不同膜布组合形式下复合土工膜的气胀变形破坏试验

邵明政

(广饶县水利工程公司，山东 东营 257300)

土工膜具有防渗效果好、寿命长、适应能力强、施工简便灵活等诸多特性，目前在渠道、大坝、堤防、水库等工程防渗中被广泛应用，由于土工膜的易损特性，在使用过程中常以膜布组合形式(复合土工膜)作为结构的主要防渗材料。

但是，复合土工膜在施工过程中易受热效应影响，导致漏焊、虚焊现象发生，为避免此问题，有些水库在设计防渗体时在土工膜两侧或一侧铺设一层土工织物进行保护，从而形成分离式复合土工膜，分离式复合土工膜虽然解决了土工膜的易损特性，但在库区水位上升-下降过程中很容易造成膜下非饱和土层内的孔隙气体压力增大，若此压力超过防渗体的极限承载力，就会导致复合土工膜发生鼓胀变形甚至是破坏，从而影响水库的整体防渗效果，严重时会有引发水库渗流溃坝的风险。

山东省以平原为主，为解决水资源供需矛盾问题，需要修建大量的平原水库，为减小对耕地的占用，这些水库又大多修建在地质条件并不理想的地区，因此水库防渗一直是山东省水库建设的重点内容，由于采用复合土工膜防渗较其他传统防渗措施具有诸多优势，因此，被大量应用于水库防渗工程中。基于此背景，本文设计了不同膜布组合形式的复合土工膜气胀变形破坏试验，以期能为平原区水库水平防渗工程的设计、施工提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验材料

复合土工膜由土工膜和土工布组成，其中土工膜为高密度聚乙烯土工膜(HDPE)，厚度为0.4mm,密度为0.93g/cm3,断裂强度为37.5kN/m，断裂伸长率为61.5%，直角撕裂强度37.5N，抗穿刺强度75N，表面光滑；土工布属于短针刺无纺土工布，平均厚度2.1mm，质量为250g/cm2，断裂强度为8.2kN/m，断裂伸长率为63%，垂直渗透系数0.002cm/s。试验时均裁剪成直径为20cm的圆形，并用夹具夹紧。

1.2 试验设备

试验设备为改进的TSY-34土工膜胀破强度测定仪，该设备主要包括上下法兰盘、操作平台、控制平台、加压系统以及激光位移传感器，见图1。试验时先将复合土工膜固定在法兰盘之间，然后将激光位移传感器与电脑相连并调整其处于合理位置，安装摄像头以记录显示器上的变形和压力数值，检查加载系统和电气设备，确认无误后开始在控制平台上进行试验操作，最后对试验数据进行统计分析。

图1 试验加载设备1—土工膜；2—下法兰盘；3—上法兰盘；4—操作平台；5—控制平台；6—加压系统；7—激光位移传感器

1.3 试验方案

试验共设置6种组合方式，具体为：单层土工膜、双层土工膜、膜下布上、布在中间膜在两侧、布下两层膜、膜上两层布；压力加载速率为100kPa/s，见表1。

表1 试验膜布组合方案

2 试验结果分析

2.1 应力-应变曲线分析

不同膜布组合方式下的应力-应变曲线特征见图2。从图2中可知：不同膜布组合形式下的复合土工膜应力-应变曲线表现出较大的差异，在纯土工膜(S-1和S-2)情况下，应力-应变曲线表现出两阶段变形特征，即线弹性变形和塑性屈服变形，在塑性屈服变形阶段，张应力不再增加，双层土工膜的屈服应力大于单层土工膜，且前者约为后者的两倍，增加土工膜，可以提升防渗体的弹性性能，使其拥有更好的形变恢复能力和更佳的韧性；在膜下布上(S-3)、布下两层膜(S-5)以及膜上两层布(S-6)三种组合方式下，应力-应变先是经历了线弹性变化阶段，后又经历了一个短期的张应力下降过程(屈服过程)，这是因为土工膜和土工布的强度和形变能力有所差异，土工布主要起“加筋”作用，但其形变能力大大弱于土工膜，因此，土工布会在经历一定形变后发生局部破损，故出现一定的应力降低现象，随后，复合土工膜进入强化破坏阶段，应力随着应变的增加而增大；布在中间膜在两侧(S-4)的应力-应变曲线经历了弹性变形、塑性变形和弱化破坏变形三个阶段，当复合土工膜进入塑性损伤后，其应力持续降低，直至发生失稳破坏。

图2 不同组合方式应力-应变曲线分析

2.2 胀破强度和高度分析

试验得到的不同膜布组合方式下的胀破压力和高度情况见图3。从图3中可知：膜上两层布(S-6)的胀破压力最大，单层土工膜(S-1)的胀破压力最小，前者约为后者的6倍；从S-2和S-3试验组的胀破压力对比可知，增加土工布或者土工膜层数均能明显提升胀破强度，但土工布起到的加筋作用明显强于土工膜，土工布层数越大，胀破压力越大；膜布组合方式对胀破压力也有显著影响，当土工膜均位于底层时(S-5)的胀破压力要高于膜布间隔布置(S-4)方式，这主要是由于土工布的渗透性较大，压力介质容易穿过，这实际上减弱了膜布之间的相互作用关系，因此，所能承受的胀破压力减小。

