面板堆石坝周边缝部位土工膜防渗结构渗透特性试验

孙经纬

（深圳市环水管网科技服务有限公司 ,广东 深圳 518000）

1 引言

土工膜是由透水性较低的聚合物和沥青等材料制成,与传统的水工防渗材料相比具有施工方便、快捷,适应变形能力强,造价低等诸多优势,在老坝渗漏修复和新坝防渗领域均具有良好的应用前景,特别是一些新建水利工程利用复合土工膜作为堆石坝的防渗体,并取得了良好的工程效果[1]。当然,目前的国内工程应用主要是高度为30 m 以下的低坝,在高堆石坝领域的应用研究不多。究其原因,高堆石坝的膜防渗结构运行和变形机理研究是重要的影响因素[2]。同时,我国中西部地区存在诸多深厚覆盖层坝址以及黏土防渗层取土受到诸多制约,因此在高堆石坝中采用面膜防渗具有重要意义[3]。

对高堆石坝而言,混凝土面板必须要进行分缝处理,而面板与周边岸坡的连接部位的周边缝也是大坝防渗结构的薄弱部位。在大坝运行期间,面板与岸坡连接部位的协调变形特征以及周边缝的防渗效果对大坝安全有直接影响。一旦出现问题,修复时必须要放空水库,工程成本较高。基于此,此次研究利用模型试验的方式,获取周边缝部位防渗结构的特征。

2 材料与方法

2.1 试验材料

目前,常用的面膜堆石坝土工膜主要有HDPE、PE、PVC 和TPO 等几种。研究中按照《土工合成材料测试规程》（SL 235-2012）的标准通过对上述几种土工膜材料的单向拉伸、液胀、局部损伤以及适应颗粒变形等能力方面的性质进行试验,结果显示：PVC 膜具有较宽的线性变形区间、涨破风险小、耐局部划痕损伤能力好、适应垫层变形能力强等优势。因此,试验中选择厚度为2 mm 的PVC 土工膜进行试验。根据试验结果,土工膜的物理力学性质见表1。

表1 PVC 土工膜物理力学性质

2.2 试验设备与方法

水力特征的试验仪器主要由大变形保持装置、静水压力机以及信息采集装置组成。其中,大变形保持装置为上下法兰盘。其中上法兰盘设有圆形密封槽,同时配合使用硅胶密封圈实现密封作用,在取样过程中需要将两个法兰盘放置在处于不同大变形状态的土工膜两侧,然后将其外部螺孔对齐,然后用螺丝固定法兰盘,之后紧固土工膜,使其保持大变形状态。在下法兰盘上的透水区均布有透水孔,以保证渗透通道。

图1 法兰盘结构示意图

试验系统中使用TY070 型静水压力机,最大压力值为2.5 MPa。土工膜试样以及多孔板隔断高压仓和低压舱。在试验过程中需要将低压舱注满水并密封,在水头压力的作用下土工膜渗漏水被压入低压舱,最后通过溢流管进入烧杯[4]。试验系统的信息采集装置主要包括温度传感器、电子天平。在试验过程中首先利用电子天平测量渗透量,然后经过计算获取渗透系数,并以此为基础分析大变形状态下土工膜的水力特征[5]。

2.3 试验方案设计

考虑到传统混凝土面板堆石坝和面膜堆石坝在内部结构方面比较相似,防渗膜位于大坝的上游面。因此,研究中参考已经建成的高面板堆石坝周边缝部位的变位实测进行试验[6]。根据实测数据,周边缝部位的PVC 土工膜延伸率在20%至300%之间。显然,土工膜的延伸率较大时,周边缝会发生渗漏破坏,需要进行除险加固。因此,试验主要针对土工膜产生较大的延伸率,同时没发生破坏的周边缝。故试验中确定50%、90%和120%等三个典型土工膜延伸率进行试验。

目前面膜堆石坝周边缝的水压力数据也比较缺乏,因此仍旧参考我国已建和在建高面板堆石坝的实测数据。目前,我国高面板堆石坝的坝高一般为100 m～150 m,因此确定试验中的水压范围为1.0 MPa～1.5 MPa,按照0.1 MPa 的间隔加载。试验中按照30 d、60 d 和90 d 等3 个不同的试验周期进行取样试验。

3 试验结果与分析

3.1 土工膜母材渗透量

对延伸率为0%的土工膜母材利用上述设备和方法进行渗透试验,并对获得的试验数据进行整理,根据试验数据绘制出渗透量随试验压力的变化曲线,结果见图2。从试验结果可以看出,PVC 土工膜母材的渗透量随着水压力的增大呈现出逐渐增大的变化特点,但是变化的速率极不均匀,当水压力在1.2 MPa～1.4 MPa 时的增加速率较大,其余水压力范围内的增加速率相对较小。

