束一鳴，吳海民，姜曉楨

(1．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098;2．水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;3．南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京 210029)

據(jù)國際大壩委員會(ICOLD)2010年不完全統(tǒng)計(jì)，全球已有167座大型土石壩采用土工膜防滲［1］。新建的膜防滲堆石壩(土石壩)一般采用兩種壩型:面膜堆石壩(membrane faced rockfill dam，MFRD)和芯膜堆石壩(membrane cored rockfill dam，MCRD)。面膜堆石壩類似于面板堆石壩，防滲膜位于堆石壩上游面;芯膜堆石壩類似于心墻堆石壩，防滲膜位于堆石壩中央位置。以前國內(nèi)借用土料防滲體的稱謂，分別稱它們?yōu)橥凉つば眽Χ咽瘔魏屯凉つば膲Χ咽瘔危浴澳ぁ狈Q“墻”不甚貼切。

由于芯膜堆石壩的防滲膜施工與堆石支撐體施工需同步進(jìn)行，兩種材料、兩種施工工藝相互影響甚至相互干擾，使膜防滲堆石壩的施工快捷優(yōu)勢削弱;一旦膜嚴(yán)重受損需要修補(bǔ)或更換，又由于防滲膜位于堆石壩中央而難以實(shí)現(xiàn)，所以，面膜堆石壩的發(fā)展自然優(yōu)先于芯膜堆石壩。然而，面膜堆石壩的設(shè)計(jì)及運(yùn)行性態(tài)比芯膜堆石壩復(fù)雜得多，一般而言，芯膜堆石壩的防滲膜主要隨壩體沉降位移，而面膜堆石壩的防滲膜還有不可忽視的順河向位移分量;芯膜與壩體支撐體之間不存在穩(wěn)定問題，而面膜不僅有一般穩(wěn)定問題，還需防止庫水位驟降時(shí)由于反向水壓導(dǎo)致防滲膜失穩(wěn)的問題，等等。所以，面膜堆石壩的諸多技術(shù)問題更需研究解決。

一般而言，大壩越高，壩的設(shè)計(jì)和建造難度越大，面膜堆石壩也不例外。碾壓式土石壩的高壩，水利行業(yè)定義為70 m以上［2］，而電力行業(yè)定義為100 m以上［3］，壩高超過150m的混凝土面板堆石壩稱為超高面板壩［4］，筆者團(tuán)隊(duì)將高度達(dá)150 m的面膜堆石壩作為研究對象，以適應(yīng)近、中期該技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展趨勢和建設(shè)發(fā)展需求。在國家自然科學(xué)基金的資助下，筆者團(tuán)隊(duì)取得了一些初步研究成果，本文通過對國內(nèi)外面膜堆石壩建設(shè)過程的梳理，分析我國面膜堆石壩建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，概述面膜堆石壩關(guān)鍵技術(shù)的研究初步成果，以促進(jìn)提升該壩型的技術(shù)水平，增強(qiáng)該壩型建設(shè)的活力。

1 面膜堆石壩結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

面膜堆石壩與面板堆石壩結(jié)構(gòu)相近，只是將鋼筋混凝土面板換成素混凝土護(hù)坡板，板下面鋪設(shè)防滲膜，膜周邊錨固。兩者最大區(qū)別是將混凝土面板防滲體轉(zhuǎn)換成面膜防滲體，后者無需設(shè)縫及止水。面膜堆石壩可分為支撐體和防滲體，結(jié)構(gòu)如圖1所示。本節(jié)著重闡述面膜堆石壩的防滲結(jié)構(gòu)。

圖1 面膜堆石壩結(jié)構(gòu)示意圖

1．1 壩體支撐結(jié)構(gòu)

爆破開采的非軟巖堆石壩體，可不設(shè)排水體;若采用河床礫卵石作為壩體，則需視堆石體的滲透性確定是否需設(shè)置上昂式排水-水平排水-棱體排水系統(tǒng)。下游壩坡坡比與混凝土面板堆石壩相當(dāng)，上游壩坡坡比根據(jù)面膜墊層和保護(hù)層(護(hù)坡)的形式不同，可與混凝土面板堆石壩相當(dāng)或略緩。

1．2 壩體防滲結(jié)構(gòu)

對于面膜堆石壩，在堆石體過渡層上的即為防滲結(jié)構(gòu)。防滲結(jié)構(gòu)除防滲膜本身以外，通常包括膜或復(fù)合膜下部的墊層或支持層、膜或復(fù)合膜上部的保護(hù)層或護(hù)坡等。

1．2．1 防滲膜

高面膜堆石壩采用的防滲膜的厚度應(yīng)在2 mm以上，至今應(yīng)用較多的材質(zhì)主要為PVC(聚氯乙烯)膜和PE/HDPE(聚乙烯/高密度聚乙烯)膜。由于厚度1mm以上的PE膜材質(zhì)較硬，既不便于在較陡的坡面上鋪設(shè)拼接，也難以適應(yīng)蓄水后墊層的變形［5］，所以高面膜堆石壩宜采用相對柔軟的PVC膜。

膜一側(cè)或兩側(cè)熱粘針刺無紡織物即為一布一膜型復(fù)合膜或兩布一膜型復(fù)合膜。若復(fù)合工藝可保證膜的物理力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，應(yīng)優(yōu)先采用復(fù)合膜，織物不僅可以在運(yùn)輸、鋪設(shè)過程中保護(hù)防滲膜免受損傷，而且可提供平面排水通道，有利于膜體穩(wěn)定。對于高面膜堆石壩，應(yīng)采用規(guī)格為400g/m2以上的針刺無紡織物。

