，其中复合土工膜由于造价低、施工方便、防渗范围广，而被广泛应用于水库防渗中[9]。但由于现有研究对复合土工膜的防渗效果并无明确的量化分析，本文基于实测数据，对复合土工膜下坝体渗透压力及渗漏速率进行监测，量化分析该措施的防渗效果。

1 坝体监测结果分析

为实际监测得出铺设复合土工膜前后对坝体渗透性能的影响，本文应用受力情况及外界环境条件相同的2个坝体模型，对其中1个坝体模型上采取铺设复合土工膜防渗措施，另一个坝体模型仅进行了土体夯实处理，无任何防渗措施，在坝体内部分别布设渗压计及量水设施，通过布设的措施来监测在2种情况下的坝体渗压水头变化及渗漏速率变化，以此为基础来衡量复合土工膜措施的防渗效果。

1.1 坝体渗透压力长时间监测

在坝体水平施工缝上游布置差阻式渗压计，差阻式渗压计的渗压计算公式如下：

P=f(Z-Z0)-b(T1-T0)

(1)

式中：P为渗透压力，MPa；f为渗压计修正最小读数，MPa/0.01%；Z为实测电阻比，×0.01%；Z0为电阻比基准值，×0.01%；b为温度补偿系数，MPa/℃；T1为实测温度，℃；T0为基准温度，℃。

由观测得出的渗压水头结果可知，渗压随着随时间的变化在年内呈现一定的周期性变化趋势，且随着库水位的变化呈现一定的周期性变化响应，库水位在每年年内呈现先增加后降低的变化趋势，而当库水位较高时，渗压水头往往表现出较高的数值。库水位每年的变化差距较小，而大坝渗压水头随着时间的增长，每年的变化趋势较大，其中在2010年附近呈现出较大的数值，随着时间的增长，大坝所受的渗透压力出现增加，表明随着大坝运行时间的增长，需及时做好防渗措施。

从1992年开始，对坝体模型长时间渗压进行监测，结果可见图1-图2。由图1-图2中可以看出，由于2个坝体所处的地理环境一致，导致库水位变化趋势基本一致，在每年内均呈现出先增加后减小的二次抛物线趋势。而进行铺设前后，坝体所受的渗透压力不同。未经铺设时，坝体所受渗压随着时间年份的增长呈现显著提高的趋势，在2008年坝体渗压超过150 m，对坝体稳定造成不良影响。采用复合土工膜防渗后，坝体渗压多年来并未出现明显的提高，均维持在110～130 m之间，表明复合土工膜防渗具备较好的防渗效果。

图1 未铺设坝体渗压变化图

图2 铺设土工膜坝体渗压变化图

1.2 坝体渗漏速率长时间监测

由图3-图4中可以看出，大坝的渗漏速率随着库水位的变化，同样呈现出一定的周期性变化趋势，这种变化趋势与库水位变化趋势一致，均为先增加后减少的抛物线变化趋势，渗漏速率在每年年中丰水期表现出最高的数值，而在枯水期的数值最低，这与水位及周围外界环境变化有关。

通过在坝体周围布置量水设施，监测坝体渗漏速率的变化，本文记录了1999-2013年的坝体渗漏速率变化，结果图3-图4。由图形-图4中可以看出，铺设前后的渗漏速率发生明显变化。未处铺设坝体渗漏速率在年内变化剧烈，基本在0.34～2.45 L/s之间变化。经过铺设复合土工膜之后，坝体渗漏速率在0.27 L/s之内，且变化幅度较低。渗漏速率年内变化幅度较大，直接影响坝体所受渗压，对坝体稳定影响较大，因此铺设复合土工膜可降低坝体渗漏速率，从而维持坝体稳定。

图3 未铺设坝体渗漏速率图

图4 铺设土工膜坝体渗漏速率图

2 坝体渗流模拟分析

根据材料特性，将坝区划分为坝体、坝基岩体等分区，建立有限元计算分析模型。有限元计算范围为：X方向取为垂直坝轴线，上游边界截至上游坝趾以外(约2倍坝高)，并取为坐标原点，即x=0 m；下游边界截至下游坝趾以外41 m(约 3倍坝高)，上游和下游坝基均截取约2倍坝高；Z方向以高程为坐标，铺设前后有限元网格见图5。建立坝体有限元模型边界条件，即已知水头边界、出渗边界及不透水边界。其中水头边界条件为：坝址上下游水位线以下的水库库区及上下游河道包络线；出渗边界为：上下游水位线以上坝体及坝顶所包范围；不透水边界为坝体模型上下游两侧边界[10]。

图5 铺设前后的坝体建模

图6-图7为铺设土工膜前后坝体渗流等势线分布图。由图6-图7中可以看出，未经铺设前，坝体渗透压力较高，渗径较短，导致坝体所受渗透压力较大，从而影响坝体稳定。铺设复合土工膜之后，坝体渗径显著提高，渗透压力降低，使得坝体所受的渗透压力降低，从而有助于坝体维持自身稳定。

图6 未铺设坝体渗流分布图

图7 铺设土工膜坝体渗流分布图

3 结 语

本文从实际监测及有限元模拟角度出发，以量化指标为基础，分析了土工膜对水库坝体防渗效果的影响。通过分析可知，铺设土工膜之后，可显著降低坝体实测渗透压力和渗漏速率。同时从模拟结果可知，土工膜的铺设可提高渗径，降低比降，从而降低坝体渗压，与实测结果一致。因此，复合土工膜的铺设对水库坝体防渗有着十分重要的作用。