岳娟 潘維宗 安俊江 彭驚

摘要：涵閘底板與鋪蓋連接處易產(chǎn)生不均勻沉降，導致黏土防滲體破壞，危害涵閘及大堤安全。復合土工膜與黏土鋪蓋組合結(jié)構(gòu)抵抗變形能力強，可作為閘室底板與閘前鋪蓋間防滲體。以山東楊集引黃閘為例，建立涵洞式水閘三維模型，在平衡地應力后，對閘室底板施加實測位移荷載，研究實際沉降條件下復合土工膜的應力變形規(guī)律。計算結(jié)果表明：復合土工膜最大應力均出現(xiàn)在底板底部拐角處，縱向最大拉應力為4.30 MPa，橫向最大拉應力為3.54 MPa，小于土工膜的允許抗拉強度，可滿足工程應用要求，其變形規(guī)律依附于閘基的沉降，縱向位移與閘基沉降基本相等。針對直角拐角處應力集中現(xiàn)象，可在橫、縱向折疊鋪設土工膜，以減小拉應力。

關(guān)鍵詞：復合土工膜;防滲結(jié)構(gòu);ABAQUS;引黃閘

中圖分類號：TV311

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 025

涵洞式水閘是黃河上常見的一種水工建筑物，主要包括閘前鋪蓋、閘室和涵洞等部分。閘室前設鋪蓋可增大滲徑長度，減小坡降，其通常有混凝土鋪蓋和黏土鋪蓋兩種類型。在實際應用中，閘室本身質(zhì)量較大，加上大堤填土對閘室的頂推力作用，使得閘室底板與鋪蓋連接處常發(fā)生不均勻沉降。在對黃河上涵閘進行清淤檢查中發(fā)現(xiàn)，大部分涵閘沉陷不均勻[1]。工程經(jīng)驗表明，黃河上建成20 a的涵閘閘室前累計不均勻沉降一般為10～ 20 cm.超過了規(guī)范允許值?；炷龄伾w剛度大，在不均勻沉降處承受較大彎矩，易發(fā)生破壞。黏土鋪蓋剛度較小，變形協(xié)調(diào)能力較強，但在不均勻沉降處會因底板沉降而發(fā)生剪切破壞。混凝土或黏土鋪蓋斷裂破壞后，導致涵閘滲徑縮短，引起水力梯度增大，在上游水頭作用下易產(chǎn)生涌水、管涌，掏空閘室及涵洞基礎，嚴重時還會影響堤防安全。因此，在工程設計時會考慮在底板下設混凝土摩擦樁或端承樁。在底板下設置樁基礎可有效減小閘室沉降，但底板下部土體不再受到上部重力作用而壓密，在長時間滲流作用下易發(fā)生掏空現(xiàn)象，另外很多工程一味滿足承載力要求，導致基礎處理采用過多樁基，水泥樁造價較高，增加了建設成本[2]。

土工膜防滲好、施工簡便、造價低，在30多a的研究與實踐中，其應用日漸普遍，施工方法日漸成熟[3-4]。如：張馬涵閘采用土工膜真空聯(lián)合預載加固軟基[5]：韓董莊和孫東涵閘閘前鋪蓋在改建中采用土工膜防滲，鋪設范圍為原鋪蓋長度，經(jīng)施工分析，復合土工膜方案經(jīng)濟且防滲效果良好[6]：勝豐涵閘采用400g/m的無紡土工布鋪蓋結(jié)合混凝土防滲墻進行防滲設計[7]。但此類工程將復合土工膜作為防滲體，在設計中均未考慮鋪蓋與閘室底板連接處不均勻沉降的影響，在閘基底板與鋪蓋連接位置復合土工膜的應力變形狀態(tài)如何，在何處應力變形最大，復合土工膜是否能夠安全運行，尚未進行系統(tǒng)分析。

本文針對引黃閘閘室底板與鋪蓋間不均勻沉降現(xiàn)象，提出采用復合土工膜作為閘室底板與閘前鋪蓋之間的防滲結(jié)構(gòu)，并簡要介紹了復合土工膜的施工程序。利用ABAQUS建立涵閘三維模型，涵閘以復合土工膜+黏土鋪蓋作為防滲體，研究復合土工膜的應力變形狀態(tài)，為復合土工膜應用于鋪蓋與閘基連接處提供可行性依據(jù)，并提出相應優(yōu)化設計方法。

1 復合土工膜設計

1.1 土工膜防滲體的優(yōu)點

（1）土工膜滲透系數(shù)為10-11 cm/s，遠小于黏土滲透系數(shù)（10 cm/s）和混凝土滲透系數(shù)（10 cm/s），完全可以滿足普通涵閘閘室底板與上游鋪蓋連接處的防滲要求。

