西霞院反调节水库复合土工膜耐久性及其防渗安全分析

苏畅 谢宝丰 张凯 洪羽 王磊

摘 要：西霞院反调节水库工程属国内首次大规模采用土工膜防渗的大型水库工程，土工膜防渗面积大，其耐久性直接關系工程安全。在现场调查基础上，对西霞院反调节水库土石坝段土工膜相关监测数据进行全面、系统、深入分析，结合室内试验模拟不同影响因素下土工膜耐久性，采用有限元法分析土工膜缺陷部位和尺寸对土石坝渗流的影响，并采用线性加权法和层次分析法建立土工膜防渗安全评价指标体系对土工膜防渗安全性进行综合评价。土工膜防渗安全性评价结果表明，复合土工膜防渗安全性为正常。

关键词：复合土工膜;耐久性;防渗安全;西霞院反调节水库

中图分类号：TV641

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.026

引用格式：苏畅，谢宝丰，张凯，等.西霞院反调节水库复合土工膜耐久性及其防渗安全分析[J].人民黄河，2021，43（12）：131-134，138.

Abstract： Xixiayuan Anti-Regulating Reservoir Project is the first large-scale reservoir project using geomembrane for seepage control on the main stream of the Yellow River. The geomembrane has a large anti-seepage area and its durability is directly related to the safety of the project. Based on the field investigation， the monitoring data related to geomembrane of Xixiayuan Anti-Regulation Reservoir were comprehensively， systematically and deeply analyzed and the relationship between its dynamic change and external environmental factors was analyzed. Combined with the durability test of geomembrane under different factors simulated in the laboratory， the influence of different positions and sizes of geomembrane defects on the seepage of earth rock dam was analyzed by finite element method. The evaluation index system of geomembrane anti-seepage safety was established by using linear weighted method and analytic hierarchy process. Finally， suggestions for operation and management were given. The research has formed the technical theory with certain theoretical level and reference value， which provides successful experience for the further promotion and application of geomembrane in water conservancy projects.

Key words： composite geomembrane; durability; anti seepage safety; Xixiayuan Anti-Regulating Reservoir

复合土工膜作为防渗体在水库工程中应用的安全问题一直受到工程技术人员和科研人员的重视[1-2]。我国已建的土工膜防渗土石坝坝高多在50 m以下，且均建在较小的河流上。在大江大河上建造土工膜防渗土石坝是一种挑战，也是一次工程技术突破，在国内大型水库中大规模采用土工膜作为防渗材料，西霞院反调节水库尚属首次。

在现场调查基础上，对西霞院反调节水库土石坝段土工膜相关监测数据进行全面、系统、深入分析，模拟不同因素影响下土工膜耐久性，采用有限元法分析土工膜缺陷部位和不同尺寸对土石坝渗流的影响，并建立土工膜防渗安全评价指标体系对土工膜防渗安全性进行综合评价。通过研究明晰该工程土工膜现状，弄清影响土工膜耐久性的主要因素，以针对性采取维护保养措施。

1 工程概况

西霞院反调节水库是一座以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用的大（2）型水库，主体工程2004年1月10日开工， 2008年2月底全部完工， 2011年3月2日通过水利部主持的竣工验收。

西霞院反调节水库主要建筑物有土石坝、泄洪闸、排沙洞、排沙底孔、河床式电站厂房、坝后灌溉引水闸等。土石坝布置于混凝土坝段两侧，为复合土工膜斜墙砂砾石坝，坝顶设计高程137.80 m，最大坝高20.2 m，总长2 609.0 m，其中左侧土石坝长1 725.5 m、右侧土石坝长883.5 m。西霞院反调节水库土石坝铺设复合土工膜达12.8万m2，坝坡上土工膜连接的纵缝、横缝、铆接缝长度超过3.5万m，为我国大（2）型水利工程首次大规模使用复合土工膜（PE膜）。复合土工膜上部与坝顶防浪墙底部锚固，下部与大坝混凝土防渗墙顶部锚固，防渗墙设于上游坝脚，斜墙复合土工膜锚固于防渗墙顶部，见图1。