若膜的上下兩面分別采用鋪設(shè)針刺無紡織物的措施，則需校核膜與織物之間的界面穩(wěn)定性。

1．2．2 墊層

處于堆石體過渡層上的即為墊層，墊層的形式一般有顆粒型和非顆粒型。

對于高面膜堆石壩而言，切不可采用黏性土作為墊層形成所謂組合式防滲結(jié)構(gòu)(芯膜堆石壩可采用該組合防滲結(jié)構(gòu)形式)，因?yàn)榇竺娣e膜體難以避免一些細(xì)小缺陷存在，低透水性材料不利于膜下游側(cè)排水，通過這些細(xì)小缺陷的滲水會積聚在膜與黏性土之間，當(dāng)庫水下降至積水部位以下時(shí)，將影響該部分膜體的穩(wěn)定。因此，不管是顆粒型墊層還是非顆粒型墊層，均應(yīng)為透水性墊層。

若采用顆粒型墊層，宜用河床開采的細(xì)礫，厚度不宜小于30cm，一般表面需噴灑乳化瀝青或水泥砂漿，以加強(qiáng)顆粒墊層表面的穩(wěn)定性，利于防滲膜的鋪設(shè)及膜與墊層之間的平整接觸;此外，顆粒型墊層應(yīng)該是自濾的，能抵御滲透變形。

非顆粒型墊層可在顆粒墊層上增設(shè)，總厚度仍不小于30cm。非顆粒型墊層也應(yīng)為透水墊層，可為水泥透水混凝土或聚合物透水混凝土，厚度10 cm以上。透水混凝土墊層適于防滲膜的鋪設(shè)、拼接。

1．2．3 保護(hù)層

膜-無紡織物或復(fù)合膜之上即為保護(hù)層。對于高面膜堆石壩，趨于省略顆粒保護(hù)層，直接采用混凝土板或混凝土塊，既作為壩面護(hù)坡又作為防滲膜的保護(hù)層，厚度宜在20cm以上?；炷帘Ｗo(hù)層可預(yù)制也可現(xiàn)澆，但都應(yīng)設(shè)置排水。

預(yù)制混凝土因抗風(fēng)浪需要較大面積，搬運(yùn)鋪設(shè)過程中較易損傷防滲膜;由于鋼筋施工同樣容易損傷防滲膜，所以現(xiàn)澆混凝土一般采用素混凝土，趨于采用聚丙烯纖維混凝土。

隨著PVC膜的抗老化性能大幅度增強(qiáng)，越來越多的大壩采用裸露PVC膜防滲形式，尤其在高碾壓混凝土中，例如2002年建成的哥倫比亞高188 m的Miel 1碾壓混凝土重力壩［6］和2003年建成的美國加州高97 m的Olivenhain碾壓混凝土重力壩［7］，在我國龍灘壩建成以前Miel 1壩是世界上最高的碾壓混凝土重力壩，該壩填筑至壩頂后，在直立上游壩面上先安裝聚合物復(fù)合排水，再安裝PVC膜，該滲控措施使碾壓混凝土壩體幾乎不涉及滲流，純粹成為支撐體，設(shè)計(jì)理念具有創(chuàng)新意義，防滲膜不設(shè)保護(hù)層，完全裸露。與此不同，堆石壩面PVC膜上設(shè)置保護(hù)層并沒有碾壓混凝土壩直立上游面設(shè)置膜保護(hù)層的施工那樣麻煩，所以，據(jù)2010年國際大壩委員會的統(tǒng)計(jì)，面膜土石壩中仍有70%設(shè)置膜保護(hù)層，以有效防止風(fēng)浪、漂浮雜物、冰、溫變、紫外線輻射及人為因素等對防滲膜產(chǎn)生的損傷。

1．3 面膜堆石壩特點(diǎn)

與混凝土面板堆石壩、黏性土心墻堆石壩相比，面膜堆石壩具有其自身的特點(diǎn)。

a．膜防滲性能高。無產(chǎn)品缺陷和施工缺陷的PVC膜的滲透系數(shù)約為10－11cm/s量級，透水性極小。

b．防滲膜質(zhì)量易于控制。相對于現(xiàn)場施工的防滲體，PVC膜產(chǎn)品在工廠生產(chǎn)，質(zhì)量控制的可靠性高;現(xiàn)場拼接及錨固的質(zhì)量檢測設(shè)備及技術(shù)已臻成熟，現(xiàn)場施工質(zhì)量控制的保證率越來越高。

c．防滲膜適應(yīng)壩體平均變形的能力強(qiáng)。PVC膜處于彈性階段的應(yīng)變量在10%以上，足以適應(yīng)不到壩高1%的壩體位移對應(yīng)的平均變形量;與混凝土面板堆石壩相仿，壩體堆石可分區(qū)，可采用軟巖，適宜建造在覆蓋層上。

d．適應(yīng)地域?qū)拸V。接近北極圈的冰島2005年建成的高196m的Karahnjukar面板堆石壩［8］，壩下部面板主要接縫采用膜防滲;意大利用防滲膜加固了建于阿爾卑斯山脈的8座混凝土壩［8］，有的高程在2200m以上，即使裸露膜也要求使用壽命在50 a以上。

e．施工工藝比較簡便，易于修復(fù)和更換。面膜堆石壩的總體施工程序簡單明了，與面板堆石壩相仿，很少受氣候影響的堆石體、過渡層、顆粒墊層的填筑可先行完成，然后進(jìn)行防滲膜的鋪設(shè)、拼接及保護(hù)層的施工。若經(jīng)幾十年運(yùn)行后需要更換防滲膜也相對簡單。

f．面膜不同部位應(yīng)變差異極大，需精心設(shè)計(jì)。盡管PVC膜的有效應(yīng)變量很大，在適應(yīng)絕大部分壩體變形方面具有卓越表現(xiàn)，但在特殊部位，例如中下部壩體周邊錨固部位，常規(guī)設(shè)計(jì)仍難保證其變形安全，需作專門設(shè)計(jì)。

g．施工質(zhì)量控制要求高。應(yīng)防止防滲膜拼接缺陷、墊層表面凹坑、尖銳顆粒和多個(gè)粗顆粒聚集的存在，雖然表面凹坑和粗顆粒聚集不直接造成防滲膜漏水，但使其在長期運(yùn)行中承受隨壩體位移產(chǎn)生的變形和水壓液脹變形的共同作用，有效使用壽命將受到較大影響。此外施工需避免極端環(huán)境條件，如高、低氣溫和大風(fēng)等。

