土石坝土工膜渗透特性研究及应用

李景宏

(南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 210000)

1 引 言

防渗结构是土石坝的关键部位之一，易发生渗漏破坏。目前，土工膜广泛应用于土石坝中。然而，土工膜在安装过程中以及在其整个使用寿命中都很容易受到穿孔和撕裂的损坏，这些缺陷影响了土工膜作为渗透屏障的有效性，从而导致土工膜衬里漏入大坝。土工膜在大坝中的作用包括减少渗漏、提高稳定性和长期性能、降低施工成本。由于运输成本高，在没有合适土壤的情况下，筑坝材料的成本会显著增加[1]。土工膜衬垫是一种经济有效的工业产品替代品。即使有缺陷，土工膜也能减少通过土壤的渗漏量。建立了复合材料衬里系统缺陷泄漏的新方程。有限元分析表明，有缺陷的土工膜坝不会产生与无衬砌坝相似的孔隙水压力。通过在大坝上游铺设土工膜，提高了大坝的安全系数[2]。

土工膜耐久性试验主要内容是分析外界各种环境因素对土工膜材料耐久性的影响。通过各种环境测试模拟气候环境、极端温度等环境条件下的温度和湿度循环，该方法可使得材料加速失效，从而可以验证该材料符合研发、设计和制度的要求[1]。

本文从土工膜的渗透特性入手，通过对实测数据的反馈分析，得到了土工膜的平均渗透系数，解决了土工膜缺陷难以确定的问题。也研究了不同因素对土工膜耐久性的影响，对不同老化时间的土工膜进行了宽幅拉伸试验、梯形撕裂试验以及拉伸试验。

2 土工膜的渗流机理

根据技术文献报道的一些试验结果，得到的主要结果和对土工膜的认识如下[4]：

a.与其他材料相比，土工膜是一种低渗透屏障，而不是一种绝对不渗透屏障。

b.水可以扩散到土工膜中。

c.由于土工膜内部有孔隙而导致渗透。

土工膜是一种完全不同于传统防渗材料的新型防渗材料。它是一种无颗粒的土壤和非多孔介质。然而，土工膜土石坝的渗流计算尚未从理论上进行研究。本文将土工膜渗漏分为两类：渗漏、渗漏缺陷。渗流机理存在根本性差异，需要单独分析。

2.1 土工膜渗透计算

根据达西定律，建立了土工膜淋滤液渗流的数值模型。渗漏量Q计算公式如下：

(1)

式中A——渗透面积；

kg——渗透系数；

i——水力梯度；

h——水头；

Tg——厚度。

根据渗透试验结果，渗透系数不是固定值，而是一个数值区域。土工膜的渗透系数随压力的变化而变化见图1。一般来说，渗透系数很低。

图1 土工膜渗透系数

2.2 土工膜渗漏计算

如果材料的渗透系数大于10-3m/s，可以认为是自由渗透。然后通过伯努利方程计算土工膜的渗漏量：

(2)

式中H——水头；

g——重力加速度；

d——孔直径；

μ——流量系数；

a——单位面积缺陷面积。

2.3 比较分析

土工膜在安装过程中以及在其整个使用寿命中都容易受到穿孔和撕裂的损坏。经环网调查和统计分析，平均孔密度为每4000m2土工膜1个。孔的直径从1mm到5mm不等。考虑到我国的具体情况，实际密度大于上述密度。此外，孔密度为每4000m2土工膜1个，这是统计平均值。通过实例将土工膜渗流计算与渗流计算进行了比较。例：水头H=10m，渗透系数kg=1×10-11cm/s，厚度Tg=0.5mm，孔密度为1/4000m2，孔径为3mm。计算结果：渗流量为8×10-6m3/s(占总量的12%)，缺陷漏失量为6×10-5m3/s(占总量的88%)。算例表明，渗流和渗漏是不可忽略的。

3 土工膜土石坝渗流分析

以固体地基上的土工膜土石坝为例(见图2)，通过水力计算法计算不透水体的渗流：

图2 土工膜土石坝示意图

(3)

式中δ——厚度；

ke——渗透系数；

H1——上游水位；

he——防渗体后的溢流点；

α——上游坡角。

在土工膜厚度较小的情况下，根据黏土模型，土工膜厚度δ与土工膜渗透系数kg成正比，一般为1000倍，故等效厚度取0.5～1.0m，以便于计算。放大后，由于土工膜的厚度增加了很多倍，放大倍数为1000倍，我们不能忽略。

