束一鳴，吳海民，姜曉楨，顧 克

(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)

鋼筋混凝土面板堆石壩與面膜堆石壩的不同之處為:面板為相對剛性的混凝土，而面膜為柔性體，不會產(chǎn)生如面板脫空、面板結(jié)構(gòu)性裂縫和面板豎縫擠壓破損那樣的破壞。兩者的相似之處為:①防滲體設(shè)置在上游壩面上，均需堅(jiān)實(shí)的墊層與大壩堆石體作為支持層;②防滲體周邊與兩岸巖體及地基均需作防滲連接處理;③壩體的位移變形均對防滲體產(chǎn)生影響，尤其是防滲體周邊接縫處的矢量變形。國內(nèi)一些面膜堆石壩的防滲體破壞主要發(fā)生在周邊錨固處，早期錨固不實(shí)，防滲體脫開漏水;改進(jìn)錨固方式后，則錨固邊緣處面膜損傷破壞導(dǎo)致漏水。這種現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上反映了面膜堆石壩防滲體安全存在著關(guān)鍵技術(shù)問題。

Giroud等［1-2］研究了防滲膜在溝槽中用重物錨固以防止風(fēng)作用下沿坡上、坡下和向上3個方向滑動，給出了計算公式，并對垃圾填埋場封蓋膜錨固進(jìn)行了研究，提出了3個方面的改進(jìn);Doi等［3］通過開展防滲膜的混凝土錨固槽野外試驗(yàn)，得到了混凝土錨固破壞的4種模式;Imaizumi等［4］對垃圾填埋場防滲膜(HDPE/LLDPE)錨固進(jìn)行了小型現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明最大拔出力取決于錨固物的重量，柔軟膜的錨著能力更強(qiáng);束一鳴［5-6］在闡述防止錨固滲漏措施和總結(jié)土工膜施工經(jīng)驗(yàn)中均提出避免錨固處膜的集中變形的思路;Chareyre等［7］通過兩種土質(zhì)斜坡坡頂槽中錨固膜及織物的足尺拉拔試驗(yàn)與離散單元的數(shù)值分析得到該錨固方式的相關(guān)結(jié)論;Shu等［8］在分析較高土石壩面膜防滲變形時提出了膜基巖錨固邊緣夾具效應(yīng)的概念;花加鳳等［9］通過數(shù)值計算初步論證了夾具效應(yīng)的存在性;邢玉玲等通過數(shù)值分析論證了高堆石壩土工膜與礫質(zhì)心墻組合防滲形式對心墻拱效應(yīng)的改善［10］。

綜上所述，關(guān)于膜錨固的大量研究主要集中在垃圾填埋場防滲膜周邊土槽混凝土壓重錨固的錨固件穩(wěn)定分析方面;對于高堆石壩面膜周邊錨固的夾具效應(yīng)尚未作較為深入的分析。本文通過理論結(jié)合實(shí)踐分析和初步試驗(yàn)揭示高面膜堆石壩夾具效應(yīng)的形成機(jī)制，進(jìn)而提出改進(jìn)設(shè)計的思路與方法。

1 面膜周邊錨固處的夾具效應(yīng)

1．1 “面膜夾具”的形成

膜拉伸試驗(yàn)中要求膜拉伸至破壞時夾具內(nèi)的膜無任何滑移，若有極少部分滑移，則需設(shè)置標(biāo)距線，膜的拉伸變形僅計算標(biāo)距內(nèi)的變形值。拉伸試驗(yàn)的每端夾具兩個夾片施加在膜上的壓力產(chǎn)生的摩阻力應(yīng)大于膜的拉伸強(qiáng)度。