2 面膜堆石壩發(fā)展現(xiàn)狀及需求

2．1 發(fā)展現(xiàn)狀

由于二戰(zhàn)期間天然橡膠的短缺，美國在20世紀(jì)40年代采用聚合物膜作為渠道防滲體;后相繼應(yīng)用于蓄水池防滲等，第一座面膜堆石壩為意大利于1959 年建成的 Contrada Sabetta Dam［9］，壩高 32.5 m，在坡比為1∶1的上游壩面上鋪設(shè)厚2 mm的聚異丁烯膜作為堆石壩的防滲體;1960年加拿大建成高65m的堆石壩Terzaghi Dam，采用PVC膜防滲。在以后的數(shù)十年中，歐洲建成了數(shù)十座膜防滲的中等高度以下的土石壩。1996年南歐阿爾巴尼亞建成高91 m的面膜堆石壩Bovilla Dam［10］，在上部壩坡1∶1.55和下部壩坡1∶1.6的上游壩面墊層上鋪設(shè)厚3 mmPVC熱粘700g/m2聚酯無紡布的復(fù)合膜，PVC膜上面再鋪設(shè)800 g/m2的聚丙烯無紡布，其上護(hù)坡為厚20～30cm的現(xiàn)澆混凝土板。Bovilla Dam原設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土面板堆石壩，考慮到壩址屬于9度強(qiáng)震區(qū)及工期較緊，開工前變更設(shè)計(jì)為面膜堆石壩。

據(jù)國際大壩委員會2010年統(tǒng)計(jì)，全世界用0.7 mm以上厚度的膜防滲的土石壩，PVC膜為54座，占43%，其他各類膜均低于20%。

此外，PVC膜尤其適于加固年久老化的鋼筋混凝土面板，美國加州1916年建成的高50 m的Strawberry Dam和1931年建成的高100 m的Salt Spring Dam［11-12］兩座鋼筋混凝土面板堆石壩在2000年后均采用PVC膜鋪設(shè)于混凝土面板表面或接縫表面實(shí)現(xiàn)防滲加固。

國內(nèi)土工膜用于大壩始于防滲加固，遼寧桓仁混凝土單支墩大頭壩高79 m［13］，因裂縫漏水于1967年采用2層厚度1mm的瀝青-聚合物膜粘貼錨固在上游壩面進(jìn)行防滲加固;浙江亭下混凝土重力壩高76.5m，因滲漏于1984年在上游直立壩面用膠粘丁基橡膠膜進(jìn)行防滲加固;陜西石砭峪瀝青混凝土斜墻堆石壩［14］因嚴(yán)重漏水于2000年采用厚1 mm PVC的兩布一膜型復(fù)合膜鋪設(shè)于壩面進(jìn)行防滲加固，上覆15 cm現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡。

在我國，用于大型工程的土石壩壩面防滲修復(fù)始于20世紀(jì)90年代初，河北臨城水庫黏土斜墻土石壩高 31 m［15］，上游壩坡 1∶2.5，壩面采用鋪設(shè)PVC兩布一膜型復(fù)合膜作為防滲體。

我國第一座大面積應(yīng)用膜防滲的大壩為甘肅酒泉夾山子水庫大壩［16］，壩高32.5 m，壩頂長720 m，壩左右兩岸防滲長度1700m，庫底防滲面積56.6萬m2，庫盤及兩岸均分別采用厚0.2～0.4 mm的PE復(fù)合膜防滲，膜自下而上在壩面鋪設(shè)26 m，與黏土斜墻連接，1988年開工，1995年竣工蓄水。

我國第一座高于30m的面膜堆石壩為浙江小嶺頭堆石壩［17］，壩高36 m，上下游壩坡均為1∶1.3，在上游無砂混凝土墊層上鋪設(shè)250 g/m2/0.5 mm/400g/m2的PVC復(fù)合膜，保護(hù)層(護(hù)坡)為10 cm厚的預(yù)制混凝土板，1991年開工，1994年建成蓄水。

我國第一座建于大江大河上的大型工程面膜土石壩為黃河干流西霞院土石壩［18-19］，其為小浪底水利樞紐的配套工程，壩長2609 m，壩高20.2 m，上游壩坡1∶2.75，不同壩段分別采用400 g/m2/0.8 mm/400g/m2和400g/m2/0.6mm/400g/m2的LDPE 膜-聚酯長絲針刺無紡布兩布一膜型復(fù)合膜鋪設(shè)于壩面細(xì)礫石墊層上，保護(hù)層也為礫石，上覆塊體護(hù)坡。該壩于2007年建成蓄水。

我國第一座大型工程、高于50 m的面膜堆石壩為四川田灣河梯級水電站仁宗海面膜堆石壩［20］，壩高56 m，為大(2)型工程的1級建筑物，上游壩坡1∶1.8，壩面鋪設(shè)400g/m2/2mm/400g/m2的HDPE復(fù)合膜防滲，復(fù)合膜上為預(yù)制混凝土板護(hù)坡。工程于2004年開工，2009年建成蓄水。

