高水头大坝土工合成黏土衬层渗漏试验研究

马 建

(新疆水利水电项目管理有限公司，新疆 伊犁 835400)

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究依托于新疆吉木萨尔县泉沟水库枢纽工程开展相关试验。大坝顶高程1183.20 m，总高44.5 m。大坝周围地质上部为坡积碎石土，土质松散，下覆基岩由砂质泥岩、砾岩等组成。泥岩饱和抗压强度平均值为0.54 MPa，属软岩，岩层产状为倾向NE70°，倾角7°～10°，强风化层厚3.0～5.0 m，弱风化层厚10.0～12.0 m。大坝结构采用Ca30F250W6钢筋混凝土，设计过水流量为1.05 m3/s，设计最大流量20.80 m3/s。

1.2 试验方法

试验的目的是调查在衬砌系统中使用土工合成黏土衬层(GCL)的可行性，该衬砌系统在相对较高且符合大坝条件的水头下包含土工膜。土工膜由透明丙烯酸制成，用于测试防渗系统的水力性能，如图1所示。该单元分为一个底部部分，其中包含沙子，以及一个顶部部分，该顶部部分提供一个蓄水池[1]。土工膜和GCL放置在两段之间，并使用O形圈密封。多孔石在底部边界用于自由排水，在整个测试过程中测量流入量和流出量。压力面板用于控制系统中的液压头，其范围为7～42 m。

图1 试验程序中使用的渗透设计单元

试验程序中使用的土工膜是厚度为1 mm的光滑线性低密度聚乙烯(LLDPE)。LLDPE的柔性特性允许土工膜适应系统的变形。在土工膜试样的中心钻取直径为1.6 mm的圆形缺陷。试验计划中使用的GCL由夹在两种无纺布载体土工织物之间的膨润土组成。GCL的导水率约为10～11 m/s。试验程序中使用了水合和非水合GCL。水合GCL在20 kPa的正常应力下在水中浸泡至少48 h。此外，在2 kPa下水合的GCL上进行了一组试验，以评估水合法向应力对水力性能的影响。GCL没有任何缺陷。本试验计划中使用的砂基质为一种中细砂。使用振动台在渗透设计单元中对砂进行致密化，以达到75%的相对密度。在放置液压防渗系统之前，将砂从单元底部饱和，该密度的砂的饱和导水率为8×10-7m/s。

试验计划中的大多数试验包括土工膜。作为试验计划的一部分，进行了四个试验系列：(1)无GCL。(2)未水合GCL。(3)在20 kPa的正常应力下水合GCL。(4)在2 kPa的正常应力下水合GCL。这些试验系列评估了水头、界面接触质量和土工膜存在的影响。表1提供了每个系列中各个测试的详细信息。

表1 试验测试程序的范围

2 结果与分析

堤坝渗漏是指大坝坝体两侧由于水头差作用引起坝体或附近部位岩体透水产生渗漏的现象。持续的渗漏会降低大坝稳定性甚至导致坍塌。为了探究不同试验对大坝渗漏的影响，所有试验均在达到稳态流量之前进行，并将每次试验的稳态渗漏率定义为试验结束时的稳态流量。表2总结了作为试验系列1～4一部分进行的基线试验的平均稳态渗漏率。B子系列涉及土工膜的存在和良好的界面接触质量。B子系列中的每个试验均在不同的液压头下进行。非水合GCL试验(试验系列2)中的平均稳态渗漏率大约比仅土工膜试验(试验系列1)中测得的渗漏率小三个数量级。因此，衬砌系统中GCL的使用可能会对通过受损土工膜的渗漏率产生重大影响，这对大坝(如土坝)的设计至关重要。试验系列3的平均稳态渗漏率大约比试验系列2的测量值低一个数量级。这一比较表明，GCL水合作用在系统减少土工膜缺陷渗漏的有效性中起着相关作用。然而，在现场对GCL进行水合处理可能不具有成本效益。试验系列4的平均渗漏率基本上与试验系列3相同。这些结果表明，水合法向应力对渗漏率的影响可以忽略不计。

