面板堆石壩周邊縫部位土工膜防滲結構滲透特性試驗

孫經緯

（深圳市環水管網科技服務有限公司 ,廣東 深圳 518000）

1 引言

土工膜是由透水性較低的聚合物和瀝青等材料制成,與傳統的水工防滲材料相比具有施工方便、快捷,適應變形能力強,造價低等諸多優勢,在老壩滲漏修復和新壩防滲領域均具有良好的應用前景,特別是一些新建水利工程利用復合土工膜作為堆石壩的防滲體,并取得了良好的工程效果[1]。當然,目前的國內工程應用主要是高度為30 m 以下的低壩,在高堆石壩領域的應用研究不多。究其原因,高堆石壩的膜防滲結構運行和變形機理研究是重要的影響因素[2]。同時,我國中西部地區存在諸多深厚覆蓋層壩址以及黏土防滲層取土受到諸多制約,因此在高堆石壩中采用面膜防滲具有重要意義[3]。

對高堆石壩而言,混凝土面板必須要進行分縫處理,而面板與周邊岸坡的連接部位的周邊縫也是大壩防滲結構的薄弱部位。在大壩運行期間,面板與岸坡連接部位的協調變形特征以及周邊縫的防滲效果對大壩安全有直接影響。一旦出現問題,修復時必須要放空水庫,工程成本較高。基于此,此次研究利用模型試驗的方式,獲取周邊縫部位防滲結構的特征。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

目前,常用的面膜堆石壩土工膜主要有HDPE、PE、PVC 和TPO 等幾種。研究中按照《土工合成材料測試規程》（SL 235-2012）的標準通過對上述幾種土工膜材料的單向拉伸、液脹、局部損傷以及適應顆粒變形等能力方面的性質進行試驗,結果顯示：PVC 膜具有較寬的線性變形區間、漲破風險小、耐局部劃痕損傷能力好、適應墊層變形能力強等優勢。因此,試驗中選擇厚度為2 mm 的PVC 土工膜進行試驗。根據試驗結果,土工膜的物理力學性質見表1。

表1 PVC 土工膜物理力學性質

2.2 試驗設備與方法

水力特征的試驗儀器主要由大變形保持裝置、靜水壓力機以及信息采集裝置組成。其中,大變形保持裝置為上下法蘭盤。其中上法蘭盤設有圓形密封槽,同時配合使用硅膠密封圈實現密封作用,在取樣過程中需要將兩個法蘭盤放置在處于不同大變形狀態的土工膜兩側,然后將其外部螺孔對齊,然后用螺絲固定法蘭盤,之后緊固土工膜,使其保持大變形狀態。在下法蘭盤上的透水區均布有透水孔,以保證滲透通道。

圖1 法蘭盤結構示意圖

試驗系統中使用TY070 型靜水壓力機,最大壓力值為2.5 MPa。土工膜試樣以及多孔板隔斷高壓倉和低壓艙。在試驗過程中需要將低壓艙注滿水并密封,在水頭壓力的作用下土工膜滲漏水被壓入低壓艙,最后通過溢流管進入燒杯[4]。試驗系統的信息采集裝置主要包括溫度傳感器、電子天平。在試驗過程中首先利用電子天平測量滲透量,然后經過計算獲取滲透系數,并以此為基礎分析大變形狀態下土工膜的水力特征[5]。

2.3 試驗方案設計

考慮到傳統混凝土面板堆石壩和面膜堆石壩在內部結構方面比較相似,防滲膜位于大壩的上游面。因此,研究中參考已經建成的高面板堆石壩周邊縫部位的變位實測進行試驗[6]。根據實測數據,周邊縫部位的PVC 土工膜延伸率在20%至300%之間。顯然,土工膜的延伸率較大時,周邊縫會發生滲漏破壞,需要進行除險加固。因此,試驗主要針對土工膜產生較大的延伸率,同時沒發生破壞的周邊縫。故試驗中確定50%、90%和120%等三個典型土工膜延伸率進行試驗。

目前面膜堆石壩周邊縫的水壓力數據也比較缺乏,因此仍舊參考我國已建和在建高面板堆石壩的實測數據。目前,我國高面板堆石壩的壩高一般為100 m～150 m,因此確定試驗中的水壓范圍為1.0 MPa～1.5 MPa,按照0.1 MPa 的間隔加載。試驗中按照30 d、60 d 和90 d 等3 個不同的試驗周期進行取樣試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 土工膜母材滲透量

對延伸率為0%的土工膜母材利用上述設備和方法進行滲透試驗,并對獲得的試驗數據進行整理,根據試驗數據繪制出滲透量隨試驗壓力的變化曲線,結果見圖2。從試驗結果可以看出,PVC 土工膜母材的滲透量隨著水壓力的增大呈現出逐漸增大的變化特點,但是變化的速率極不均勻,當水壓力在1.2 MPa～1.4 MPa 時的增加速率較大,其余水壓力范圍內的增加速率相對較小。