縱觀我國面膜堆石壩建設(shè)，多數(shù)為30 m以下低壩，從20世紀(jì)90年代上半葉的壩高36 m發(fā)展至21世紀(jì)10年代下半葉的壩高56m，從小流域小支流上的工程走向大江大河上的工程，從建造大型工程的圍堰(長江三峽工程二期圍堰膜防滲［21］方案始于20世紀(jì)80年代)跨越到建設(shè)大型工程的大壩，花了約20年時(shí)間。一些工程的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過反復(fù)審查，屬于不得已而為之。例如黃河西霞院土石壩若采用黏土心墻防滲，征地采土對周邊生態(tài)、環(huán)境、社會的影響不容忽視，而采用面膜壩方案超出了規(guī)范規(guī)定。國內(nèi)水電設(shè)計(jì)院為國外工程面膜堆石壩設(shè)計(jì)的方案壩高已達(dá)90 m，屬于高面膜堆石壩，然而國內(nèi)工程中多在高圍堰中采用膜防滲方案。概括之，我國面膜堆石壩起步較早，發(fā)展滯緩，原因如下:

a．機(jī)理研究不足。高面膜堆石壩防滲結(jié)構(gòu)的運(yùn)行性態(tài)與變形破壞機(jī)理研究不深，以致在方案選擇時(shí)缺乏信心。工程實(shí)踐中也確實(shí)缺少針對特殊部位防滲膜易產(chǎn)生損傷的有效措施，導(dǎo)致一些工程膜防滲系統(tǒng)在運(yùn)行中破壞。

b．施工隊(duì)伍及裝備不夠?qū)I(yè)。高面膜堆石壩防滲結(jié)構(gòu)的施工與質(zhì)量控制需一些專有工藝及裝備，例如防滲膜的鋪設(shè)、拼接、周邊錨固及其質(zhì)量檢測等，更重要的是缺少嫻熟掌握工藝的專業(yè)施工隊(duì)伍，具有膜防滲結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的施工組織設(shè)計(jì)不夠完善，一些工程施工中膜防滲結(jié)構(gòu)就遭受嚴(yán)重?fù)p傷。國內(nèi)固體廢棄物填埋場膜防滲工程的起步遠(yuǎn)遠(yuǎn)遲于大壩膜防滲工程，但由于其強(qiáng)制性規(guī)范的引導(dǎo)，又由于市場面廣量大，膜防滲工程專業(yè)施工隊(duì)伍迅速發(fā)展，出現(xiàn)一些大壩膜防滲工程由填埋場膜防滲工程專業(yè)隊(duì)伍來施工的局面。

c．建設(shè)協(xié)調(diào)不精細(xì)。面膜堆石壩與面板堆石壩相比似乎僅多了一層防滲膜，實(shí)際上多出許多細(xì)小環(huán)節(jié)，有些還需多方協(xié)調(diào)，而細(xì)節(jié)往往決定工程的成敗。例如，除河床段外，其余壩段的復(fù)合膜底端均需按設(shè)計(jì)作特型裁剪并預(yù)留復(fù)合膜布-膜間不粘面積，建設(shè)方或施工方需將設(shè)計(jì)方的細(xì)部設(shè)計(jì)提供給材料承包商，類似這些細(xì)節(jié)往往被忽視。

d．國內(nèi)材料品種不足。早在20世紀(jì)80年代和90年代初，國內(nèi)大壩防滲膜多采用PVC復(fù)合膜，由于當(dāng)時(shí)的PVC膜的塑化劑易于流失而老化，以后即被PE膜所取代。但對于高面膜堆石壩所采用的膜厚度一般為1.5 mm、2 mm或以上，此厚度的HDPE膜硬如板一般，施工難以操作。而國外柔軟易于施工操作的PVC膜已改性成可以長久裸露使用的極耐老化的建材，國內(nèi)此類品種相對偏少。

e．國際交流和國內(nèi)導(dǎo)向環(huán)境缺乏。同樣興起于20世紀(jì)80年代的鋼筋混凝土堆石壩(CFRD)和碾壓混凝土壩(RCCD)在我國發(fā)展迅猛，筑壩高度和筑壩技術(shù)已在國際名列前茅。而面膜堆石壩技術(shù)，一些國外咨詢公司/承包商申請了專利保護(hù)，從材料供應(yīng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工建造實(shí)行一條龍承包，對于一些具體技術(shù)與建造經(jīng)驗(yàn)也不作交流，國內(nèi)需要自主研發(fā);另一方面，由于國內(nèi)缺乏系統(tǒng)深入的研發(fā)，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［3］規(guī)定“3級低壩經(jīng)過論證可采用土工膜防滲體壩”，無形中增加了實(shí)踐的難度。

2．2 發(fā)展需求與發(fā)展基礎(chǔ)

2．2．1 發(fā)展需求

我國西部地區(qū)水能資源豐富，如金沙江、瀾滄江、怒江、雅礱江和大渡河等，其上游需建300 m級的高壩形成龍頭水庫，以提高梯級電站的補(bǔ)償調(diào)節(jié)性能。許多壩址位于經(jīng)濟(jì)落后、交通閉塞、河床覆蓋層深厚區(qū)域，適合建造高150m以上堆石壩的有10多座［22］。堆石壩的防滲體可采用黏性土心墻或斜心墻、混凝土面板，也存在較強(qiáng)的建造面膜堆石壩的潛在需求。

a．深覆蓋層上高心墻堆石壩合格防滲土料開采日趨困難。深覆蓋層上建高堆石壩采用黏性土心墻或斜心墻防滲體的技術(shù)相對成熟，相對于混凝土面板，黏性土心墻對高堆石體和深覆蓋層的位移適應(yīng)性強(qiáng)，但受到以下因素制約:其一，黏性土施工受氣候影響大，工期長;其二，壩址附近難覓合格的黏性土料;其三，黏性土料的開采對環(huán)境生態(tài)產(chǎn)生的負(fù)面影響越來越受到社會重視，這是最主要的制約因素，以心墻黏性土料260萬m3［23］為例，若開采深度2 m，則需開采1.3萬hm2。

