舒 婧

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

1 工程概況

恰木薩水電站位于新疆自治區(qū)莎車縣境內(nèi)，工程主要由攔河引水樞紐、輸水建筑物、前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。恰木薩水電站為中型Ⅲ等工程，引水渠首為3級建筑物。水庫主壩為土石壩，校核洪水位1551.30m，最大壩高14.5m，壩長2144.20m。上游壩坡1∶2.5，護坡為混凝土板，下游壩坡1∶2.0，護坡為混凝土網(wǎng)格梁填干砌卵石。壩體防滲采用復合土工膜斜墻形式。

2 復合土工膜力學特性

2.1 土工膜種類及特征

土工膜是由高分子聚合物制作而成的柔性防水阻隔型薄膜，根據(jù)材料的不同可分為：低密度聚乙烯（LDPE）土工膜、高密度聚乙烯（HDPE）土工膜、EVA土工膜3大類。

在工程中一般將厚度超過0.8mm的土工膜稱為防水板。3類土工膜的力學特性如表1［1］。

表1 各類土工膜力學特性

2.2 復合土工膜抗拉特性

復合土工膜是由土工織物和土工膜復合而成的不透水材料，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為：一布一膜、一布兩膜、兩布一膜、兩布兩膜等，寬幅一般在4～6m，重量在200～1500g/m2。根據(jù)防水材料的不同也分為：LDPE復合土工膜、HDPE復合土工膜、EVA復合土工膜3大類。復合土工膜與土工膜的力學特性相比會有較大改變［2］。

考慮到本項目是在壩體防滲中應用，防滲效果對整個水利工程均有較大影響，因此恰木薩水電站防滲斜墻初步設計選用“環(huán)保型HDPE復合土工膜”（兩布一膜），厚度0.6mm，寬幅4m，通過試驗測定該土工膜拉伸曲線如圖1［3］。

圖1 土工膜拉應力—應變曲線

Tmax和εmax分別為本項目設計采用的復合土工膜所能承受的最大拉應力和拉應變，經(jīng)測定Tmax≈10kN/m，而εmax≈135%，該類復合土工膜在本項目中是否合理會進行驗證。

2.3 復合土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)設計

復合土工膜防滲斜墻屬于一種新型防滲技術(shù)，目前應用較為廣泛。結(jié)合其他工程經(jīng)驗，本工程防滲斜墻總體結(jié)構(gòu)自下而上可分為：下墊層、土工膜、上保護層。其中下墊層自下而上為200mm黏土層+200mm砂礫料；上保護層從下至上為200mm砂礫料墊層、200mm混凝土板，如圖2［4］。

圖2 復合土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)

3 防滲斜墻主要材料參數(shù)

3.1 砂礫料

本項目采用砂礫料作為復合土工膜的過渡料，砂礫料和土工膜之間會產(chǎn)生摩擦力，而摩擦力大小與砂礫料粒徑范圍、含水量、摩擦系數(shù)等均有關(guān)系，在此通過試驗設計砂礫料的最佳參數(shù)。

3.1.1 試驗方法

砂礫石和土工膜接觸面的摩擦特性所產(chǎn)生的剪切力τ主要由黏著力C、摩擦角θ、法向壓力P決定，計算如式（1）［5］，試驗剪切力盒模型如圖3。

圖3 砂礫料與土工膜試驗模型

模型尺寸長×寬×高=200mm×200mm×100mm，模型上部用硬塑料板代替砂礫石土樣，下部裝填真實土樣，通過測定百分表量力環(huán)變形值求得水平摩擦力：

試驗時，依次施加垂直壓力、剪切力，利用電動螺桿以3cm/min速度推進，直到百分表指針不再明顯改變，說明土工膜和砂礫石之間已經(jīng)剪壞。

項目試驗根據(jù)水壩實際情況，共設計4種垂直載荷：11.5，18.5，26.3，33.8kPa。

3.1.2 試驗結(jié)果分析

項目試驗所選取的砂礫料粒徑分4組：＜10mm，＜5mm，＜2mm，0.25～2mm；濕度共設計：干、中濕、高濕3級。

（1）小于10mm砂礫料與土工膜摩擦剪切力級配砂礫料和復合土工膜的摩擦試驗數(shù)據(jù)如表2，過程擬合線如圖4。

表2 砂礫料與土工膜的摩擦剪切力數(shù)據(jù)