高面膜堆石壩的面膜周邊錨固在基巖或混凝土構(gòu)件上，錨固設(shè)計要求錨著力產(chǎn)生的摩阻力大于膜的拉伸強(qiáng)度，相當(dāng)于拉伸試驗(yàn)中的一端夾具，這是維持面膜穩(wěn)定所必需的(見圖1);而另一端夾具，位于毗鄰錨著處壩面，膜下墊層與膜上現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡相當(dāng)于兩個夾片，庫水壓力相當(dāng)于錨著力，總體上，只要膜上下兩面產(chǎn)生的摩阻力之和大于膜的拉伸強(qiáng)度，這一端的夾具即形成。摩阻力的大小跟膜與上下兩面材料間的界面特性及庫水壓力有關(guān);當(dāng)護(hù)坡為透水顆粒料或預(yù)制板塊時，庫水壓力只產(chǎn)生膜與墊層間一面的摩擦力。為區(qū)分于實(shí)際夾具，此處稱其為“面膜夾具”，可類比面板堆石壩周邊縫銅片止水的岸坡一端澆筑在趾板內(nèi)，壩面一端澆筑在面板內(nèi)，當(dāng)止水澆筑于兩端混凝土內(nèi)的摩阻力大于止水強(qiáng)度時，大壩運(yùn)行時隨著壩體位移增大，止水發(fā)生幾何變形和材料變形直至斷裂破壞，止水澆筑的兩端混凝土履行了夾具的功能，否則止水的破壞形式將是被拔出。

圖1 面膜周邊錨固示意圖

1．2 “面膜夾具”的負(fù)效應(yīng)

相比混凝土面板、黏土或?yàn)r青斜墻等土石壩傳統(tǒng)防滲材料，膜的伸長率大，適應(yīng)變形的能力強(qiáng)，當(dāng)壩面發(fā)生位移變形時面膜不會發(fā)生如上述材料的結(jié)構(gòu)性裂縫，因?yàn)榇髩畏罎B的面膜材料PVC(聚氯乙烯)、LLDPE(線性低密度聚乙烯)及LDPE(低密度聚乙烯)的極限伸長率εl＞200%，其單向拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 LDPE膜拉伸曲線

伸長率ε的表達(dá)式為

式中:Li為試樣某一拉伸狀態(tài)時的標(biāo)距;L0為試驗(yàn)初始標(biāo)距，一般為100 mm，L0不同，ε稍有波動，為便于分析比較，試驗(yàn)對初始標(biāo)距L0值加以規(guī)定［11］。圖2中拉伸曲線延伸至末端的橫坐標(biāo)即為拉伸極限伸長率 εl。

然而，面膜優(yōu)越的變形適應(yīng)性在周邊錨固處仍難以發(fā)揮作用。由于面膜的勁度在大壩整體勁度中所占比例極小，所以在大壩整體位移中面膜顯現(xiàn)的只是自身的拉伸變形，而對壩體位移的約束作用幾乎可以忽略不計。當(dāng)大壩堆石體的幾何尺寸和物理力學(xué)性質(zhì)確定后，在一定水頭作用下，大壩的位移量也就確定了，相當(dāng)于式(1)中Li首先是一個定值，ε值就取決于L0值，而如前所述，“面膜夾具”間的距離就是岸坡基巖與壩面墊層之間的分界線的寬度，約為毫米數(shù)量級。式(1)中當(dāng)L0趨于無窮小時，ε→∞，即當(dāng)壩面相對于岸坡基巖的位移Li一定時，面膜夾具間的距離L0越小，面膜產(chǎn)生的應(yīng)變量ε就越大，當(dāng)兩端夾具靠在一起時(見圖3)，膜需要極大的伸長率才能避免破壞。當(dāng)設(shè)計的面膜材料選定后，其允許的應(yīng)變值εa也已定，若有ε＞εa，則面膜就不滿足安全要求。可見，面膜周邊錨固處“面膜夾具”的存在使常規(guī)設(shè)計的面膜鋪設(shè)形式難以適應(yīng)壩體位移變形而產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)，簡稱為“夾具效應(yīng)”。