b．深覆蓋層高面板堆石壩的變形控制復(fù)雜。面板堆石壩從最初建造在巖基上逐步發(fā)展到建造在較深的覆蓋層上，我國的察汗烏蘇面板堆石壩［24］高151.6 m，覆蓋層深 46 m;九甸峽面板堆石壩［25］高136 m，覆蓋層深54.5 m。國內(nèi)正在研究建造在100 m級深覆蓋層上200m級高面板壩［26］，然而遇到覆蓋層地層組成較復(fù)雜時(shí)，就需對壩基、壩體變形進(jìn)行有效控制。例如河南河口村面板堆石壩［27］，壩高122.5 m，趾板處覆蓋層深31 m，地震烈度7度，除挖除覆蓋層上部的砂質(zhì)透鏡體、黏性土夾層及含土量偏高的砂卵石并采用過渡料回填外，對防滲墻下游邊緣向下游方向50 m范圍內(nèi)采取變樁距高壓旋噴樁復(fù)合地基處理措施，以減小連接板與混凝土防滲墻之間的縫間變形，同時(shí)逐步過渡至天然地基。

c．面膜材料不斷改性完善更適應(yīng)高堆石壩運(yùn)行性狀。壩高超過90 m的南歐Bovilla面膜堆石壩建造在9度地震區(qū)的陡峻山谷中，防滲體需經(jīng)受大壩堆石體的工后流變與強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)。該壩是即將施工時(shí)將面板堆石壩方案改為面膜堆石壩方案的，主要考慮因素為工期緊迫和需抵抗強(qiáng)震。相對于高面板堆石壩，高面膜堆石壩無面板結(jié)構(gòu)性裂縫、周邊縫止水變形過大、分期施工面板脫空等施工、運(yùn)行問題。近10多年來，防滲面膜材料通過改性完善已對大壩防滲結(jié)構(gòu)的施工與運(yùn)行管理以極大的便利，如100 m級甚至200 m級的碾壓混凝土壩采用裸露面膜防滲，無需設(shè)置垂直保護(hù)層，一些堆石壩也采用裸露面膜防滲結(jié)構(gòu)，不僅工序簡化、工期縮短，而且運(yùn)行檢查、維護(hù)檢修十分方便。

d．面膜堆石壩適宜在我國高原及深谷、高低緯度廣大區(qū)域建造。國外采用面膜防滲形式的大壩分布于從熱帶的印度尼西亞到北極圈的冰島，從太平洋東海岸到中歐阿爾卑斯山2000 m高程處，說明其建造施工和安全運(yùn)行的適應(yīng)性。我國建壩的緯度與高程分布區(qū)域大，從熱帶至北溫帶，從東南沿海高程數(shù)百米的抽水蓄能電站上水庫到高程 3000 m的青藏高原，面膜堆石壩可滿足不同區(qū)域的需要。

2．2．2 發(fā)展基礎(chǔ)

a．高面板堆石壩建造與性態(tài)研究成果可供借鑒。由于面膜堆石壩與面板堆石壩的防滲體位置相同，兩者的堆石體結(jié)構(gòu)組成相同，防滲體支持結(jié)構(gòu)基本相同，堆石體運(yùn)行變形規(guī)律相似，所以我國30多年建造與研究高面板堆石壩的經(jīng)驗(yàn)可供高面膜堆石壩借鑒。

b．國內(nèi)已有中等高度面膜堆石壩的建壩經(jīng)驗(yàn)。我國已有建造壩高超過50 m的面膜堆石壩的成功經(jīng)驗(yàn)，并且正在設(shè)計(jì)施工境外壩高達(dá)90 m的面膜軟巖堆石壩，而壩高50 m以下的新建及加固膜面壩就更多，一些經(jīng)驗(yàn)可以供高面膜堆石壩借鑒。

c．設(shè)計(jì)規(guī)范對膜防滲壩的限制逐漸放開。早在1991年國際大壩委員會的公報(bào)中就指出，沒有理由對填筑壩土工膜的采用推薦具體的高度限制。雖然國內(nèi)相關(guān)規(guī)范長期將膜防滲土石壩的高度限制在3級建筑物以下的低壩，但隨著國內(nèi)面膜堆石壩建造規(guī)模和高度逐漸增大，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范修訂后將放寬對膜防滲堆石壩高度的限制。

d．建設(shè)面膜堆石壩的潛在意愿強(qiáng)烈。面膜堆石壩防滲體由工廠制造質(zhì)量保證率高，防滲結(jié)構(gòu)施工簡便、受氣候影響小、工期短、造價(jià)低、維修方便，只是對高壩的一些技術(shù)問題缺少系統(tǒng)深入研究，有些部門現(xiàn)行規(guī)范尚有些限制，所以建設(shè)者處于一種想建又顧慮經(jīng)驗(yàn)不足的糾結(jié)狀態(tài)。已有許多低壩采用膜面壩形式，大量中小型病險(xiǎn)土石壩采用面膜防滲加固方案，不少高壩大庫的高圍堰［28］采用膜防滲形式，這些現(xiàn)象預(yù)示國內(nèi)建造高面膜堆石壩已為期不遠(yuǎn)。

3 高面膜堆石壩關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)研究不足是制約高面膜堆石壩建造與發(fā)展的因素之一，在國家自然科學(xué)基金資助下，筆者團(tuán)隊(duì)在面膜防滲結(jié)構(gòu)的組成、運(yùn)行的力學(xué)機(jī)理、設(shè)計(jì)方法與分析方法等方面取得一些研究初步成果，后續(xù)研究仍在進(jìn)行中，現(xiàn)概述如下。