圖2 土工膜母材滲透量變化曲線

3.2 大變形土工膜滲漏量

研究中對不同大變形試驗方案條件下的試驗數據進行整理分析,獲得PVC 土工膜的滲透量,結果見表2。從試驗結果可以看出,水壓力是大變形土工膜滲漏量的重要影響因素,且在不同試驗周期上的變化規律有所不同。具體來看,在30 d試驗周期條件下,大變形土工膜在1.0 MPa～1.1 MPa 的水壓力范圍內滲漏量有所下降,且延伸率越大,下降幅度越明顯。之后,滲漏量隨著水壓力的增加呈現出先上升后下降的波動變化特點,但是變化額幅度相對不大。在其余試驗周期條件下,滲漏量的變化特征比較復雜,即使同一試驗周期、同一初始變形的試驗其變化特征也各不相同。由此可見,在經過大變形作用且應力松弛的土工膜,其滲透規律與PVC 母材相比存在較大的變化,在同一試驗周期的變化趨勢也各不相同。因此,不同應力松弛周期的PVC 土工膜試樣的滲漏量變化特征存在明顯差異,這對于試驗分析是明顯不利的。另一方面,試驗中對土工膜滲漏量的影響因素也較多,因此需要對這些影響因素進行科學控制,以便對其滲透規律進行有效分析。

表2 大變形土工膜滲漏量試驗結果

3.3 大變形土工膜滲透系數

由于土工膜的厚度較薄,無論是滲透通道還是滲流速度都相對較小,因此具有顯著的層流特征。所以,在滲透系數分析計算中可以使用達西定律。另一方面,土工膜的滲透量還受到溫度和試樣厚度的影響。因此,滲透系數的分析計算,對土工膜滲透特征的研究具有重要意義和作用。滲透系數的計算公式如下：

式中：km20為土工膜溫度為20℃時的滲透系數,cm/s；V 為滲透水體積, cm3；δ為土工膜的厚度,cm ；A 土工膜過水面積,cm2；Δh 為水位差；cm；t 為滲透水量的歷時,s；η為水溫修正系數。

在滲透系數的計算過程中,水溫可以通過試驗記錄數據獲取,結果見表3。

表3 試驗水溫記錄結果

由試驗水溫數據可以計算獲取水溫修正系數,結果見表4。

表4 水溫修正系數計算結果

利用滲漏量試驗數據和不同水溫條件下的水密度,計算獲取滲漏體積,結果見表5。

表5 滲漏水體積計算結果

在水力特征試驗之前,首先測量大變形土工膜的厚度。在試驗過程中,水壓會直接作用于土工膜,而土工膜由于法蘭盤的緊固作用其面積大小不會變化,而水壓力的作用會壓縮其厚度,針對這一變化,利用萬能試驗機對試樣進行壓縮,獲得不同壓力作用下其厚度的變化系數,然后經過換算,獲取試驗中土工膜的實際厚度,結果見表6。

表6 大變形土工膜厚度試驗結果

根據上述結果和土工膜滲透系數計算公式,計算出不同試驗方案下土工膜的滲透系數,結果見圖3。由試驗結果可以看出,土工膜的延伸率為50%和130%時的滲透系數變化規律比較接近,隨著水壓力的增大基本呈現出先增大后減小的變化特點,并且在水壓力為1.2 MPa 時達到最大值,之后迅速減小。兩者不同的是延伸率50%時滲透系數的后期變化比較平穩,而延伸率為130%時的滲透系數一直減小。延伸率為90%時的變化規律正好相反,滲透系數隨著水壓力的增大呈現出先減小后增大的變化特點,在水壓力為1.2 MPa 時基本達到最小。同時,在試驗周期相同時,延伸率為50%和90%時的滲透系數基本大于延伸率為130%的土工膜。總之,在土工膜拉伸變形后,其滲透系數存在一定的下降,但是與黏土。混凝土和瀝青混凝土等防滲材料相比仍具有明顯優勢。因此,在周邊縫防滲結構的土工膜經歷較大變形之后,仍顯示出比較優異的防滲性能,其工程應用價值比較突出。

圖3 不同試驗方案土工膜滲透系數

4 結語

高面膜堆石壩的周邊縫部位是大壩防滲的薄弱部位,對其防滲結構的特征進行研究具有十分重要的意義和作用。此次研究利用室內試驗的方式,分析了周邊縫變位導致的PVC土工膜大變形條件下的滲透特征,試驗結果顯示土工膜在經歷大變形之后,其滲透系數會顯著增大,但是和傳統防滲材料相比具有顯著優勢,仍舊表現出比較優異的防滲性能。當然,此次研究沒有針對其他試驗溫度,特別是低溫環境下的防滲性能進行試驗。因此,在今后的研究中還需要在多個不同溫度梯度下展開試驗,以獲得更為科學和完善的研究結論,為土工膜在大壩建設中的應用獲得更多的支持。