復(fù)合土工膜對水庫防滲效果應(yīng)用研究

鄭兆江

(和田地區(qū)水利局，新疆 和田 848000)

0 引 言

由于我國水資源存在分布不均的問題，在水資源缺乏地區(qū)為保證當(dāng)?shù)卣ＫY源使用，近年來國內(nèi)大力建設(shè)水利工程，在一定程度上緩解了水資源壓力問題[1-3]。水庫工程是蓄水、為居民及農(nóng)田提供水源的重要水利工程，水庫的興建可極大程度上維持水資源平衡，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義[4-5]。水庫防滲一直是困擾水庫日常運(yùn)行管理維護(hù)的重大問題之一。由于水庫在修建與運(yùn)行過程中，主體部位均與水體直接接觸，同時水庫存在的施工縫、沉降縫以及骨料之間的間隙，導(dǎo)致水庫主體直接受到水體揚(yáng)壓力的作用，而揚(yáng)壓力目前并未明確準(zhǔn)確的方法獲得，且揚(yáng)壓力對水庫危害極大，在實(shí)際過程中只能通過一定的手段盡量減少水庫所受的揚(yáng)壓力。因此，對于水庫防滲措施的研究一直是國內(nèi)水利工程研究的熱點(diǎn)。

大壩是水庫工程中的重要組成部分，水庫攔蓄水均需通過大壩才能完成。因壩體直接與水體接觸，所以對壩體質(zhì)量的要求普遍較高[6]。由于土石壩是目前國內(nèi)最常見的壩體型式，這種壩體類型由于顆粒間空隙較大，將產(chǎn)生滲流，直接影響壩體穩(wěn)定。經(jīng)過長時間的運(yùn)行使用，壩體常常出現(xiàn)滲漏、失穩(wěn)等問題，因此對于水庫防滲措施的制定直接影響壩體質(zhì)量及使用壽命[7]。

關(guān)于水庫防滲處理，目前常采用的防滲處理措施包括水平防滲處理措施及垂直防滲處理措施，不同防滲措施防滲效果不同，且所適用的范圍不同[8]。防滲主要通過延長滲透路徑，降低水力坡降，減小揚(yáng)壓力，從而達(dá)到防滲效果。目前，常用的防滲措施包括垂直防滲墻、灌漿帷幕、鋪蓋及復(fù)合土工膜，其中復(fù)合土工膜由于造價低、施工方便、防滲范圍廣，而被廣泛應(yīng)用于水庫防滲中[9]。但由于現(xiàn)有研究對復(fù)合土工膜的防滲效果并無明確的量化分析，本文基于實(shí)測數(shù)據(jù)，對復(fù)合土工膜下壩體滲透壓力及滲漏速率進(jìn)行監(jiān)測，量化分析該措施的防滲效果。

1 壩體監(jiān)測結(jié)果分析

為實(shí)際監(jiān)測得出鋪設(shè)復(fù)合土工膜前后對壩體滲透性能的影響，本文應(yīng)用受力情況及外界環(huán)境條件相同的2個壩體模型，對其中1個壩體模型上采取鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲措施，另一個壩體模型僅進(jìn)行了土體夯實(shí)處理，無任何防滲措施，在壩體內(nèi)部分別布設(shè)滲壓計(jì)及量水設(shè)施，通過布設(shè)的措施來監(jiān)測在2種情況下的壩體滲壓水頭變化及滲漏速率變化，以此為基礎(chǔ)來衡量復(fù)合土工膜措施的防滲效果。

1.1 壩體滲透壓力長時間監(jiān)測

在壩體水平施工縫上游布置差阻式滲壓計(jì)，差阻式滲壓計(jì)的滲壓計(jì)算公式如下：

P=f(Z-Z0)-b(T1-T0)

(1)

式中：P為滲透壓力，MPa；f為滲壓計(jì)修正最小讀數(shù)，MPa/0.01%；Z為實(shí)測電阻比，×0.01%；Z0為電阻比基準(zhǔn)值，×0.01%；b為溫度補(bǔ)償系數(shù)，MPa/℃；T1為實(shí)測溫度，℃；T0為基準(zhǔn)溫度，℃。

由觀測得出的滲壓水頭結(jié)果可知，滲壓隨著隨時間的變化在年內(nèi)呈現(xiàn)一定的周期性變化趨勢，且隨著庫水位的變化呈現(xiàn)一定的周期性變化響應(yīng)，庫水位在每年年內(nèi)呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，而當(dāng)庫水位較高時，滲壓水頭往往表現(xiàn)出較高的數(shù)值。庫水位每年的變化差距較小，而大壩滲壓水頭隨著時間的增長，每年的變化趨勢較大，其中在2010年附近呈現(xiàn)出較大的數(shù)值，隨著時間的增長，大壩所受的滲透壓力出現(xiàn)增加，表明隨著大壩運(yùn)行時間的增長，需及時做好防滲措施。