3．1 高面膜堆石壩周邊的夾具效應(yīng)與設(shè)計(jì)方法

3．1．1 面膜周邊錨固的夾具效應(yīng)

高面膜堆石壩周邊錨固的所謂“夾具效應(yīng)”［29-30］，是指面膜周邊錨固在基巖或混凝土上的錨著力產(chǎn)生的摩阻力大于膜的拉伸強(qiáng)度時(shí)，相當(dāng)于拉伸試驗(yàn)中的一端夾具，位于毗鄰錨著處壩面由庫水壓力產(chǎn)生膜與上、下界面的摩阻力相當(dāng)于錨著力而形成另一端夾具;盡管相對于基巖面膜隨壩體位移只有厘米至分米量級，但上述兩端夾具間的距離(即壩體與基巖的距離)只有毫米量級，膜產(chǎn)生的伸長率超過100%，甚至達(dá)到1000%，使該處面膜破壞或因長期疲勞而破壞。

形成導(dǎo)致面膜不安全的夾具效應(yīng)的必要條件為

式中:p為水壓力，kN/m;φu、φd分別為面膜與上、下層接觸材料間的摩擦角，(°);Tl為面膜的極限拉伸強(qiáng)度，kN/m。

形成導(dǎo)致面膜不安全的夾具效應(yīng)的充分條件為

式中:n為水庫滿蓄后所考察部位壩面相對于基巖發(fā)生矢量位移的絕對值，mm;n0為所考察部位壩面與基巖間的初始距離為設(shè)計(jì)面膜的拉伸曲線上允許拉力Ta對應(yīng)的伸長率。

3．1．2 消除夾具效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法

由于壩面與基巖的初始水平距離不能改變，但是相對于這兩者之間水平距離的垂直距離是可以改變的，這樣一方面增大了兩端夾具的標(biāo)距，另一方面在壩體位移過程中使兩端夾具間的面膜的有效幾何變形取代了面膜的材料變形。

具體方法為:鋪膜線(施工鋪膜壩面跟基巖的交線)高于錨固線(面膜周邊基巖錨固線)，水庫滿蓄壩面位移后使鋪膜線回到錨固線附近，而整個(gè)過程兩端夾具間的面膜幾乎只有幾何變形，極少發(fā)生材料變形，夾具效應(yīng)可得以消除。

3．2 高面膜堆石壩面膜雙向拉伸分析方法

3．2．1 防滲膜雙向拉伸試驗(yàn)方法

目前土工膜防滲設(shè)計(jì)計(jì)算及安全評價(jià)主要以單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，然而土工膜作為一種平面構(gòu)造的柔性高分子材料，位于結(jié)構(gòu)物表面或內(nèi)部時(shí)，多處于平面多向受力狀態(tài)，其主應(yīng)力應(yīng)為雙向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。土工膜采用單向拉伸試驗(yàn)方法時(shí)，試樣變形無側(cè)向限制，為單向受力狀態(tài)，可見試驗(yàn)過程中的應(yīng)力變形狀態(tài)與實(shí)際運(yùn)行性態(tài)不一致。單向拉伸試驗(yàn)方法得到的力學(xué)特性只能用來進(jìn)行不同土工膜產(chǎn)品指標(biāo)參數(shù)的橫向比較，無法用來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算;此外，單向拉伸試驗(yàn)方法得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為名義應(yīng)力(拉伸力除以橫截面初始面積)-名義應(yīng)變(兩個(gè)拉伸夾具之間距離的伸長率，即整個(gè)試樣的平均應(yīng)變)關(guān)系，難以直接用于土工膜受力變形性態(tài)的數(shù)值分析與安全評價(jià)。筆者團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了“十”型和“筒”型兩種雙向拉伸試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的試驗(yàn)方法，利用圖像測試及分析方法獲得試樣真應(yīng)變，根據(jù)測試試樣截面積變化規(guī)律結(jié)合理論推導(dǎo)獲得試樣真應(yīng)力，進(jìn)而得到土工膜雙向拉伸狀態(tài)下的基本力學(xué)特征及真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系。

3．2．2 防滲膜雙向拉伸力學(xué)特性

面膜堆石壩一般在壩體填筑完成時(shí)沿壩坡鋪設(shè)土工膜，此時(shí)堆石壩體大部分豎向沉降已完成，土工膜主要由蓄水引起壩體向下游垂直于壩面的位移而產(chǎn)生變形，由原來的平面變成向下游凸出的鍋面形狀，因承受沿著壩坡和壩軸線兩個(gè)方向的拉力而處于雙向受力狀態(tài);此外，在壩面周邊錨固處的極小區(qū)域內(nèi)，土工膜受到雙向拉伸和夾具效應(yīng)雙重作用而極易發(fā)生破壞。

通過自主研發(fā)的兩種雙向拉伸試驗(yàn)裝置對防滲膜進(jìn)行了大量雙向拉伸試驗(yàn)研究［31-33］，試驗(yàn)得到土工膜在雙向狀態(tài)下的延伸率遠(yuǎn)低于單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果，不僅揭示了面膜在真實(shí)工作狀態(tài)中的雙向拉伸受力變形特性及破壞機(jī)理，而且試驗(yàn)獲得的設(shè)計(jì)分析中所需的雙向拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系和參數(shù)，比單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果更加可靠合理。通過雙向拉伸試驗(yàn)得到真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系及相應(yīng)參數(shù)可對面膜防滲堆石壩進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，能實(shí)現(xiàn)對高面膜堆石壩運(yùn)行雙向拉伸性態(tài)和安全度更加精確的預(yù)測和評價(jià)。