原设计左侧土石坝土工膜规格为（400 g/m2）/0.8 mm/（400 g/m2），即兩边土工织物（土工布）单位面积质量为400 g/m2、中间防渗膜为厚度0.8 mm的高密度土工膜;右侧土石坝土工膜规格为（400 g/m2）/0.6 mm/（400 g/m2）。工程所使用的复合土工膜主要控制指标见表1。

工程建设期在土石坝与左坝肩连接部位上游侧布置了复合土工膜试验区，共设5、10、15、20、30 a共5个试验区，均采用规格为（400 g/m2）/0.8 mm/（400 g/m2）的土工膜，分别采用焊接和胶接方法连接，施工方式充分模拟土石坝现场条件。2013年在试验区取样5 a期复合土工膜，其纵向抗拉强度、横向抗拉强度、纵向延伸率、CBR顶破强度、刺破强度等指标性能有所下降，降幅分别为26.7%、16.0%、2.0%、17.0%、21.4%，渗透系数满足设计要求，复合土工膜耐久性能有所下降。2017年3月，西霞院反调节水库竣工验收后首次安全鉴定阶段，鉴定专家组提出“本工程在国内大型工程中首次采用复合土工膜防渗，……并对土工膜的耐久性开展进一步的试验分析和研究，必要时进行专题论证”。

2 监测资料分析

2.1 应变监测

为对土工膜材料在施工加载受力后产生的应变参数进行监测，在A-A（桩号D0+295.58）、D-D（桩号D1+250）、F-F（桩号D2+550）断面及混凝土坝段和土石坝坝段两侧接合处I-I（桩号D1+689.00）、H-H（桩号D2+272.00）断面共5个断面进行监测，每个断面分别布设8支横向和4支纵向土工膜应变计。

从土工膜应变计测值变化过程线（见图2，其中GS3_45应变计不能正常工作，无数据）可知，各测点测值呈现较明显周期性变化，每年2月处于波峰、8月处于波谷，表明土工膜应变受外界气温影响较明显，各断面土工膜应变向负值绝对值增大方向发展，表明土工膜总体处于非受拉状态，土工膜受力状态良好。

2.3 渗压监测

大坝渗流监测设有3个主监测断面和4个次监测断面，共埋设18支渗压计，通过渗压计监测值分析土工膜防渗状况。D-D断面渗压计测值变化过程线见图3，土工膜下部131.00 m高程附近测点，自2007年运行至2018年8月，渗压水头在130.37～132.64 m之间变动，最高渗压水头仅高于埋设高程不足2 m，表明膜后渗压水头较低，土工膜防渗效果较好。

2.4 土工膜后气压监测

为了解土工膜与土体结合处在初次蓄水过程中是否有气压顶托情况，在A-A、D-D、F-F、H-H、I-I断面高程126.50、131.00 m分别布设土工膜气压计各2支，以监测膜后气压变化情况。膜后气压随气温的变化而变化，温度升高时膜后气压降低，温度降低时膜后气压升高，见图4。

3 复合土工膜耐久性室内试验

在自然环境条件下，受光照、温度、荷载作用等因素影响，复合土工膜材料的分子结构将发生改变，力学性能逐渐降低，影响材料的耐久性。为探究影响复合土工膜材料耐久性的主要因素，按照工程现场工况条件，在实验室内通过光辐射、温度、微生物、湿度、淋雨等环境因素控制，模拟自然环境，采用高、低温交变湿热试验箱对土工膜复合材料进行冻融循环加速老化试验。在30、-20 ℃的循环温度下，经过7个完整周期，在干燥、潮湿及西霞院库水浸泡3种状态下，评价试样光泽度、皱起程度、屈服抗拉强度、屈服伸长率、极限抗拉强度、极限延伸率、撕裂强度、渗透系数等。

室内土工膜耐久性试验结果表明，复合土工膜材料纵向抗拉强度随着时间的增加略有下降、极限延伸率未发现明显趋势性变化，渗透系数满足设计要求;干燥状态下复合土工膜纵向抗拉强度总体大于浸水状态下复合土工膜纵向抗拉强度;土工膜焊接缝和胶结缝处抗拉强度未见明显趋势性变化;土工膜屈服强度和断裂强度随时间增加略有增大、屈服伸长率和断裂伸长率未见明显趋势性变化。

