土工膜在堤坝上游防渗层中的数值模拟及应用研究

朱 峻

(江西峻瑞建设工程有限公司，江西 九江 332000)

1 概 述

堤坝工程通常造价较高，因此研究提高大坝技术性能、降低大坝建设成本的替代方案具有重要意义。土工合成材料的使用是目前改良土壤的一种方法，该方法在岩土工程中很常见。与传统材料相比，土工合成材料具有许多优势，如成本更低、执行时间更短、安装更容易。由于土工合成材料与传统土工材料相比具有独特的特性，近年来土工合成材料的应用越来越受到世界各国工程师和研究人员的关注。因此，有必要进行新的研究和设计模型，特别是当土工合成材料应用于土石坝时[1]。

土工膜是最常见的土工合成材料之一。它们被定义为与任何岩土工程相关材料一起使用的非常低渗透的合成膜，目的是控制人造工程、结构或系统中的液体或气体迁移。高密度聚乙烯土工膜通常用于建造水库等工程，其防护效率取决于合成膜的完整性以及其他方面，如使用寿命[2-3]。

本文以某平原水库大坝为研究对象，主要研究上游不透水土工膜衬砌对堤坝地基处理效果的影响。选择一个大坝的横截面来代表大坝的整体性能，并支持进一步的研究。在此基础上，建立以土工膜为上游防渗层的大坝小尺度渗流模型，使研究人员能够对重要参数进行标定。该模型考虑了水电站的特点，是对原型的简化。

2 大坝土工膜铺设

本文以某平原灌注式水库为研究对象，水库设计水位875.0 m，对应水面面积46 km2，库容1.38×108m3，库盘面积54.8 km2，死水位869.75 m，死库容0.08×108m3。水库利用率54%。水库岸线总长45.112 km，其中北库岸线长22.06 km，人工坝体总长23.052 km。水库进水枢纽设计流量25 m3/s，退水闸设计流量26 m3/s。放水涵洞：一库放水涵洞设计流量2 m3/s；二库两座放水涵洞设计流量均为12.5 m3/s。

坝的左侧有一个长约580 m的顶峰，最大高度约为25 m。由于坝基土的土工性质，在坝的左侧上游的土工膜已被用作衬垫，以减少整个坝基的水流。所用土工膜为厚1.5 mm的柔性合成HDPE膜，两侧有纹理。据大坝设计人员介绍，为了避免土工膜与压实土之间的滑移，选择了一种纹理土工膜。

土工膜在地基土上的设置是由先前挖掘的深0.80 m的锚沟和宽0.50 m的土工膜制成的，在这两种情况下，回填压实是通过靠近土工膜的手工操作设备来完成的。为防止膜损伤，大坝上游面土工膜锚槽宽2 m，在堤防施工后施工。土工膜面板之间的接缝采用双焊接工艺，通过热熔聚合物的应用，在焊缝之间形成一个气密通道。从通道可以识别最终缺陷，检查密封程序的质量，并修复最终确定的缺陷。为了保护土工膜并减轻由于某些机械效应而导致的最终局部破坏的影响，在土工合成材料上铺设一层50 cm的压实土。在压实的土层上，再建造一层厚50 cm的压实堆石保护层。见图1。

图1 上游坝面和地基上的土工膜横截面图

数据来源与分析：本研究中使用的数据来自承包商文件，如项目图纸、地形测量以及现场和实验室试验结果。水库大坝仪表由立管压力计、V形缺口流量计、水位计和表面标志组成。V形缺口流量计负责测量内部排水系统的水流量。在大坝左侧的5个部分安装了仪器。根据坝基左侧几处钻孔的现场渗透试验，确定了透水地基土层厚度。所采用的基础层的水力传导率是每个层的几个测试的平均值。由于路堤的施工过程，相对于渗透性的各向异性由水平导水率(kh)和垂直导水率(kv)之间的比率确定。

分析中所用的土石坝的垂直和水平平均导水率是根据实验室渗透性试验结果确定的。通过对土石坝原状块体的试验，得到平均水平渗透系数为1×10-5cm/s，垂直渗透系数为2×10-6cm/s。因此，水平渗透性大约是垂直渗透性的5倍。基岩主要由玄武岩组成，由风化产物覆盖。基础基岩的平均导水率为1×10-6cm/s。

3 小尺度渗流模型

在室内进行了土壤岩土特性和小规模模拟的实验室试验。考虑到水库大坝的一些特性，小规模模型由一个装满沙子和其他材料的渗透池组成，以1∶100的比例表示假设堤坝的横截面几何。

3.1 建模的几何和边界条件

根据水库大坝的几何特性，如上游和下游边坡倾角、坝顶宽度、坝体高度和基础层厚度等，确定断面模型的几何结构。需要强调的是，小比例尺模型是大坝仪表截面的简化，因此采用平均参数。

