复合土工膜防渗斜墙设计及模拟分析——以新疆恰木萨水电站工程为例

舒 婧

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 工程概况

恰木萨水电站位于新疆自治区莎车县境内，工程主要由拦河引水枢纽、输水建筑物、前池、压力管道及电站厂房等主要建筑物组成。恰木萨水电站为中型Ⅲ等工程，引水渠首为3级建筑物。水库主坝为土石坝，校核洪水位1551.30m，最大坝高14.5m，坝长2144.20m。上游坝坡1∶2.5，护坡为混凝土板，下游坝坡1∶2.0，护坡为混凝土网格梁填干砌卵石。坝体防渗采用复合土工膜斜墙形式。

2 复合土工膜力学特性

2.1 土工膜种类及特征

土工膜是由高分子聚合物制作而成的柔性防水阻隔型薄膜，根据材料的不同可分为：低密度聚乙烯（LDPE）土工膜、高密度聚乙烯（HDPE）土工膜、EVA土工膜3大类。

在工程中一般将厚度超过0.8mm的土工膜称为防水板。3类土工膜的力学特性如表1［1］。

表1 各类土工膜力学特性

2.2 复合土工膜抗拉特性

复合土工膜是由土工织物和土工膜复合而成的不透水材料，根据结构不同可分为：一布一膜、一布两膜、两布一膜、两布两膜等，宽幅一般在4～6m，重量在200～1500g/m2。根据防水材料的不同也分为：LDPE复合土工膜、HDPE复合土工膜、EVA复合土工膜3大类。复合土工膜与土工膜的力学特性相比会有较大改变［2］。

考虑到本项目是在坝体防渗中应用，防渗效果对整个水利工程均有较大影响，因此恰木萨水电站防渗斜墙初步设计选用“环保型HDPE复合土工膜”（两布一膜），厚度0.6mm，宽幅4m，通过试验测定该土工膜拉伸曲线如图1［3］。

图1 土工膜拉应力—应变曲线

Tmax和εmax分别为本项目设计采用的复合土工膜所能承受的最大拉应力和拉应变，经测定Tmax≈10kN/m，而εmax≈135%，该类复合土工膜在本项目中是否合理会进行验证。

2.3 复合土工膜防渗斜墙结构设计

复合土工膜防渗斜墙属于一种新型防渗技术，目前应用较为广泛。结合其他工程经验，本工程防渗斜墙总体结构自下而上可分为：下垫层、土工膜、上保护层。其中下垫层自下而上为200mm黏土层+200mm砂砾料；上保护层从下至上为200mm砂砾料垫层、200mm混凝土板，如图2［4］。

图2 复合土工膜防渗斜墙结构

3 防渗斜墙主要材料参数

3.1 砂砾料

本项目采用砂砾料作为复合土工膜的过渡料，砂砾料和土工膜之间会产生摩擦力，而摩擦力大小与砂砾料粒径范围、含水量、摩擦系数等均有关系，在此通过试验设计砂砾料的最佳参数。

3.1.1 试验方法

砂砾石和土工膜接触面的摩擦特性所产生的剪切力τ主要由黏着力C、摩擦角θ、法向压力P决定，计算如式（1）［5］，试验剪切力盒模型如图3。

图3 砂砾料与土工膜试验模型

模型尺寸长×宽×高=200mm×200mm×100mm，模型上部用硬塑料板代替砂砾石土样，下部装填真实土样，通过测定百分表量力环变形值求得水平摩擦力：

试验时，依次施加垂直压力、剪切力，利用电动螺杆以3cm/min速度推进，直到百分表指针不再明显改变，说明土工膜和砂砾石之间已经剪坏。

项目试验根据水坝实际情况，共设计4种垂直载荷：11.5，18.5，26.3，33.8kPa。

3.1.2 试验结果分析

项目试验所选取的砂砾料粒径分4组：＜10mm，＜5mm，＜2mm，0.25～2mm；湿度共设计：干、中湿、高湿3级。

（1）小于10mm砂砾料与土工膜摩擦剪切力级配砂砾料和复合土工膜的摩擦试验数据如表2，过程拟合线如图4。

表2 砂砾料与土工膜的摩擦剪切力数据

图4 砂砾料与土工膜剪切力拟合曲线

由表2数据及图4可知：①在同一湿度下，随着垂直载荷增加，剪切应力逐步增加；②前3组在同一垂直载荷下，随着湿度增加，剪切应力呈现先增加、后降低趋势；③当垂直载荷为33.8kPa时，剪切应力呈现先降低、后增高趋势，与前3组正好相反。

（2）小于5mm砂砾料与土工膜的摩擦剪切力，该级配砂砾料和复合土工膜的摩擦试验数据如表3，过程拟合线如图5。

表3 砂砾料与土工膜的摩擦剪切力

图5 砂砾料与土工膜剪切力拟合曲线

由表3及图5可知：①在同一湿度下，随着垂直载荷增加，剪切应力逐步增加；②在同一垂直载荷下，随着湿度增加，剪切应力呈现逐步降低趋势；③相对于小于10mm砂砾料，小于5mm砂砾料与土工膜摩擦剪切力降低10%～30%。

后两组不同粒径的砂砾料与土工膜摩擦产生的剪切力与小于5mm砂砾料基本一致。通过对比，粒径越小与土工膜之间摩擦力越小，从坝体抗滑稳定性考虑，本工程土工膜过渡料选用小于10mm砂砾料。

3.2 复合土工膜延伸破坏验证分析

为验证恰木萨水电站大坝防渗斜墙的安全稳定性，利用有限元模拟软件对水库蓄水后坝体位移变形进行模拟。

3.2.1 模型的建立

建立的坝体模拟模型总体为6面体，其中复合土工膜为四边形薄膜单元 （共440个），坝基总单元数7470个，坝体单元数2400个，建好的模型如图6［6］。

图6 大坝有限元模拟模型

3.2.2 模拟结果分析

通过模拟水库在蓄水期坝体垂直位移，得到图7等值线。

图7 蓄水期垂直位移等值线

由图7可知：

（1）大坝中心位置位移最大，达到16cm。

（2）从坝体中心向上下游坝脚位置，坝体垂直位移量逐渐降低。

（3）本项目复合土工膜εmax≈135%，且宽幅为4m，其最大可承受变形量为140cm，远大于坝体垂直位移量，因此满足使用要求。

通过模拟水库在蓄水期坝体水平位移，得到图8等值线。

图8 蓄水期水平位移等值线

由图8可知：

（1）上下游坝坡中心位置水平位移量最大，约为4.0～4.5cm。

（2）从坝坡向坝顶位置，坝体水平位移量逐步降低。

（3）最终可知，复合土工膜满足坝体水平位移使用要求。

通过模拟水库在蓄水期坝体最大主应力，得到图9等值线。

图9 蓄水期最大主应力等值线

由图9可知：

（1）坝基中心位置主应力最大，达到0.4MPa。

（2）从坝基到坝顶位置，最大主应力在逐步减小，复合土工膜需要承受的最大主应力小于0.05MPa。

（3）本项目土工膜Tmax≈10kN/m，可换算得出其最大承受主应力为0.1MPa，因此复合土工膜满足坝体最大主应力要求。

4 结语

（1）复合土工膜防渗斜墙施工简单，质量可靠。但设计时要注意抗滑稳定性问题，选用既不会对土工膜产生破坏、摩擦力又较大的砂砾料。

（2）恰木萨水电站大坝复合土工膜防渗斜墙投入使用后，防渗效果良好，没有出现土工膜破裂、滑坡问题，在设计上是成功的。