圖4 砂礫料與土工膜剪切力擬合曲線

由表2數(shù)據(jù)及圖4可知：①在同一濕度下，隨著垂直載荷增加，剪切應力逐步增加；②前3組在同一垂直載荷下，隨著濕度增加，剪切應力呈現(xiàn)先增加、后降低趨勢；③當垂直載荷為33.8kPa時，剪切應力呈現(xiàn)先降低、后增高趨勢，與前3組正好相反。

（2）小于5mm砂礫料與土工膜的摩擦剪切力，該級配砂礫料和復合土工膜的摩擦試驗數(shù)據(jù)如表3，過程擬合線如圖5。

表3 砂礫料與土工膜的摩擦剪切力

圖5 砂礫料與土工膜剪切力擬合曲線

由表3及圖5可知：①在同一濕度下，隨著垂直載荷增加，剪切應力逐步增加；②在同一垂直載荷下，隨著濕度增加，剪切應力呈現(xiàn)逐步降低趨勢；③相對于小于10mm砂礫料，小于5mm砂礫料與土工膜摩擦剪切力降低10%～30%。

后兩組不同粒徑的砂礫料與土工膜摩擦產(chǎn)生的剪切力與小于5mm砂礫料基本一致。通過對比，粒徑越小與土工膜之間摩擦力越小，從壩體抗滑穩(wěn)定性考慮，本工程土工膜過渡料選用小于10mm砂礫料。

3.2 復合土工膜延伸破壞驗證分析

為驗證恰木薩水電站大壩防滲斜墻的安全穩(wěn)定性，利用有限元模擬軟件對水庫蓄水后壩體位移變形進行模擬。

3.2.1 模型的建立

建立的壩體模擬模型總體為6面體，其中復合土工膜為四邊形薄膜單元 （共440個），壩基總單元數(shù)7470個，壩體單元數(shù)2400個，建好的模型如圖6［6］。

圖6 大壩有限元模擬模型

3.2.2 模擬結(jié)果分析

通過模擬水庫在蓄水期壩體垂直位移，得到圖7等值線。

圖7 蓄水期垂直位移等值線

由圖7可知：

（1）大壩中心位置位移最大，達到16cm。

（2）從壩體中心向上下游壩腳位置，壩體垂直位移量逐漸降低。

（3）本項目復合土工膜εmax≈135%，且寬幅為4m，其最大可承受變形量為140cm，遠大于壩體垂直位移量，因此滿足使用要求。

通過模擬水庫在蓄水期壩體水平位移，得到圖8等值線。

圖8 蓄水期水平位移等值線

由圖8可知：

（1）上下游壩坡中心位置水平位移量最大，約為4.0～4.5cm。

（2）從壩坡向壩頂位置，壩體水平位移量逐步降低。

（3）最終可知，復合土工膜滿足壩體水平位移使用要求。

通過模擬水庫在蓄水期壩體最大主應力，得到圖9等值線。

圖9 蓄水期最大主應力等值線

由圖9可知：

（1）壩基中心位置主應力最大，達到0.4MPa。

（2）從壩基到壩頂位置，最大主應力在逐步減小，復合土工膜需要承受的最大主應力小于0.05MPa。

（3）本項目土工膜Tmax≈10kN/m，可換算得出其最大承受主應力為0.1MPa，因此復合土工膜滿足壩體最大主應力要求。

4 結(jié)語

（1）復合土工膜防滲斜墻施工簡單，質(zhì)量可靠。但設計時要注意抗滑穩(wěn)定性問題，選用既不會對土工膜產(chǎn)生破壞、摩擦力又較大的砂礫料。

（2）恰木薩水電站大壩復合土工膜防滲斜墻投入使用后，防滲效果良好，沒有出現(xiàn)土工膜破裂、滑坡問題，在設計上是成功的。