孫經(jīng)緯

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1 引言

土工膜是由透水性較低的聚合物和瀝青等材料制成,與傳統(tǒng)的水工防滲材料相比具有施工方便、快捷,適應變形能力強,造價低等諸多優(yōu)勢,在老壩滲漏修復和新壩防滲領(lǐng)域均具有良好的應用前景,特別是一些新建水利工程利用復合土工膜作為堆石壩的防滲體,并取得了良好的工程效果[1]。當然,目前的國內(nèi)工程應用主要是高度為30 m 以下的低壩,在高堆石壩領(lǐng)域的應用研究不多。究其原因,高堆石壩的膜防滲結(jié)構(gòu)運行和變形機理研究是重要的影響因素[2]。同時,我國中西部地區(qū)存在諸多深厚覆蓋層壩址以及黏土防滲層取土受到諸多制約,因此在高堆石壩中采用面膜防滲具有重要意義[3]。

對高堆石壩而言,混凝土面板必須要進行分縫處理,而面板與周邊岸坡的連接部位的周邊縫也是大壩防滲結(jié)構(gòu)的薄弱部位。在大壩運行期間,面板與岸坡連接部位的協(xié)調(diào)變形特征以及周邊縫的防滲效果對大壩安全有直接影響。一旦出現(xiàn)問題,修復時必須要放空水庫,工程成本較高?；诖?此次研究利用模型試驗的方式,獲取周邊縫部位防滲結(jié)構(gòu)的特征。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

目前,常用的面膜堆石壩土工膜主要有HDPE、PE、PVC 和TPO 等幾種。研究中按照《土工合成材料測試規(guī)程》（SL 235-2012）的標準通過對上述幾種土工膜材料的單向拉伸、液脹、局部損傷以及適應顆粒變形等能力方面的性質(zhì)進行試驗,結(jié)果顯示：PVC 膜具有較寬的線性變形區(qū)間、漲破風險小、耐局部劃痕損傷能力好、適應墊層變形能力強等優(yōu)勢。因此,試驗中選擇厚度為2 mm 的PVC 土工膜進行試驗。根據(jù)試驗結(jié)果,土工膜的物理力學性質(zhì)見表1。

表1 PVC 土工膜物理力學性質(zhì)

2.2 試驗設(shè)備與方法

水力特征的試驗儀器主要由大變形保持裝置、靜水壓力機以及信息采集裝置組成。其中,大變形保持裝置為上下法蘭盤。其中上法蘭盤設(shè)有圓形密封槽,同時配合使用硅膠密封圈實現(xiàn)密封作用,在取樣過程中需要將兩個法蘭盤放置在處于不同大變形狀態(tài)的土工膜兩側(cè),然后將其外部螺孔對齊,然后用螺絲固定法蘭盤,之后緊固土工膜,使其保持大變形狀態(tài)。在下法蘭盤上的透水區(qū)均布有透水孔,以保證滲透通道。

圖1 法蘭盤結(jié)構(gòu)示意圖

試驗系統(tǒng)中使用TY070 型靜水壓力機,最大壓力值為2.5 MPa。土工膜試樣以及多孔板隔斷高壓倉和低壓艙。在試驗過程中需要將低壓艙注滿水并密封,在水頭壓力的作用下土工膜滲漏水被壓入低壓艙,最后通過溢流管進入燒杯[4]。試驗系統(tǒng)的信息采集裝置主要包括溫度傳感器、電子天平。在試驗過程中首先利用電子天平測量滲透量,然后經(jīng)過計算獲取滲透系數(shù),并以此為基礎(chǔ)分析大變形狀態(tài)下土工膜的水力特征[5]。

2.3 試驗方案設(shè)計

考慮到傳統(tǒng)混凝土面板堆石壩和面膜堆石壩在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面比較相似,防滲膜位于大壩的上游面。因此,研究中參考已經(jīng)建成的高面板堆石壩周邊縫部位的變位實測進行試驗[6]。根據(jù)實測數(shù)據(jù),周邊縫部位的PVC 土工膜延伸率在20%至300%之間。顯然,土工膜的延伸率較大時,周邊縫會發(fā)生滲漏破壞,需要進行除險加固。因此,試驗主要針對土工膜產(chǎn)生較大的延伸率,同時沒發(fā)生破壞的周邊縫。故試驗中確定50%、90%和120%等三個典型土工膜延伸率進行試驗。

目前面膜堆石壩周邊縫的水壓力數(shù)據(jù)也比較缺乏,因此仍舊參考我國已建和在建高面板堆石壩的實測數(shù)據(jù)。目前,我國高面板堆石壩的壩高一般為100 m～150 m,因此確定試驗中的水壓范圍為1.0 MPa～1.5 MPa,按照0.1 MPa 的間隔加載。試驗中按照30 d、60 d 和90 d 等3 個不同的試驗周期進行取樣試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土工膜母材滲透量

對延伸率為0%的土工膜母材利用上述設(shè)備和方法進行滲透試驗,并對獲得的試驗數(shù)據(jù)進行整理,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出滲透量隨試驗壓力的變化曲線,結(jié)果見圖2。從試驗結(jié)果可以看出,PVC 土工膜母材的滲透量隨著水壓力的增大呈現(xiàn)出逐漸增大的變化特點,但是變化的速率極不均勻,當水壓力在1.2 MPa～1.4 MPa 時的增加速率較大,其余水壓力范圍內(nèi)的增加速率相對較小。

