土工膜缺陷对坝坡渗流特性及稳定的影响

陈昌盛

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

0 引言

土工膜是坝坡施工过程中较为常用的高分子聚合薄膜材料，具有防渗性能好、保持坝坡坡体连续性、造价低、施工速度快等特征，且土工膜防渗技术目前也较为成熟，是一种较好的土工材料。

对于土工膜在坝体中的应用研究目前已经取得了较为丰硕的研究成果：束一鸣[1]采用三维渗流场有限元模拟的研究方法，分析了土工膜的渗透量和缺陷渗漏量及膜后浸润面的变化规律；孙冬梅等[2]分析了不同阶段的土工膜缺陷探测的措施，并结合实际工程对不同缺陷检测措施的适用性进行了研究；顾淦臣[3]分析了土工膜缺陷与缺陷渗漏、土工膜强度分析、坝面土工膜稳定性、土工膜渗透机理、土工膜周边连接等问题；卢东晓[4]对中小型水库设计中，土工膜防渗技术在应用过程中的关键点进行了分析；牛飞[5]为了解决水源来水量减少的问题，对某饮水工程进行了铺设土工膜巩固提升改造；侍克斌等[6]分析了传统方法在土工膜防渗结构计算中的不足，通过推导坝体土工膜防渗结构抗滑稳定安全系数的表达式，验证了折线法的合理性；王艳玲[7]根据土工膜的工作机理、材料特性、边界条件和破坏模式，对坝体土工膜防渗结构的稳定性进行了计算；刘凤茹等[8]将坝体的实测测压管数据与有限单元法相结合分析了大坝典型断面开展稳定和瞬态典型工况下的大坝渗流场。

在上述研究基础上，本研究拟以某水库拦河大坝工程为研究对象，分析不同土工膜布设位置、不同缺陷尺寸、不同缺陷高度下坝坡坡体的渗流特征与抗滑稳定性系数的关系。

1 工程概况

本研究以某水库拦河大坝工程为研究对象，该工程库区属侵蚀剥蚀构造中山区，山顶高程1353m～1421.9m，河谷高程989.6m～1040.6m，相对高差300m～400m。水库河谷呈NE走向，河床平均比降9‰，水流较缓。由于水库河谷由砂、泥岩组成，岩性软硬相间，因此，河谷宽窄相间，狭谷地段为“V”形谷，开阔地段为“U”形谷。工程区出露的地层为侏罗系中统沙溪庙组与侏罗系下统香溪组紫红色泥岩、砂质泥岩夹长石石英砂岩互层，三叠系上统须家河组岩屑石英砂岩夹页岩、炭质页岩。第四系河流冲积与坡残积层主要分布于河床和缓坡地带。水库区无区域性断裂通过，河坝向斜呈小角度斜穿水库区，向斜两翼不对称，北翼相对较缓，倾角35°～37°，南翼相对较陡，倾角50°～70°，库区为斜向谷。库区岩体中除层面裂隙外，还发育两组构造裂隙。区内地下水主要为第四系松散层中的孔隙水和基岩裂隙水。

土工膜布置形式主要有坡面布置以及坝体中心防渗心墙布置方法，根据本工程实际特点，对于采用“之”型布设方法，土工膜布置与坝体施工同时进行，“之”型土工膜布置形式与坝体变形更加切合，不会导致过大变形与应变，进而防止土工膜破损，本研究对比分析两种土工膜布置形式的渗流特性与抗滑稳定性变化特征。

2 土工膜缺陷影响大坝渗流特性分析

2.1 坝体特征

研究对象为一高30m的砂砾石坝，坝体结构如图1所示，坝体前后坡度均为1∶1.7，水库正常蓄水水位高度为28m，设计A、B两种方案，分别为在坝体坡面及坝心位置处铺设土工膜，具体铺设如图1(a)、(b)所示，方案A土工膜膜后垫层厚度为50cm，方案B在“之”型土工膜中间铺设垫层，垫层水平厚度为80cm，厚度1.0mm的土工膜相当于10.0cm厚的多孔介质防渗层。根据实际工程调查，土工膜最常出现的破损形式为5.0cm、10.0cm、20.0cm，破损缺陷的高度间距设计为0.80m，即在0.40m、1.20m、…、27.40m位置处设置破损缺陷。

图1 坝体结构

该坝体的材料力学参数如表1所示，坝体、垫层的土水特征曲线与渗透系数变化曲线如图2所示。

表1 坝体的材料力学参数

图2 坝体的材料特性曲线

2.2 渗流特性分析

在方案A的情况下，紧贴膜后与X=66m位置处的浸润线与土工膜缺陷高度变化曲线如图3所示，分析图3中的数据可以发现，在方案A的情况下，随着土工膜缺陷高度不断增大，浸润线的高度呈现先变大后变小的变化趋势，且在土工膜缺陷高度为8.40m高度左右时，浸润线的高度出现小范围的激增。