图2 土工膜母材渗透量变化曲线

3.2 大变形土工膜渗漏量

研究中对不同大变形试验方案条件下的试验数据进行整理分析,获得PVC 土工膜的渗透量,结果见表2。从试验结果可以看出,水压力是大变形土工膜渗漏量的重要影响因素,且在不同试验周期上的变化规律有所不同。具体来看,在30 d试验周期条件下,大变形土工膜在1.0 MPa～1.1 MPa 的水压力范围内渗漏量有所下降,且延伸率越大,下降幅度越明显。之后,渗漏量随着水压力的增加呈现出先上升后下降的波动变化特点,但是变化额幅度相对不大。在其余试验周期条件下,渗漏量的变化特征比较复杂,即使同一试验周期、同一初始变形的试验其变化特征也各不相同。由此可见,在经过大变形作用且应力松弛的土工膜,其渗透规律与PVC 母材相比存在较大的变化,在同一试验周期的变化趋势也各不相同。因此,不同应力松弛周期的PVC 土工膜试样的渗漏量变化特征存在明显差异,这对于试验分析是明显不利的。另一方面,试验中对土工膜渗漏量的影响因素也较多,因此需要对这些影响因素进行科学控制,以便对其渗透规律进行有效分析。

表2 大变形土工膜渗漏量试验结果

3.3 大变形土工膜渗透系数

由于土工膜的厚度较薄,无论是渗透通道还是渗流速度都相对较小,因此具有显著的层流特征。所以,在渗透系数分析计算中可以使用达西定律。另一方面,土工膜的渗透量还受到温度和试样厚度的影响。因此,渗透系数的分析计算,对土工膜渗透特征的研究具有重要意义和作用。渗透系数的计算公式如下：

式中：km20为土工膜温度为20℃时的渗透系数,cm/s；V 为渗透水体积, cm3；δ为土工膜的厚度,cm ；A 土工膜过水面积,cm2；Δh 为水位差；cm；t 为渗透水量的历时,s；η为水温修正系数。

在渗透系数的计算过程中,水温可以通过试验记录数据获取,结果见表3。

表3 试验水温记录结果

由试验水温数据可以计算获取水温修正系数,结果见表4。

表4 水温修正系数计算结果

利用渗漏量试验数据和不同水温条件下的水密度,计算获取渗漏体积,结果见表5。

表5 渗漏水体积计算结果

在水力特征试验之前,首先测量大变形土工膜的厚度。在试验过程中,水压会直接作用于土工膜,而土工膜由于法兰盘的紧固作用其面积大小不会变化,而水压力的作用会压缩其厚度,针对这一变化,利用万能试验机对试样进行压缩,获得不同压力作用下其厚度的变化系数,然后经过换算,获取试验中土工膜的实际厚度,结果见表6。

表6 大变形土工膜厚度试验结果

根据上述结果和土工膜渗透系数计算公式,计算出不同试验方案下土工膜的渗透系数,结果见图3。由试验结果可以看出,土工膜的延伸率为50%和130%时的渗透系数变化规律比较接近,随着水压力的增大基本呈现出先增大后减小的变化特点,并且在水压力为1.2 MPa 时达到最大值,之后迅速减小。两者不同的是延伸率50%时渗透系数的后期变化比较平稳,而延伸率为130%时的渗透系数一直减小。延伸率为90%时的变化规律正好相反,渗透系数随着水压力的增大呈现出先减小后增大的变化特点,在水压力为1.2 MPa 时基本达到最小。同时,在试验周期相同时,延伸率为50%和90%时的渗透系数基本大于延伸率为130%的土工膜。总之,在土工膜拉伸变形后,其渗透系数存在一定的下降,但是与黏土。混凝土和沥青混凝土等防渗材料相比仍具有明显优势。因此,在周边缝防渗结构的土工膜经历较大变形之后,仍显示出比较优异的防渗性能,其工程应用价值比较突出。

图3 不同试验方案土工膜渗透系数

4 结语

高面膜堆石坝的周边缝部位是大坝防渗的薄弱部位,对其防渗结构的特征进行研究具有十分重要的意义和作用。此次研究利用室内试验的方式,分析了周边缝变位导致的PVC土工膜大变形条件下的渗透特征,试验结果显示土工膜在经历大变形之后,其渗透系数会显著增大,但是和传统防渗材料相比具有显著优势,仍旧表现出比较优异的防渗性能。当然,此次研究没有针对其他试验温度,特别是低温环境下的防渗性能进行试验。因此,在今后的研究中还需要在多个不同温度梯度下展开试验,以获得更为科学和完善的研究结论,为土工膜在大坝建设中的应用获得更多的支持。