3．3 高面膜堆石壩數(shù)值精細(xì)模擬方法

3．3．1 面膜堆石壩數(shù)值計(jì)算現(xiàn)狀

高面膜堆石壩中土工膜的受力變形機(jī)理主要有以下3個(gè)方面:①由于蓄水所產(chǎn)生隨著壩體的變形而變形，這種變形會在壩軸線方向上和壩坡方向兩個(gè)方向上同時(shí)給土工膜帶來拉伸變形;②在雙向拉伸變形的同時(shí)，土工膜還會與兩側(cè)的墊層和保護(hù)層產(chǎn)生沿著接觸面的剪切錯(cuò)動，所以土工膜與兩側(cè)材料接觸面的力學(xué)特性，也影響著土工膜的受力變形特性;③土工膜周邊錨固在河床和岸坡的剛性基巖或混凝土構(gòu)件上，由于壩體和岸坡基巖之間材料性質(zhì)差異較大，往往會發(fā)生較大的差異變形，由于此時(shí)接近錨固處的土工膜在水壓力作用下，被緊緊壓在壩面上，無法均勻和有效地伸展開來，所以在接近錨固處極小的長度范圍內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)較大的拉伸變形，從而引起土工膜的拉伸破壞，這種受力特點(diǎn)也被形象地稱為夾具效應(yīng)。所以對高面膜堆石壩進(jìn)行數(shù)值精細(xì)模擬必須能夠較好地反映出上述3個(gè)土工膜主要的受力變形機(jī)理。

由于商業(yè)軟件二次開發(fā)接口的問題，在大多數(shù)的計(jì)算模擬中土工膜材料的本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型進(jìn)行近似分析，鮮見采用非線性本構(gòu)模型進(jìn)行分析的實(shí)例，而土工膜在雙向拉伸條件下的本構(gòu)關(guān)系往往具有較強(qiáng)的非線性特性;采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，往往沒有考慮土工膜與其他材料接觸界面的相互作用，或者僅以土石壩表面土體的應(yīng)變作為土工膜的應(yīng)變進(jìn)行近似計(jì)算，采用傳統(tǒng)的接觸面單元考慮土工膜與墊層間接觸界面作用時(shí)，接觸面兩側(cè)的單元節(jié)點(diǎn)其坐標(biāo)必須相同，如此就造成了土工膜單元網(wǎng)格的密度與壩體單元的網(wǎng)格密度相同。事實(shí)上，土工膜在壩體與岸坡基巖以及壩基等連接處的應(yīng)力和變形比較復(fù)雜，存在夾具效應(yīng)，所以往往要求這些部位的土工膜網(wǎng)格尺寸不宜過大，則勢必造成土石壩壩體單元和土工膜單元在網(wǎng)格尺寸上的不匹配。這也是目前面膜堆石壩數(shù)值計(jì)算的一個(gè)難點(diǎn)。

3．3．2 高面膜堆石壩精細(xì)數(shù)值計(jì)算方法

對于土工膜與墊層之間的接觸面的模擬，采用土工膜連接單元改變了傳統(tǒng)接觸面單元以“面對面”的連接方式，而改用“點(diǎn)對面(體)”的連接方式，從而使得接觸面兩側(cè)的單元節(jié)點(diǎn)不再需要重合，所以土工膜單元網(wǎng)格與壩體三維實(shí)體網(wǎng)格可以采用各自不同的網(wǎng)格密度相互獨(dú)立劃分。對于夾具效應(yīng)的模擬，傳統(tǒng)的網(wǎng)格劃分手段是將土工膜單元網(wǎng)格與岸坡基巖的單元網(wǎng)格采用“共節(jié)點(diǎn)”的形式連接，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是連續(xù)的，如此則無法體現(xiàn)出壩體和岸坡以及壩基等處的差異變形。高面膜防滲堆石壩精細(xì)數(shù)值計(jì)算方法［34］通過將原來的錨固處的節(jié)點(diǎn)分離開來，并在土工膜節(jié)點(diǎn)與基巖節(jié)點(diǎn)之間建立新的三維空間彈簧單元的方法對錨固處土工膜的受力變形情況進(jìn)行分析。

3．4 高面膜堆石壩非散粒體面膜墊層技術(shù)

3．4．1 面膜墊層工程性態(tài)分析

高面膜堆石壩墊層是面膜防滲體的持力層和傳力層，同時(shí)又兼顧排除膜下積水的功能，所以墊層必須在水力學(xué)特性和力學(xué)性能上滿足透水性、自穩(wěn)性、高強(qiáng)度和變形協(xié)調(diào)性要求。目前常用的面膜墊層主要有顆粒墊層及非散粒體墊層兩類。我國建造的中低面膜堆石壩中，通常采用砂礫石墊層，為滿足防滲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，坡比一般需大于1∶1.8，較緩的壩坡將影響高面膜堆石壩的經(jīng)濟(jì)性，所以對于壩坡較陡的高面膜堆石壩應(yīng)考慮采用非散粒體墊層。

目前工程中采用的非散粒體墊層主要有砂礫石或碎石噴乳化瀝青和無砂混凝土。噴乳化瀝青可增強(qiáng)顆粒墊層的穩(wěn)定性，但噴灑過多易降低墊層透水性，難以排除通過缺陷滲漏到膜下的積水，庫水驟降時(shí)易導(dǎo)致膜后反壓而引起防滲體失穩(wěn)。無砂混凝土具有較高的強(qiáng)度和承載力，也能維持自身穩(wěn)定性，但其脆性特性顯著在抗壓試驗(yàn)中均出現(xiàn)粉碎性破壞。對于建造在深厚覆蓋層壩基上的軟巖堆石壩體，蓄水后壩面會產(chǎn)生較大撓曲變形，無砂混凝土墊層在壩面發(fā)生較大撓曲變形時(shí)會發(fā)生較多較大的結(jié)構(gòu)性裂縫，增加了面膜液脹破壞的風(fēng)險(xiǎn)度。據(jù)此，筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種韌性較好的非散粒體墊層材料——聚合物透水混凝土。