圖3 夾具初始位置示意圖

1．3 夾具效應(yīng)的不同形成機(jī)制

實(shí)際工程中面膜周邊錨固處拉伸變形模式與實(shí)驗(yàn)室拉伸試驗(yàn)有區(qū)別，除了“面膜夾具”通常不在同一個平面內(nèi)以外，“面膜夾具”并不一定具有兩個夾片，且所謂的夾片也不一定規(guī)整。從目前國際面膜防滲結(jié)構(gòu)形式考量，不管是噴膠黏劑的顆粒墊層、無砂混凝土墊層還是聚合物透水混凝土墊層，只要水壓力達(dá)到一定值，面膜與墊層之間的必定形成“面膜夾具”的一個下層夾片;而面膜與護(hù)坡之間是否形成“面膜夾具”的一個上層夾片，需具體分析:①裸露面膜(不設(shè)護(hù)坡，國內(nèi)尚未建造)，不形成上層夾片;②預(yù)制混凝土板塊(包括其下有顆粒墊層)護(hù)坡，雖與面膜接觸，但因其透水，水壓力直接施加在面膜上，護(hù)坡只在面膜上增加了自身浮重，所以也不形成上層夾片;③現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，盡管護(hù)坡分縫或還設(shè)置排水孔，但現(xiàn)澆混凝土的砂漿浸透復(fù)合膜織物纖維的空隙(或混凝土直接澆筑在非復(fù)合的面膜上)，庫水壓力基本上通過護(hù)坡施加在面膜上，此時形成上層夾片?！懊婺A具”壩面端受力變形示意圖見圖4。

圖4 面膜壩面端受力變形示意圖

為了保證面膜正常運(yùn)行的耐久性以實(shí)現(xiàn)大壩整體的有效服役期，應(yīng)使面膜長期處于彈性變形階段的低應(yīng)力水平狀態(tài)運(yùn)行，筆者在作低應(yīng)力水平值的后續(xù)研究前先參照相關(guān)規(guī)范［12］給出面膜低應(yīng)力水平拉力值Tlow和膜允許拉力值Ta分別為

式中Tl為面膜的極限拉伸強(qiáng)度，kN/m。由此，在具有上下兩層夾片和僅有下層夾片時形成有負(fù)面影響的“面膜夾具”的必要條件分別為

而對應(yīng)的導(dǎo)致面膜不安全的“面膜夾具”的必要條件分別為

式中:T為膜內(nèi)單位寬度拉力，kN/m;p為水壓力，kPa;τu、τd分別為膜上、下面單位面積摩阻力，kPa;φu、φd分別為面膜與上下層接觸材料間的摩擦角，(°);L為壩面端面膜夾具的長度，m，理論上為某考察高程壩面左右岸端長度的一半，實(shí)際考慮有效摩阻效應(yīng)，宜取L=1 m。

式(4)和(6)中“面膜夾具”上層夾片應(yīng)考慮現(xiàn)澆混凝土砂漿與復(fù)合膜織物纖維之間的粘結(jié)力以及庫水滲入織物對摩擦力的減小量，由于這兩項(xiàng)作用均與砂漿對織物的浸入率有關(guān)，浸入率與各個工程的混凝土配方、施工工藝、施工氣候等因素有關(guān)，為便于應(yīng)用，上述兩項(xiàng)作用統(tǒng)一以界面摩擦力考慮。

若忽略界面特性的不均勻性，則式(4)～(7)可分別表示為

對具體工程而言，當(dāng)設(shè)計面膜規(guī)格、上下層墊層類型確定，公式(8)～(11)中不等式右邊各項(xiàng)因素均已確定，左邊水壓力即可確定，其表示在某個工況下，產(chǎn)生不同夾具效應(yīng)在水面以下的深度。

與式(8)或(9)對應(yīng)形成有負(fù)面影響的“夾具效應(yīng)”的充分條件為

與式(10)或(11)對應(yīng)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“面膜夾具”壩面端相對于錨固端發(fā)生的矢量位移的絕對值，mm;n0為所考察部位“面膜夾具”兩端的初始距離，mm;分別為設(shè)計面膜的拉伸曲線Tlow和Ta對應(yīng)的伸長率，具體可參見圖2。

2 傳統(tǒng)措施避免夾具效應(yīng)效果試驗(yàn)

2．1 面膜“夾具效應(yīng)”初步試驗(yàn)設(shè)計

人們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)面膜在周邊錨固處最容易發(fā)生拉伸破壞，所以也采取一些措施以期避免。筆者團(tuán)隊(duì)對以往常用的面膜常規(guī)鋪設(shè)形式與Z形及S形鋪設(shè)形式進(jìn)行了初步試驗(yàn)，其中后兩種形式是以往人們?yōu)榱吮苊鈯A具效應(yīng)專門采取的措施。