在坝基上的土工膜处理面积的长度，是由几个水电站坝段的几何数据定义的。因此，在小尺度模型(L=4H)中再现上游坝基处理长度(L)与坝高(H)之间的比值。模型中采用的内部排水系统由垂直滤池和铺盖式排水管组成，与大坝原型相似。

小比例尺模型的边界条件为：①水库水位；②下游水位；③上游防渗层的水流限制。上游水位被设置为代表水库的最大正常水位。

3.2 小尺度模型模拟

模型长250 cm，高60 cm，宽45 cm，容积为0.75 m3。水渗透到路基和模型的基础上，通过位于水箱末端的出水口收集流量，从而确定流量。渗水箱装有压力计，以测定不同点的压头。图2显示了模型中的压力计位置。本文将堤坝中的压力计称为PE，坝基测压计称为PF。模型特征见表1。

图2 小型模型中的测压计位置模型横截面设置

表1 小规模模型特征

通过模拟3种不同的情况，允许评估上游不渗透膜在坝上的作用：①没有地基处理；②在坝上游的土工膜的使用；③在坝体上游使用受损的土工膜。对每一种模拟，总压头和渗滤流量的读数都被记录下来。图3为一个小规模的模型草图。

图3 小比例尺模型

在模拟土工膜存在缺陷的模型中，在大坝模型上游的密封材料上设置纵向开口，以便模拟土工膜安装和大坝施工结束时可能出现的缺陷。

3.3 小尺度渗流模拟结果

小模型上采用的尺寸与水库大坝上采用的尺寸不完全相同，模型中只分析一个截面。见图4。

图4 小比例尺模型的尺寸

表征试验结果、最大和最小空隙率以及材料的渗透性见表2。根据材料的粒度分布曲线，验证了其在过滤排水中的适用性。

表2 小型模型所用材料的实验室试验结果

图5为在小规模模型截面上获得的总水头值。考虑到这些布置是指大坝的同一横截面，并且分析了一组不同的压力计，因此将压力计分为3种布置，以简化对结果的分析。根据图5可知，坝模型上游未损坏土工膜的存在减少了通过堤坝和基础的总流量约46%。另一方面，与未经处理的情况相比，有缺陷的土工膜的存在只减少了8%的水流量。根据图5布置1中获得的结果，大坝模型上游存在土工膜会导致总水头降低。由图5还可以观察到，水力水头的降低主要发生在排水管的上游。说明缺陷的存在导致地基处理效率较低。

图5 小型模型试验中获得的总水头

上游不透水层的地基处理对堤坝材料上的水头几乎没有影响，见图5中布置2。另一方面，在堤坝与基础材料界面处的液压头中可以看到一些影响，见图5中布置3(PE - 2和PE-4)。

对于小尺度模型，得到的结果表明，土工膜减少了堤坝和地基的压力头以及排水系统收集的流量。压头的降低发生在坝基下面、土工膜下方和坝体堤坝上游的垂直过滤器上。另一方面，在大坝下游侧，观测到压力水头的微小变化，说明下游侧的流量受排水管的控制。试验还表明，如果使用的土工膜有损坏，排水系统和压头收集的总流量与试验中观察到的没有土工膜的总流量相似。

对于考虑土工膜长度的分析，在坝基处理的地基土中检测到压头减少。因此，减少的幅度取决于处理过的地基延伸。试验还发现，通过基础的渗流取决于水渗流路径的长度。考虑到土工膜在坝上游坡面上的长度分析，当大部分水流通过地基时，地基土中的压头与安装在大坝上游坡面上的土工膜长度有很小的变化。但随着上游斜坡上土工膜长度的增加，路堤内的压头减小。考虑到大部分的总流量发生在地基上，增加坝体上游坡面土工膜的长度不能有效地减小该参数的大小。因此，仅采用在斜坡上锚定土工膜所需的长度即可。

4 结 论

本文对HDPE土工膜作为土石坝上游防渗层的性能进行了试验研究。水库的数据有助于开发小型渗流模型。在试验后，对一些参数进行了标定。此外，还对土工膜中存在的缺陷、防渗层厚度和土工膜长度进行了假设。

对于土工膜中出现缺陷的分析，土工膜上压实的土层对地基处理具有良好的性能。在没有压实土层的情况下，考虑土工膜纵向撕裂的模拟中，与没有损坏土工膜的模拟相比，流量增加约25%。然而，考虑到除了土工膜衬垫之外，具有比基础保护层低的渗透性的土壤，流量减少仅为6%。与水力梯度有关的是，土工膜在地基土上的使用导致梯度值大于1.5。因此，建议谨慎建造锚槽，以避免土工膜和压实土壤之间出现意外渗透。如果土工膜有缺陷，也必须特别小心。基于以上分析结果，采用土工膜处理透水性地基，可以很好地降低大坝的流压荷载。