3．4．2 聚合物透水混凝土工程特性

聚合物透水混凝土是一種新型彈性蜂窩狀多孔材料，利用聚合物膠本身的黏結(jié)性將碎石顆粒粘接成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體結(jié)構(gòu)。對該材料的透水性能、抗折及抗彎力學(xué)性能、界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及位于防滲體中的變形破壞特性等進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究［35-36］，并與無砂混凝土材料進(jìn)行了對比試驗(yàn)和分析，論證了其對于高面膜堆石壩面膜墊層的適應(yīng)性。材料試驗(yàn)結(jié)果表明:該新材料滲透系數(shù)可達(dá)1 cm/s以上，在具有較高抗壓和抗折強(qiáng)度的同時(shí)，具有良好的韌性，彈性模量不到無砂混凝土的1/20，能保證位于較陡壩坡上的穩(wěn)定性;其透水性能和變形協(xié)調(diào)性均高于無砂混凝土。防滲結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)結(jié)果表明:聚合物透水混凝土能與防滲結(jié)構(gòu)各層材料協(xié)調(diào)變形，能夠適應(yīng)壩面較大的撓曲變形;此外，該新型墊層材料還具有施工工藝簡單、養(yǎng)護(hù)期短(2d可達(dá)終凝強(qiáng)度的80%以上)等優(yōu)點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)面膜墊層材料，更適合應(yīng)用于深覆蓋層上高軟巖堆石壩的面膜墊層。

3．5 高面膜堆石壩膜頂脹損缺性狀量化分析方法

3．5．1 面膜頂脹損缺的隨機(jī)性

通過觀察土工膜與散粒體材料的接觸面可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)散粒體材料的顆粒性狀(粒徑、尖銳程度等)以及排列堆積方式有序和規(guī)律時(shí)，土工膜與散粒體材料的接觸點(diǎn)、接觸面積以及接觸力是唯一確定的，而實(shí)際上，散粒體中的顆粒性狀及其排列堆積方式是無序和隨機(jī)的，所以其接觸點(diǎn)位置，接觸面積以及接觸力必然是隨機(jī)和無序的。局部顆粒粒徑小且顆粒排布緊密時(shí)，土工膜與顆粒的接觸點(diǎn)就多，間距小，單位面積上每個(gè)接觸部位分?jǐn)偟膲毫托?，接觸力也就小，反之接觸力則大，所以土工膜下墊層對其的接觸力是一個(gè)隨機(jī)變量。

從高面膜防滲堆石壩中土工膜整體的受力分析上來看，土工膜上部所受的壓力與其下部墊層對其的接觸力合力必然是相等的，但由于接觸力是一個(gè)隨機(jī)變量，每個(gè)接觸部位的接觸力大小并不相同，所以在某個(gè)局部會出現(xiàn)接觸力與土工膜上部壓力不平衡的現(xiàn)象，同時(shí)土工膜會在這個(gè)不平衡力的方向上發(fā)生變形并產(chǎn)生內(nèi)力來使該處的力重新平衡。

3．5．2 面膜頂脹損缺的隨機(jī)性分析方法

土工膜與墊層顆粒間接觸力具有隨機(jī)性，但各顆粒接觸力的合力必然與土工膜上部的壓力相等，即接觸力隨機(jī)變量的隨機(jī)性受到其合力一定的約束條件所限制，考慮了接觸力隨機(jī)性最大化以及合力一定的約束條件后，通過“最大熵原理”可以得出接觸力隨機(jī)變量的概率分布［37］，從而進(jìn)一步得出土工膜局部不平衡力的概率分布。

目前土工膜頂脹測試規(guī)范中所得出的土工膜抗頂脹能力是在一定試驗(yàn)條件下獲得的一個(gè)確定的值，其值與土工膜的厚度、材料力學(xué)特性具有唯一確定的關(guān)系，如此則可根據(jù)相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)所得出土工膜的抗頂脹能力，并通過與局部不平衡力隨機(jī)變量的比較，可計(jì)算出該土工膜在某種墊層顆粒性狀(粒徑、尖銳程度等)下的安全概率［38］。在高面膜防滲堆石壩中，由于各個(gè)高程處土工膜所受的壓力不同，壩面上土工膜由于整體受力變形后本身存在一定應(yīng)力和變形，所以考慮高面膜防滲堆石壩上的頂脹損缺分析必須還要考慮到壩面不同位置處土工膜不同的受力變形特性。

4 結(jié)語

高面膜堆石壩的防滲膜具有柔性，擅于以自身幾何變形和材料變形適應(yīng)較大的壩體位移和深覆蓋層沉降，尤其適用于深覆蓋層地基上的高軟巖堆石壩建設(shè)，且其施工程序簡單，造價(jià)低廉，施工期短。隨著裸露防滲膜的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)施工又增加了多種選擇?，F(xiàn)在我國正值水利水電建設(shè)快速發(fā)展期，一方面高壩建設(shè)需求旺盛，另一方面存在不少條件不太理想的壩址，如覆蓋層較深、黏性土料缺乏或開采受到限制等，所以，高面膜堆石壩建設(shè)的原理研究、技術(shù)及材料研發(fā)、設(shè)計(jì)施工規(guī)范編制將伴隨在高面膜堆石壩的逐步建設(shè)得到深入發(fā)展和完善，高面膜堆石壩建設(shè)將歷史性地在我國得到長足發(fā)展。

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