初步試驗(yàn)在模型箱中進(jìn)行。模型箱由角鋼與高強(qiáng)玻璃制成;模型箱下部填充橡膠粒子，其在壓力作用下可產(chǎn)生較大沉降變形，中上部填充細(xì)礫，兩者之間以無紡織物隔離;在細(xì)礫中間鋪設(shè)厚1 mm的LDPE膜，膜的一端錨固在模型箱箱壁上;細(xì)礫頂部放置剛性承載板，模型箱安置在反力架下，通過固定在反力架上的液壓臂向承載板施加壓力，箱內(nèi)填充料在加載過程中壓縮沉降5 cm時，觀察錨固端附近膜的變形情況。

2．2 試驗(yàn)結(jié)果

a．常規(guī)鋪設(shè)。膜初始狀態(tài)水平，如圖5中水平線所示，經(jīng)加載細(xì)礫填充料壓縮沉降5 cm后膜呈現(xiàn)二次曲線狀，圖中膜下的細(xì)礫填充料變形也呈二次曲線層理狀;從圖6可見，沿錨固件邊緣LDPE膜已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重拉伸破壞，破壞處附件的膜已發(fā)生塑性變形，二次曲線變形的其他部位幾乎恢復(fù)至原始狀態(tài)。

圖5 常規(guī)鋪設(shè)初始與變形后的位置

圖6 常規(guī)鋪設(shè)錨固處變形破壞狀態(tài)

b．Z形鋪設(shè)。Z形是以往采用最多的一種避免錨固處膜破壞的措施，被稱之為“伸縮節(jié)”［13］，是認(rèn)為在膜受力發(fā)生拉伸變形時，Z形折疊能被舒展打開，進(jìn)而以膜的幾何位移補(bǔ)償膜的材料變形。從以上面膜“夾具效應(yīng)”的機(jī)理分析可知，該措施難以見效。如圖7第一層線形所示，水平鋪設(shè)的膜在距錨固件邊緣約13 cm處折疊成Z形，填充料壓縮變形5 cm后膜處于圖中第二層線形位置，Z形折疊并未舒展，只是3層膜更加貼緊，膜的主要變形發(fā)生在錨固處附近。從圖8可見，錨固件邊緣處的膜幾乎已被拉斷，破壞處附件的膜也發(fā)生了塑性變形，其他部位的膜與初始狀態(tài)基本相同。

圖7 Z形鋪設(shè)初始與變形后的位置

圖8 Z形鋪設(shè)錨固處變形破壞狀態(tài)

c．S形鋪設(shè)。與Z形伸縮節(jié)相比，S形鋪設(shè)的曲折形狀更加寬松，如圖9中第一層線形所示，寬松曲折距離錨固處邊緣約9 cm，上下相距近6 cm。加載使填充料壓縮沉降5 cm后，膜處于圖9中的第二層線形處，可見S形狀變化很小，只是向下平移了位置，膜的主要變形也主要發(fā)生在錨固處附近。從圖10可見，錨固處邊緣的膜大部分發(fā)生了塑性破壞，程度比前兩種鋪設(shè)方式輕一些，附近的膜產(chǎn)生了塑性變形，其他部位與初始狀態(tài)基本相同。

圖9 S形鋪設(shè)初始與變形后的位置

圖10 S形鋪設(shè)錨固處變形破壞狀態(tài)

2．3 結(jié)果分析

從定性角度分析，由圖5～10可見，上述3種鋪設(shè)方式的膜均發(fā)生程度不同的拉伸破壞，而且均發(fā)生在錨固件邊緣處，說明“面膜夾具”機(jī)制的存在。

從定量角度分析，以普通鋪設(shè)方法為例，圖5所示二次曲線部分膜長度比對應(yīng)88mm直線長度的伸長量為17 mm，若以88 mm為標(biāo)距，則其伸長率為19.3%;圖6所示膜破壞狀態(tài)若與如圖11所示的該膜在100 mm初始標(biāo)距中伸長100 mm和500 mm的狀態(tài)相比，可知其拉伸初始標(biāo)距只能是如前所述“面膜夾具”兩端的距離，圖7拉伸試驗(yàn)的拉伸曲線參見圖2。從圖5～10觀測，“面膜夾具”兩端的距離為2～3mm，伸長率為470% ～750%，已經(jīng)接近或超過了該膜的極限伸長率。以上分析表明:①只要“面膜夾具”產(chǎn)生夾具效應(yīng)，上游壩面發(fā)生厘米數(shù)量級的位移，錨固處邊緣的膜就可能發(fā)生拉伸破壞;②不管采用Z形或S形鋪設(shè)方式，只要沒有解決錨固邊緣處“面膜夾具”間的標(biāo)距問題，采取的措施效果甚微。

