不同膜布組合形式下復合土工膜的氣脹變形破壞試驗

邵明政

(廣饒縣水利工程公司，山東 東營 257300)

土工膜具有防滲效果好、壽命長、適應能力強、施工簡便靈活等諸多特性，目前在渠道、大壩、堤防、水庫等工程防滲中被廣泛應用，由于土工膜的易損特性，在使用過程中常以膜布組合形式(復合土工膜)作為結構的主要防滲材料。

但是，復合土工膜在施工過程中易受熱效應影響，導致漏焊、虛焊現象發生，為避免此問題，有些水庫在設計防滲體時在土工膜兩側或一側鋪設一層土工織物進行保護，從而形成分離式復合土工膜，分離式復合土工膜雖然解決了土工膜的易損特性，但在庫區水位上升-下降過程中很容易造成膜下非飽和土層內的孔隙氣體壓力增大，若此壓力超過防滲體的極限承載力，就會導致復合土工膜發生鼓脹變形甚至是破壞，從而影響水庫的整體防滲效果，嚴重時會有引發水庫滲流潰壩的風險。

山東省以平原為主，為解決水資源供需矛盾問題，需要修建大量的平原水庫，為減小對耕地的占用，這些水庫又大多修建在地質條件并不理想的地區，因此水庫防滲一直是山東省水庫建設的重點內容，由于采用復合土工膜防滲較其他傳統防滲措施具有諸多優勢，因此，被大量應用于水庫防滲工程中。基于此背景，本文設計了不同膜布組合形式的復合土工膜氣脹變形破壞試驗，以期能為平原區水庫水平防滲工程的設計、施工提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

復合土工膜由土工膜和土工布組成，其中土工膜為高密度聚乙烯土工膜(HDPE)，厚度為0.4mm,密度為0.93g/cm3,斷裂強度為37.5kN/m，斷裂伸長率為61.5%，直角撕裂強度37.5N，抗穿刺強度75N，表面光滑；土工布屬于短針刺無紡土工布，平均厚度2.1mm，質量為250g/cm2，斷裂強度為8.2kN/m，斷裂伸長率為63%，垂直滲透系數0.002cm/s。試驗時均裁剪成直徑為20cm的圓形，并用夾具夾緊。

1.2 試驗設備

試驗設備為改進的TSY-34土工膜脹破強度測定儀，該設備主要包括上下法蘭盤、操作平臺、控制平臺、加壓系統以及激光位移傳感器，見圖1。試驗時先將復合土工膜固定在法蘭盤之間，然后將激光位移傳感器與電腦相連并調整其處于合理位置，安裝攝像頭以記錄顯示器上的變形和壓力數值，檢查加載系統和電氣設備，確認無誤后開始在控制平臺上進行試驗操作，最后對試驗數據進行統計分析。

圖1 試驗加載設備1—土工膜；2—下法蘭盤；3—上法蘭盤；4—操作平臺；5—控制平臺；6—加壓系統；7—激光位移傳感器

1.3 試驗方案

試驗共設置6種組合方式，具體為：單層土工膜、雙層土工膜、膜下布上、布在中間膜在兩側、布下兩層膜、膜上兩層布；壓力加載速率為100kPa/s，見表1。

表1 試驗膜布組合方案

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線分析

不同膜布組合方式下的應力-應變曲線特征見圖2。從圖2中可知：不同膜布組合形式下的復合土工膜應力-應變曲線表現出較大的差異，在純土工膜(S-1和S-2)情況下，應力-應變曲線表現出兩階段變形特征，即線彈性變形和塑性屈服變形，在塑性屈服變形階段，張應力不再增加，雙層土工膜的屈服應力大于單層土工膜，且前者約為后者的兩倍，增加土工膜，可以提升防滲體的彈性性能，使其擁有更好的形變恢復能力和更佳的韌性；在膜下布上(S-3)、布下兩層膜(S-5)以及膜上兩層布(S-6)三種組合方式下，應力-應變先是經歷了線彈性變化階段，后又經歷了一個短期的張應力下降過程(屈服過程)，這是因為土工膜和土工布的強度和形變能力有所差異，土工布主要起“加筋”作用，但其形變能力大大弱于土工膜，因此，土工布會在經歷一定形變后發生局部破損，故出現一定的應力降低現象，隨后，復合土工膜進入強化破壞階段，應力隨著應變的增加而增大；布在中間膜在兩側(S-4)的應力-應變曲線經歷了彈性變形、塑性變形和弱化破壞變形三個階段，當復合土工膜進入塑性損傷后，其應力持續降低，直至發生失穩破壞。

圖2 不同組合方式應力-應變曲線分析

2.2 脹破強度和高度分析

試驗得到的不同膜布組合方式下的脹破壓力和高度情況見圖3。從圖3中可知：膜上兩層布(S-6)的脹破壓力最大，單層土工膜(S-1)的脹破壓力最小，前者約為后者的6倍；從S-2和S-3試驗組的脹破壓力對比可知，增加土工布或者土工膜層數均能明顯提升脹破強度，但土工布起到的加筋作用明顯強于土工膜，土工布層數越大，脹破壓力越大；膜布組合方式對脹破壓力也有顯著影響，當土工膜均位于底層時(S-5)的脹破壓力要高于膜布間隔布置(S-4)方式，這主要是由于土工布的滲透性較大，壓力介質容易穿過，這實際上減弱了膜布之間的相互作用關系，因此，所能承受的脹破壓力減小。