圖2 土工膜母材滲透量變化曲線

3.2 大變形土工膜滲漏量

研究中對不同大變形試驗方案條件下的試驗數(shù)據(jù)進行整理分析,獲得PVC 土工膜的滲透量,結(jié)果見表2。從試驗結(jié)果可以看出,水壓力是大變形土工膜滲漏量的重要影響因素,且在不同試驗周期上的變化規(guī)律有所不同。具體來看,在30 d試驗周期條件下,大變形土工膜在1.0 MPa～1.1 MPa 的水壓力范圍內(nèi)滲漏量有所下降,且延伸率越大,下降幅度越明顯。之后,滲漏量隨著水壓力的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的波動變化特點,但是變化額幅度相對不大。在其余試驗周期條件下,滲漏量的變化特征比較復雜,即使同一試驗周期、同一初始變形的試驗其變化特征也各不相同。由此可見,在經(jīng)過大變形作用且應力松弛的土工膜,其滲透規(guī)律與PVC 母材相比存在較大的變化,在同一試驗周期的變化趨勢也各不相同。因此,不同應力松弛周期的PVC 土工膜試樣的滲漏量變化特征存在明顯差異,這對于試驗分析是明顯不利的。另一方面,試驗中對土工膜滲漏量的影響因素也較多,因此需要對這些影響因素進行科學控制,以便對其滲透規(guī)律進行有效分析。

表2 大變形土工膜滲漏量試驗結(jié)果

3.3 大變形土工膜滲透系數(shù)

由于土工膜的厚度較薄,無論是滲透通道還是滲流速度都相對較小,因此具有顯著的層流特征。所以,在滲透系數(shù)分析計算中可以使用達西定律。另一方面,土工膜的滲透量還受到溫度和試樣厚度的影響。因此,滲透系數(shù)的分析計算,對土工膜滲透特征的研究具有重要意義和作用。滲透系數(shù)的計算公式如下：

式中：km20為土工膜溫度為20℃時的滲透系數(shù),cm/s；V 為滲透水體積, cm3；δ為土工膜的厚度,cm ；A 土工膜過水面積,cm2；Δh 為水位差；cm；t 為滲透水量的歷時,s；η為水溫修正系數(shù)。

在滲透系數(shù)的計算過程中,水溫可以通過試驗記錄數(shù)據(jù)獲取,結(jié)果見表3。

表3 試驗水溫記錄結(jié)果

由試驗水溫數(shù)據(jù)可以計算獲取水溫修正系數(shù),結(jié)果見表4。

表4 水溫修正系數(shù)計算結(jié)果

利用滲漏量試驗數(shù)據(jù)和不同水溫條件下的水密度,計算獲取滲漏體積,結(jié)果見表5。

表5 滲漏水體積計算結(jié)果

在水力特征試驗之前,首先測量大變形土工膜的厚度。在試驗過程中,水壓會直接作用于土工膜,而土工膜由于法蘭盤的緊固作用其面積大小不會變化,而水壓力的作用會壓縮其厚度,針對這一變化,利用萬能試驗機對試樣進行壓縮,獲得不同壓力作用下其厚度的變化系數(shù),然后經(jīng)過換算,獲取試驗中土工膜的實際厚度,結(jié)果見表6。

表6 大變形土工膜厚度試驗結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果和土工膜滲透系數(shù)計算公式,計算出不同試驗方案下土工膜的滲透系數(shù),結(jié)果見圖3。由試驗結(jié)果可以看出,土工膜的延伸率為50%和130%時的滲透系數(shù)變化規(guī)律比較接近,隨著水壓力的增大基本呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點,并且在水壓力為1.2 MPa 時達到最大值,之后迅速減小。兩者不同的是延伸率50%時滲透系數(shù)的后期變化比較平穩(wěn),而延伸率為130%時的滲透系數(shù)一直減小。延伸率為90%時的變化規(guī)律正好相反,滲透系數(shù)隨著水壓力的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點,在水壓力為1.2 MPa 時基本達到最小。同時,在試驗周期相同時,延伸率為50%和90%時的滲透系數(shù)基本大于延伸率為130%的土工膜?？傊?在土工膜拉伸變形后,其滲透系數(shù)存在一定的下降,但是與黏土?；炷梁蜑r青混凝土等防滲材料相比仍具有明顯優(yōu)勢。因此,在周邊縫防滲結(jié)構(gòu)的土工膜經(jīng)歷較大變形之后,仍顯示出比較優(yōu)異的防滲性能,其工程應用價值比較突出。

圖3 不同試驗方案土工膜滲透系數(shù)

4 結(jié)語

高面膜堆石壩的周邊縫部位是大壩防滲的薄弱部位,對其防滲結(jié)構(gòu)的特征進行研究具有十分重要的意義和作用。此次研究利用室內(nèi)試驗的方式,分析了周邊縫變位導致的PVC土工膜大變形條件下的滲透特征,試驗結(jié)果顯示土工膜在經(jīng)歷大變形之后,其滲透系數(shù)會顯著增大,但是和傳統(tǒng)防滲材料相比具有顯著優(yōu)勢,仍舊表現(xiàn)出比較優(yōu)異的防滲性能。當然,此次研究沒有針對其他試驗溫度,特別是低溫環(huán)境下的防滲性能進行試驗。因此,在今后的研究中還需要在多個不同溫度梯度下展開試驗,以獲得更為科學和完善的研究結(jié)論,為土工膜在大壩建設(shè)中的應用獲得更多的支持。