圖11 厚1 mm的LDPE膜單向拉伸試驗(yàn)狀態(tài)

3 消除夾具效應(yīng)的思路與設(shè)計方法

3．1 消除夾具效應(yīng)的思路

根據(jù)以上形成夾具效應(yīng)的機(jī)制分析和初步試驗(yàn)可知，在一定水深下就可產(chǎn)生滿足形成“面膜夾具”的必要條件，消除夾具效應(yīng)的措施應(yīng)從產(chǎn)生夾具效應(yīng)的充分條件入手:

a．減小壩面位移量，使錨固邊緣處面膜變形量小于產(chǎn)生破壞效應(yīng)或負(fù)面效應(yīng)的量值。但是壩高、壩址地質(zhì)地形、當(dāng)?shù)囟咽狭W(xué)特性一定，能在原有基礎(chǔ)上減小的壩面位移量幅度很小。

b．增大“面膜夾具”兩端夾具間的初始標(biāo)距，避免夾具間面膜變形在毫米量級長度中發(fā)生，而使其在厘米或分米量級長度中發(fā)生，以“面膜夾具”間面膜的有效幾何變形替代材料變形，措施效果更明顯。

因此，消除夾具效應(yīng)的思路應(yīng)該是設(shè)法在保證面膜免受損傷條件下增大“面膜夾具”間的初始標(biāo)距，在壩體位移過程中設(shè)法使“面膜夾具”間面膜的有效幾何變形取代材料變形。

3．2 消除夾具效應(yīng)的設(shè)計方法

基于上述消除夾具效應(yīng)的思路，歸納出以下消除夾具效應(yīng)的設(shè)計方法:

a．類比已建高混凝土面板堆石壩原型觀測周邊縫最大矢量位移值以及參照設(shè)計壩有限元分析壩面周邊最大矢量位移值，設(shè)定該壩周邊壩面相對于基巖的位移最大值，稱其為常規(guī)鋪設(shè)時面膜夾具間距終值。

b．施工鋪膜壩面跟基巖的交線稱作鋪膜線，面膜周邊基巖錨固線簡稱錨固線，見圖12。按常規(guī)面膜鋪設(shè)方式，鋪膜線與錨固線基本處于同一平面，如前所述，若鋪膜線與錨固線處于同一平面，則將產(chǎn)生夾具效應(yīng);若將鋪膜線平面設(shè)置高于錨固線平面，高出的值略大于該壩的常規(guī)鋪設(shè)時面膜夾具間距終值(參見圖12)，水庫滿蓄壩面位移后使鋪膜線回到錨固線附近，而整個過程“面膜夾具”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)得以消除。

圖12 消除夾具效應(yīng)設(shè)計方法示意圖

c．上述鋪膜線高于錨固線的設(shè)計方法，涉及一些工藝技術(shù)細(xì)節(jié)，例如怎樣處理先錨后填(墊層)以及夾具兩端間面膜免受損傷等問題，各個工程需根據(jù)具體情況精心設(shè)計，此不贅述，可參考文獻(xiàn)［14］。

4 結(jié)語

以傳統(tǒng)設(shè)計方法，高面膜堆石壩周邊錨固處夾具效應(yīng)不可避免，夾具效應(yīng)與規(guī)范規(guī)定的拉伸試驗(yàn)的相同之處是兩者均具有夾具，不同之處是后者初始標(biāo)距一定，不同性能的膜具有不同的最終標(biāo)距，而前者拉伸最終標(biāo)距一定，不同性能的膜需要不同的初始標(biāo)距才能保證自身運(yùn)行安全。消除夾具效應(yīng)的思路是使“面膜夾具”間面膜的有效幾何變形取代材料變形，設(shè)計方法為鋪膜線高于錨固線，其值取決于錨固處壩體相對于基巖的位移值。筆者團(tuán)隊(duì)已研制專門儀器設(shè)備［15］繼續(xù)作深入研究，分析揭示夾具效應(yīng)形成的機(jī)理規(guī)律，開發(fā)更加完善避免夾具效應(yīng)的工藝措施。

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