表2 试验系列1～4中B子系列的平均稳态渗漏率

其他方面，如接触质量的影响、GCL水合条件和土工膜的存在进行了调查(见表1)，但由于空间限制，此处不讨论。本文仅进一步讨论了试验系列1和系列4的结果。

试验系列1仅涉及使用7～35 m水头进行的土工膜试验。在这些试验中，几乎立即达到稳态流量。这是因为本研究所用砂的水力传导率相对较高。在试验系列1中的每个试验中，稳态渗漏率随着液压头的增加而增加。使用伯努利方程来计算通过孔的流量，以估计通过放置在渗透性土壤上的土工膜缺陷的流量。孔板方程如式(1)：

(1)

式中：Q为流速，m3/s；C为说明孔的几何结构的经验系数；a为孔的面积(在这种情况下，表示土工膜的缺陷)，m2；g为重力加速度，m/s2；h为液压头，m。

使用经验系数C(图2)的不同值，将试验系列1的测量渗漏率(达到每个压头的稳态速率)与伯努利孔板方程进行比较。对于土工膜中的流动缺陷，通常使用建议值C=0.6。相反，发现系数C=0.4产生的流速与试验系列1中测量的流速非常相似。但是，如图2所示，系数C=0.6给出的渗漏率略大于测量值。因此，与之前建议值相比，使用较低的C值获得的更好的比较结果可归因于本研究中的高液压头。这种差异也可归因于孔边缘的锐度、缺陷内部的粗糙度和缺陷的直径。比较表明，通过孔板的流量方程可用于估算与沙接触良好的土工膜小缺陷的流量泄漏。虽然良好的匹配取决于适当流量系数C的选择，但孔板方程的基本趋势与试验数据是一致的，这表明使用该方程和适当校准的高水头C系数可用于预测DA土工膜的渗漏。

图2 试验系列1的渗漏率与伯努利孔板方程比较

试验系列4包括土工膜和砂样品之间的GCL试验。GCL在2 kPa的正常压力下被水合。这些试验使用14～42 m范围内的液压头进行。每个试验期间每个水头的渗漏率(从渗透计单元流出的测量流速)如图3所示。每个试验都可以达到稳态流量，图3中通过试验结束时达到的恒定渗漏率来确定。与测试系列1中的测试不同，作为测试系列4的一部分进行的测试没有立即达到稳定状态。

图3 试验系列4的渗漏率和时间

图4总结了试验系列4中获得的稳态渗漏率。每次测试中，渗漏率随着液压头的增加而增加。尽管数据分散，但这种趋势还是很明显的。伯努利方程的流量通过一个孔不能再使用，因为下面的土工膜材料不再具有渗透性。因此，采用适用于复合衬层的分析方法来评估从试验系列4中获得的数据。

图4 试验系列4的渗漏率与Rowe分析模型比较

以往开发的经验公式，用于估算当土工膜置于低渗透性土壤上时通过土工膜缺陷的渗漏率的情况下，不能很好地拟合试验序列4中获得的试验数据。这是由于该模型是为低水头下进行的试验而开发的，并使用从试验中获得的数据进行校准[2-5]。因此，本文使用不受液压头影响的Rowe分析模型预测铺设在低渗透底层土壤上的土工膜衬层缺陷的渗漏率，Rowe分析模型是基于最小能比原理提出了紧密粒状集合模型及应力与剪胀的关系，可以较好地反映出材料的体变过程。预测的渗漏率与测试系列4中测量的稳态值的比较结果如图4所示。良好的对比表明，Rowe模型适用于预测通过地膜水合GCL衬层系统测得的渗漏率。试验系列4的湿区预测半径范围为2～3 cm，远低于渗透仪的半径(15 cm)。Rowe的模型依赖于接口的透射率。事实上，当界面透过率很小(5×10-11m2/s)时，试验结果与预测结果吻合较好。界面的透射率取决于接触质量和GCL载体土工织物的透射率。然而，良好的比较表明，Rowe的模型可用于预测代表大坝情况的高水头土工膜缺陷的渗漏率。

4 结 论

(1)结合GCL的水合或非水合试验得出的稳态渗漏率比无GCL系统中测量的渗漏率低三个数量级以上。反过来，水合GCL导致渗漏率比未水合GCL低大约一个数量级。

(2)在伯努利方程中，通过孔板的流量的C系数取决于液压头的范围。如果使用适当的值，孔板方程可以很好地估计通过高水头下土工膜缺陷的渗漏率。

(3)Rowe分析模型可以很好地估计放置在GCL上的土工膜缺陷的渗漏率。然而，预测取决于界面的选定透射率。尽管如此，可使用该模型评估与压头有关的渗漏率的预期趋势。