(a)紧贴膜后

在方案A土工膜布置条件下，当浸润线的高度分别为7.60m、8.40m及9.20m，土工膜缺陷尺寸为5cm时，土工膜后坝体的浸润线分布如图4所示，且当土工膜缺陷尺寸为10cm、20cm时坝体的浸润线分布规律与之类似，本研究不再赘述。分析图4中的数据可以发现，当缺陷高度为9.20m时，在缺陷位置附近，垫层位置处出现局部独立饱和范围，但该区域未影响坝体内部浸润线的分布，浸润线仍在坝体内部呈现下降的变化趋势；但当缺陷高度为8.40m时，在缺陷位置附近，垫层位置处也出现了局部独立饱和范围，但该区域影响坝体内部浸润线的分布，浸润线在饱和区附近有局部的抬高，使得垫层与坝体内部垫层附近局部区域出现贯通。

图4 方案A土工膜后坝体的浸润线分布

在方案B的情况下，紧贴膜后与X=66m位置处的浸润线与土工膜缺陷高度变化曲线如图5所示，分析图5中的数据可以发现，在方案B的情况下，随着土工膜缺陷高度不断增大，浸润线的高度也呈现先变大后变小的变化趋势，且在土工膜缺陷高度为4.40m高度左右时，浸润线的高度出现小范围的激增。

(a)紧贴膜后

在方案B土工膜布置条件下，当浸润线的高度分别为5.20m、4.40m及3.60m时，土工膜后坝体的浸润线分布图如图6所示。分析图6中的数据可以发现，三种高度情况下，土工膜后坝体未出现明显的局部抬高现象。

图6 方案A土工膜后坝体的浸润线分布

图7为两种方案下的不同缺陷尺寸时，坝体水流渗流量随土工膜缺陷高度的变化曲线，对于坝体坡面铺设土工膜的方案A及坝心位置处设土工膜的方案B，三种不同尺寸的缺陷对渗流量的影响不大，且影响差值随着土工膜缺陷高度的增加逐渐减小。对于方案A，渗流量随着高度的增加呈现先增大后减小的变化趋势；而对于方案B，渗流量随着高度的增加而逐渐减小，其中在土工膜缺陷高度12.0m～15.0m范围内时，减小幅度最大。

(a)方案A

图8为两种方案下的不同防渗形式、缺陷尺寸(5cm、10cm)时，坝体水流渗流量随土工膜缺陷高度的变化曲线，分析图8中的数据可以发现，两种缺陷尺寸下的坝体水流渗流变化趋势基本相同，但缺陷尺寸越大，坝体水流渗流量越大。

(a)5cm缺陷

2.3 坝体稳定性分析

土工膜存在缺陷，导致坝体内部渗流特性发生改变，进而会引起坝体稳定性的变化，图9为在方案A土工膜布置条件下，土工膜不同缺陷尺寸时，上游坡体的稳定性系数与土工膜缺陷高度的关系曲线。分析图9中的数据可以发现，土工膜的缺陷尺寸不同对坡体稳定性的影响较小，且方案A下的上游坡体的稳定性系数随着土工膜缺陷高度的增加逐渐增大，对于方案B的稳定性系数值，由于上游的渗流未发生变化，因而稳定性系数与不布设土工膜时相同。

图9 上游坡体的稳定性系数-土工膜缺陷高度曲线

两种方案下的缺陷尺寸为5cm时，上游与下游的抗滑稳定性安全系数与缺陷高度的变化曲线如图10所示。分析图10中的数据，对于上游抗滑稳定性安全系数，方案A明显大于方案B，这主要是由于方案A在坝体坡面铺设土工膜的作用下，库水的作用力仅存在坝坡的表面，使得坝体的抗滑性能有效提高，因而抗滑稳定性安全系数处于较高水平；而方案B，由于坝心位置处布设土工膜对于上游坝坡位置的抗滑性能提高无明显效果，因而抗滑稳定性安全系数较小。对于下游坝坡抗滑稳定性安全系数，两种土工膜布设条件下的抗滑稳定性安全系数值及变化趋势基本相同，且上下游抗滑稳定性安全系数值随着缺陷高度的增加逐渐增大。

(a)上游坡坝

3 结论

本研究以某水库拦河大坝工程为研究对象，分析了不同土工膜布设位置、不同缺陷尺寸、不同缺陷高度下的坝坡坡体的渗流特征与抗滑稳定性系数的关系，主要得到以下结论：

(1)浸润线的高度随着土工膜缺陷高度的增大呈现先变大后变小的变化趋势，方案A时浸润线在饱和区附近有局部的抬高，坝体内部垫层附近局部区域出现贯通；但方案B不存在。

(2)缺陷尺寸对渗流量的影响不大，方案A渗流量随着高度的增加呈现先增大后减小的变化趋势，方案B渗流量随着高度的增加而逐渐减小，方案A渗流量大于方案B。

(3)土工膜的缺陷尺寸不同对坡体滑坡稳定性的影响较小，坡体的稳定性系数随着土工膜缺陷高度的增加逐渐增大。对于上游坝坡抗滑稳定安全系数，方案A明显大于方案B；下游坝坡抗滑稳定安全系数两方案基本相同。