圖3 不同組合方式脹破強度和高度分析

對比不同膜布組合方式下的脹破高度可以發現，純土工膜試驗組的脹破高度大于復合土工膜試驗組，增加土工膜層數，可以使其塑性變形能力增強，因此雙層土工膜的脹破高度最大，單層土工膜次之；在復合土工膜試驗組中，布在中間膜在兩側的脹破高度最大，其次為布下兩層膜試驗組，膜上兩層布和膜下布上組合方式的脹破高度基本相當。

2.3 鼓脹斷裂強度和伸長率

試驗得到的不同膜布組合方式下的脹破壓力和高度情況見圖4。從圖4中可知：不同組合形式下的鼓脹斷裂強度變化特征與脹破強度變化特征相似，即膜上兩層布(S-6)的鼓脹斷裂強度最大，為185.5kN/m，單層土工膜(S-1)的鼓脹斷裂強度最小，為28.4kN/m，前者約為后者的6.5倍；雙層土工膜的鼓脹斷裂強度為57.2kN/m，約為單層土工膜的2倍；膜下布上土工膜的鼓脹斷裂強度為90.7kN/m，約為單層土工膜的3.2倍，布在中間膜在兩側土工膜的鼓脹斷裂強度為119.3kN/m，約為單層土工膜的4.2倍，布下兩層膜土工膜的鼓脹斷裂強度為135.9kN/m，約為單層土工膜的4.8倍。

圖4 不同組合方式鼓脹斷裂強度和伸長率分析

鼓脹斷裂伸長率的變化特征與脹破高度變化特征基本一致，加入土工布后，雖然提升了土工膜的斷裂強度，但是，也會在一定程度上削弱其形變能力，復合土工膜的斷裂伸長率為19.2%～26.9%，而單層土工膜的鼓脹斷裂伸長率為31.4%，雙層土工膜的鼓脹斷裂伸長率為34.3%；復合土工膜的鼓脹斷裂伸長率僅為單向拉伸斷裂伸長率的1/3，且遠遠小于土工膜的單向拉伸斷裂伸長率。

2.4 試驗結果分析總結

復合土工膜在受到外界氣體鼓脹壓力時，鼓脹壓力由膜布共同承擔，由于土工膜的表面十分光滑，可認為土工布和土工膜之間不會存在相互作用的情況，但實際上由于土工布存在不光滑的情況，使得只有當膜布的鼓脹變形高度達到一定程度后，此時土工布和土工膜所承受的鼓脹壓力才是相互獨立的。因此，在鼓脹變形前期，復合土工膜的受力和變形狀況更加復雜，鼓脹變形后期，則為單純的土工布和土工膜分別單獨承受鼓脹壓力。

土工膜的作用主要是提升防滲體的彈性和韌性，而土工布的作用主要是提升防滲體的塑性和脹破強度，起“加筋”作用，通過所能承受的脹破強度、脹破高度、鼓脹斷裂強度和鼓脹伸長率的對比可以看出，當底層布置一層土工膜，其上布置兩層土工布時，綜合性能最佳。但是，在實際設計和施工時，還需要結合水庫水位升降所能產生的非飽和土層孔隙氣體壓力情況并結合經濟效益進行合理選擇，當孔隙氣體壓力較小時，可考慮膜下布上方式進行水平防滲處理，當孔隙氣體壓力較大時，可考慮膜上兩層布的組合形式，同時，在膜下留有一定的排氣措施，以減小鼓脹壓力對復合土工膜的影響。

由于此次試驗是在沒有復合防滲膜下細砂墊層、上細砂覆土情況下進行的，而真實施工過程中會有上下細砂的維護，膜下細砂顆粒級配及施工效果對于復合土工膜的防滲性有重要影響，一般而言，當級配選擇良好，施工過程中對土工膜沒有造成損傷的情況下，將有利于提升復合土工膜的防滲效果，今后將進一步開展真實情況下復合土工膜的氣脹模型試驗。

3 結 語

本文以平原區水庫水平防滲工程為背景，對不同膜布組合形式下的復合土工膜進行了氣脹變形破壞試驗，得出以下結論：

a.純土工膜的變形主要為彈性和塑性屈服變形兩個階段，膜下布上、布下兩層膜和膜上兩層布組合方式的變形分為“彈性、塑性、強化”三個階段，布在中間膜在兩側組合方式的變形分為“彈性、塑性、弱化”三個階段。

b.土工膜的主要作用是提升防滲體的彈性和韌性，而土工布的作用主要是提升防滲體的塑性和脹破強度，起“加筋”作用，兩者的相互作用，最終決定了復合土工膜的脹破特性，綜合分析，膜上兩層布的各項綜合性能最佳。

c.復合土工膜組合方式的選擇不僅要考慮力學特性，還需要結合真實施工過程上下細砂基礎結構型式、地下承壓層排氣導管做法、透氣阻水防滲膜新材料等進行綜合考慮，對膜布組合形式進行進一步的優化和改進。