從1992年開始，對壩體模型長時間滲壓進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果可見圖1-圖2。由圖1-圖2中可以看出，由于2個壩體所處的地理環(huán)境一致，導(dǎo)致庫水位變化趨勢基本一致，在每年內(nèi)均呈現(xiàn)出先增加后減小的二次拋物線趨勢。而進(jìn)行鋪設(shè)前后，壩體所受的滲透壓力不同。未經(jīng)鋪設(shè)時，壩體所受滲壓隨著時間年份的增長呈現(xiàn)顯著提高的趨勢，在2008年壩體滲壓超過150 m，對壩體穩(wěn)定造成不良影響。采用復(fù)合土工膜防滲后，壩體滲壓多年來并未出現(xiàn)明顯的提高，均維持在110～130 m之間，表明復(fù)合土工膜防滲具備較好的防滲效果。

圖1 未鋪設(shè)壩體滲壓變化圖

圖2 鋪設(shè)土工膜壩體滲壓變化圖

1.2 壩體滲漏速率長時間監(jiān)測

由圖3-圖4中可以看出，大壩的滲漏速率隨著庫水位的變化，同樣呈現(xiàn)出一定的周期性變化趨勢，這種變化趨勢與庫水位變化趨勢一致，均為先增加后減少的拋物線變化趨勢，滲漏速率在每年年中豐水期表現(xiàn)出最高的數(shù)值，而在枯水期的數(shù)值最低，這與水位及周圍外界環(huán)境變化有關(guān)。

通過在壩體周圍布置量水設(shè)施，監(jiān)測壩體滲漏速率的變化，本文記錄了1999-2013年的壩體滲漏速率變化，結(jié)果圖3-圖4。由圖形-圖4中可以看出，鋪設(shè)前后的滲漏速率發(fā)生明顯變化。未處鋪設(shè)壩體滲漏速率在年內(nèi)變化劇烈，基本在0.34～2.45 L/s之間變化。經(jīng)過鋪設(shè)復(fù)合土工膜之后，壩體滲漏速率在0.27 L/s之內(nèi)，且變化幅度較低。滲漏速率年內(nèi)變化幅度較大，直接影響壩體所受滲壓，對壩體穩(wěn)定影響較大，因此鋪設(shè)復(fù)合土工膜可降低壩體滲漏速率，從而維持壩體穩(wěn)定。

圖3 未鋪設(shè)壩體滲漏速率圖

圖4 鋪設(shè)土工膜壩體滲漏速率圖

2 壩體滲流模擬分析

根據(jù)材料特性，將壩區(qū)劃分為壩體、壩基巖體等分區(qū)，建立有限元計(jì)算分析模型。有限元計(jì)算范圍為：X方向取為垂直壩軸線，上游邊界截至上游壩趾以外(約2倍壩高)，并取為坐標(biāo)原點(diǎn)，即x=0 m；下游邊界截至下游壩趾以外41 m(約 3倍壩高)，上游和下游壩基均截取約2倍壩高；Z方向以高程為坐標(biāo)，鋪設(shè)前后有限元網(wǎng)格見圖5。建立壩體有限元模型邊界條件，即已知水頭邊界、出滲邊界及不透水邊界。其中水頭邊界條件為：壩址上下游水位線以下的水庫庫區(qū)及上下游河道包絡(luò)線；出滲邊界為：上下游水位線以上壩體及壩頂所包范圍；不透水邊界為壩體模型上下游兩側(cè)邊界[10]。

圖5 鋪設(shè)前后的壩體建模

圖6-圖7為鋪設(shè)土工膜前后壩體滲流等勢線分布圖。由圖6-圖7中可以看出，未經(jīng)鋪設(shè)前，壩體滲透壓力較高，滲徑較短，導(dǎo)致壩體所受滲透壓力較大，從而影響壩體穩(wěn)定。鋪設(shè)復(fù)合土工膜之后，壩體滲徑顯著提高，滲透壓力降低，使得壩體所受的滲透壓力降低，從而有助于壩體維持自身穩(wěn)定。

圖6 未鋪設(shè)壩體滲流分布圖

圖7 鋪設(shè)土工膜壩體滲流分布圖

3 結(jié) 語

本文從實(shí)際監(jiān)測及有限元模擬角度出發(fā)，以量化指標(biāo)為基礎(chǔ)，分析了土工膜對水庫壩體防滲效果的影響。通過分析可知，鋪設(shè)土工膜之后，可顯著降低壩體實(shí)測滲透壓力和滲漏速率。同時從模擬結(jié)果可知，土工膜的鋪設(shè)可提高滲徑，降低比降，從而降低壩體滲壓，與實(shí)測結(jié)果一致。因此，復(fù)合土工膜的鋪設(shè)對水庫壩體防滲有著十分重要的作用。