4 土工膜缺陷对土石坝渗流影响及安全性评价

4.1 土工膜缺陷对土石坝渗流的影响

采用有限元法，结合工程实际建立二维数值模型[3-8]，从土工膜缺陷尺寸、位置角度进行仿真分析，研究土工膜缺陷对土石坝渗流场的影响。

为便于计算，土工膜按渗透系数等效放大的原则将厚度放大100倍进行模拟。模型上下游各截取一倍坝高，将防渗墙底部以下7.2 m作为底部边界。模型离散后，节点数为7 652，单元数为14 872。计算时，模型底部和上下游边界均设为不透水边界，正常蓄水位以下上游坝坡设为已知水头边界，下游坝坡设为出逸边界。有限元计算网格如图5所示。

坝基与坝体各材料分区渗透系数见表3。缺陷破损处渗透系数应为无限大，考虑土工膜渗透系数较小，将其渗透系数取为100 m/s。

模拟结果表明，缺陷渗漏对缺陷附近渗流场影响明显，随着水头与缺陷尺寸的增大，坝体各渗流要素如渗流坡降、单宽渗流量等逐渐增大，坝基防渗墙底部渗流坡降、单宽渗流量等逐渐减小;当缺陷尺寸小于0.2 m时，下部缺陷对坝体与坝基防渗墙底部渗流要素影响最大，中部缺陷影响次之，上部缺陷影响最小;当缺陷尺寸达到0.2 m时，中部缺陷对坝体与坝基防渗墙底部渗流要素影响最大，下部缺陷影响次之，上部缺陷影响最小。

4.2 土工膜防渗安全性评价

采用层次分析法，构建土工膜防渗安全评价指标体系并对土工膜防渗安全性进行评价，评价指标体系由目标层、准则层、指标层构成。准则层包括设计复查、施工复查、运行状况3个准则。设计复查包括土工膜规格型号、垫层与保护层、夹具效应3个指标，施工复查包括垫层与保护层施工工艺与质量、土工膜拼接质量、施工人员素质与技术水平3个指标，运行状况包括土工膜老化程度、护坡状况、土工膜实测性态（渗流、应变、锚固附近的接缝开度、坝体位移等）3个指标。

采用4级等区间划分的方法对土石坝防渗安全性进行分级。根据评价指标值对土工膜防渗安全性的影响程度进行排序，将指标分为4个等级，一级[0，2）、二级[2，4）、三级[4，6）、四级[6，8]分别对应正常（土工膜无缺陷渗漏，工作性态正常）、基本正常（局部存在渗漏异常，但不影响土工膜防渗安全性）、轻度异常（局部存在渗漏异常，对土工膜防渗安全性产生一定影响）、重度异常（坝体大面积渗漏，土工膜防渗性能基本失效）。同时采用线性加权法对土石坝防渗安全性进行综合评价，评价值归一化处理后[0，0.25）、[0.25，0.50）、[0.50，0.75）、[0.75，1.00]對应防渗安全性等级分别为正常、基本正常、轻度异常、重度异常。

为了对土工膜防渗安全性进行评价，邀请从事土石坝防渗土工膜研究的6位副高级及以上职称专家，根据土石坝设计、施工以及运行状况对各指标进行打分，同时根据各指标对土工膜防渗安全性评价结果的影响程度将土工膜的实测性态与老化程度确定为关键指标，采用层次分析法确定各评价指标的权重值。采用层次分析法计算的该工程防渗土工膜防渗安全性综合评价值为0.073，对评价值进行归一化处理，归一化值为0.246，属于正常。土石坝防渗土工膜安全性准则层评价结果见表4。

5 运行管理建议

后续土工膜防渗安全性监测应采取同一监测手段，以排除试验差异对结果的干扰，提高试验结果的可靠性。日常巡视检查中重点关注上游护坡和闸坝结合部位的运行状况，若发现上游护坡混凝土破损应及时修复并做好下部垫层料的补充和平整，闸坝结合部位应结合监测资料，重点关注变形及渗压计测值的变化。运行中若发现膜后渗压计测值显著上升，以“前堵后排”为原则进行处置，迅速降低库水位的同时，在下游坝坡或坝脚采用土工织物、砂砾石做反滤，集中渗水后排出，查明土工膜破损部位和范围后择机修复。

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【责任编辑 吕艳梅】