4 土工膜耐久性因素分析

为了研究不同因素对土工膜耐久性的影响，对不同老化时间的土工膜进行了宽幅拉伸试验、梯形撕裂试验以及拉伸试验。

4.1 试验方案

本文所用土工膜为两层400g/m2涤纶长丝土工布和0.6mm低密度聚乙烯薄膜。由于土工布和土工膜在生产过程中，不同批次的土工布和土工膜的性能可能不同，所有土工布和土工膜都是在同一批生产线上生产的，以保证实验室试验材料的稳定性。

土工膜按以下三种情况进行试验：

a.鉴于土工膜在运营期平均蓄水位以上应用，在不考虑水分影响的情况下，部分高于平均蓄水位的土工膜处于长期干燥状态。

b.从运行周期来看，土工膜在平均水位下的应用是浸没在高含沙量的湿溶液中，主要考虑了温度和湿度的影响。

c.在水位变化区域考虑湿度对膜材料的影响，进行了宽幅拉伸试验以及梯形撕裂试验。

4.2 试验结果及分析

在室内湿热和温度循环加速老化试验条件下，分析了不同老化时间土工膜的纵向拉伸强度、纵向延伸率、纵向撕裂强度、焊接强度、黏结强度和强度等力学性能。对干、湿、浸没三种状态的试样，每四个循环取一定尺寸的试样，然后用梯形取样法进行实验室试验。力学性能与时效时间的关系见图3～图5。

图3 纵向抗拉强度随时间变化

图4 纵向延伸率随时间变化

图5 纵向撕裂强度随时间变化

结果表明，土工膜材料的纵向拉伸强度在3种环境条件下随时间略有下降，在干态或湿态时强度波动较大，下降幅度较大，为干湿循环时强度下降幅度较小。当处于干态或者干湿循环时土工膜的纵向延伸率变化范围较小，没有明显的增减趋势。土工膜在干燥状态下的纵向拉伸强度一般大于浸没状态下的拉伸强度。有两种可能：ⓐ湿状态下土工织物纤维长丝之间的摩擦导致土工膜的抗拉强度降低；ⓑ浸水条件和冻融循环条件对纤维土工膜有一定的影响。

5 土石坝中PVC土工膜的应用

在水工建筑物中，常采用PVC土工膜作为土石坝和碾压混凝土坝的挡水材料，并作为混凝土面板堆石坝周边缝、竖向缝和土石坝收缩缝的外止水材料。土工膜可以处于裸露或覆盖的上游位置，也可以作为土石坝的土工膜核心。在新的土石坝中，其概念是避免混凝土面板堆石坝的刚性上游挡水墙，并用高变形暴露PVC土工复合材料系统代替它，建造一个土工膜面板堆石坝，其设计可适应大坝内以及可变形坝体和混凝土附件。上游土工合成材料允许对大坝采用非常简单的分层：不严格要求分区，可以使用单一填料，排水层的厚度通常可以减小，并且根据大坝的设计，它也可以作为防水土工合成材料的基层/锚固层。如果上游基层由挤压多孔混凝土路缘石制成，则锚固系统由嵌入挤压多孔混凝土路缘石中的PVC锚条组成，防水土工复合材料被固定到该锚条上(见图6)。

图6 土石坝中PVC土工膜的固定

这种方法已成功地应用于多个大坝中，能够以非常快的速度、低成本建造由压实填料构成的不透水大坝，提供稳定性，以及不透水性并能够容纳沉降和不均匀运动的柔性上游衬垫。在土石坝中，全断面防水系统类似于混凝土坝修复中所描述的系统；在多个大坝中也采用了混凝土面板嵌入防水土工合成材料的覆盖方案。

6 结 论

根据土工膜的渗流机理，土工膜的渗透主要有两种形式：一种是土工膜自身渗透，另一种是土工膜缺陷渗透。它们的渗流机理完全不同，应该区别对待。计算结果表明，渗漏水不容忽视。通过对实测数据的反馈分析，得到了土工膜的平均渗透系数，解决了土工膜缺陷难以确定的问题。最后分析了土工膜耐久性因素。分析表明：土工膜材料的纵向拉伸强度随时间略有下降。渗透系数随老化时间的延长而变化。干燥状态下的纵向拉伸强度一般大于浸没状态下的拉伸强度。土工膜的屈服强度和断裂强度随时间略有增加，但幅度较小。土工膜的屈服伸长率和延伸率随老化时间的变化不明显。