图3 不同组合方式胀破强度和高度分析

对比不同膜布组合方式下的胀破高度可以发现，纯土工膜试验组的胀破高度大于复合土工膜试验组，增加土工膜层数，可以使其塑性变形能力增强，因此双层土工膜的胀破高度最大，单层土工膜次之；在复合土工膜试验组中，布在中间膜在两侧的胀破高度最大，其次为布下两层膜试验组，膜上两层布和膜下布上组合方式的胀破高度基本相当。

2.3 鼓胀断裂强度和伸长率

试验得到的不同膜布组合方式下的胀破压力和高度情况见图4。从图4中可知：不同组合形式下的鼓胀断裂强度变化特征与胀破强度变化特征相似，即膜上两层布(S-6)的鼓胀断裂强度最大，为185.5kN/m，单层土工膜(S-1)的鼓胀断裂强度最小，为28.4kN/m，前者约为后者的6.5倍；双层土工膜的鼓胀断裂强度为57.2kN/m，约为单层土工膜的2倍；膜下布上土工膜的鼓胀断裂强度为90.7kN/m，约为单层土工膜的3.2倍，布在中间膜在两侧土工膜的鼓胀断裂强度为119.3kN/m，约为单层土工膜的4.2倍，布下两层膜土工膜的鼓胀断裂强度为135.9kN/m，约为单层土工膜的4.8倍。

图4 不同组合方式鼓胀断裂强度和伸长率分析

鼓胀断裂伸长率的变化特征与胀破高度变化特征基本一致，加入土工布后，虽然提升了土工膜的断裂强度，但是，也会在一定程度上削弱其形变能力，复合土工膜的断裂伸长率为19.2%～26.9%，而单层土工膜的鼓胀断裂伸长率为31.4%，双层土工膜的鼓胀断裂伸长率为34.3%；复合土工膜的鼓胀断裂伸长率仅为单向拉伸断裂伸长率的1/3，且远远小于土工膜的单向拉伸断裂伸长率。

2.4 试验结果分析总结

复合土工膜在受到外界气体鼓胀压力时，鼓胀压力由膜布共同承担，由于土工膜的表面十分光滑，可认为土工布和土工膜之间不会存在相互作用的情况，但实际上由于土工布存在不光滑的情况，使得只有当膜布的鼓胀变形高度达到一定程度后，此时土工布和土工膜所承受的鼓胀压力才是相互独立的。因此，在鼓胀变形前期，复合土工膜的受力和变形状况更加复杂，鼓胀变形后期，则为单纯的土工布和土工膜分别单独承受鼓胀压力。

土工膜的作用主要是提升防渗体的弹性和韧性，而土工布的作用主要是提升防渗体的塑性和胀破强度，起“加筋”作用，通过所能承受的胀破强度、胀破高度、鼓胀断裂强度和鼓胀伸长率的对比可以看出，当底层布置一层土工膜，其上布置两层土工布时，综合性能最佳。但是，在实际设计和施工时，还需要结合水库水位升降所能产生的非饱和土层孔隙气体压力情况并结合经济效益进行合理选择，当孔隙气体压力较小时，可考虑膜下布上方式进行水平防渗处理，当孔隙气体压力较大时，可考虑膜上两层布的组合形式，同时，在膜下留有一定的排气措施，以减小鼓胀压力对复合土工膜的影响。

由于此次试验是在没有复合防渗膜下细砂垫层、上细砂覆土情况下进行的，而真实施工过程中会有上下细砂的维护，膜下细砂颗粒级配及施工效果对于复合土工膜的防渗性有重要影响，一般而言，当级配选择良好，施工过程中对土工膜没有造成损伤的情况下，将有利于提升复合土工膜的防渗效果，今后将进一步开展真实情况下复合土工膜的气胀模型试验。

3 结 语

本文以平原区水库水平防渗工程为背景，对不同膜布组合形式下的复合土工膜进行了气胀变形破坏试验，得出以下结论：

a.纯土工膜的变形主要为弹性和塑性屈服变形两个阶段，膜下布上、布下两层膜和膜上两层布组合方式的变形分为“弹性、塑性、强化”三个阶段，布在中间膜在两侧组合方式的变形分为“弹性、塑性、弱化”三个阶段。

b.土工膜的主要作用是提升防渗体的弹性和韧性，而土工布的作用主要是提升防渗体的塑性和胀破强度，起“加筋”作用，两者的相互作用，最终决定了复合土工膜的胀破特性，综合分析，膜上两层布的各项综合性能最佳。

c.复合土工膜组合方式的选择不仅要考虑力学特性，还需要结合真实施工过程上下细砂基础结构型式、地下承压层排气导管做法、透气阻水防渗膜新材料等进行综合考虑，对膜布组合形式进行进一步的优化和改进。