（2）復合土工膜+黏土鋪蓋組合結(jié)構(gòu)抵抗不均勻沉降能力強。黏土一方面可以起防滲作用，另一方面作為墊層可保護復合土工膜免于碎石尖角刺破，起到雙保險作用。同時復合土工膜的極限延伸率在300%以上，抵抗變形能力遠超黏土和混凝土[4]。

（3）復合土工膜+黏土鋪蓋組合防滲結(jié)構(gòu)造價低。黏土可取閘址處開挖土體，復合土工膜綜合單價大致為30元/m，比采用大量黏土和混凝土防滲造價顯著降低。

（4）施工方便。復合土工膜在抽水蓄能電站堤防、面膜堆石壩中廣泛應用，施工技術(shù)已相對成熟，面膜焊接保證率高。在應用黏土一復合土工膜防滲體施工時，復合土工膜工程量小，僅在上下游閘基底板連接位置鋪設：復合土工膜與混凝土連接部分不設上墊層，可簡化土工膜鋪設工藝。

1.2 土工膜防滲體結(jié)構(gòu)設計

防滲體結(jié)構(gòu)設計充分考慮鋪蓋與閘基底板連接處不均勻沉降對防滲結(jié)構(gòu)的影響，采用復合土工膜+黏土鋪蓋的組合防滲結(jié)構(gòu)形式。復合土工膜可在鋪蓋因不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫時正常防滲。

復合土工膜防滲體平面設計：復合土工膜在上游與黏土鋪蓋錨固槽連接，下游與混凝土底板膨脹螺栓錨固連接，形成局部密封防滲體系：為保證土工膜運行安全，土工膜在連接處垂直方向鋪設至漿砌石護底

鋪蓋防滲結(jié)構(gòu)包括0.4 m厚漿砌石護底、0.2 m厚壤土、0.3 m厚黏土。

復合土工膜防滲結(jié)構(gòu)：上游復合土工膜結(jié)合鋪蓋防滲結(jié)構(gòu)，0.4 m漿砌石保護層，防止水流沖刷上墊層：0.2 m壤土上墊層，防止?jié){砌石在施工過程中對土工膜的損害;下墊層為0.3 m厚黏土。下游復合土工膜與混凝土底板直接接觸，不設上墊層，下墊層設0.3 m細砂墊層。

土工膜防滲結(jié)構(gòu)接頭設計：復合土工膜與建筑物連接處密封連接。對于與預澆混凝土閘基底板的連接，采用膨脹螺栓進行錨固;上游與鋪蓋的連接采用開挖錨固槽，然后澆筑素混凝土，固定復合土工膜。

1.3 防滲方案比選

基于復合土工膜滲透系數(shù)小、抗拉性能好、適應應變能力強等優(yōu)點，在此選用復合土工膜方案與塑性混凝土墻方案進行對比：方案①.10 m長的黏土鋪蓋+塑性混凝土防滲墻;方案②，10 m長的黏土鋪蓋+局部復合土工膜。

（1）防滲效果及可行性比較。方案①采用10 m長黏土鋪蓋進行水平防滲，結(jié)合塑性混凝土墻作垂直防滲，形成閘基防滲體系。塑性混凝土墻可增加滲徑，且混凝土滲透系數(shù)為10 cm/s.可滿足普通閘底板與上游鋪蓋連接處防滲要求。該方案是目前工程中廣泛應用的方案。閘室自重及上游水壓力主要由混凝土墻來承擔，閘基土體基本不承擔，塑性混凝土防滲墻起到防滲抗?jié)B作用，效果良好。方案②采用黏土鋪蓋與復合土工膜組合防滲，黏土鋪蓋作為復合土工膜的保護層，與土工布組成雙保險，防止碎石及混凝土底板邊角刺破土工膜，同時黏土和土工膜都具有防滲效果，且復合土工膜的滲透系數(shù)僅10 cm/s.遠小于黏土及塑性混凝土的，完全能夠滿足引黃閘10 m水頭的防滲要求。復合土工膜抗拉性能好，極限延伸率大于50%，可適應較大幅度的不均勻沉降，為消除底板轉(zhuǎn)角處的夾具效應，可采用折疊鋪設方案，以土工膜幾何變形來代替拉伸變形，保證組合防滲結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）經(jīng)濟性比較。方案①中，塑性混凝土墻設置在閘室底板前齒墻底部，上部與閘室底板澆筑在一起，下部打人相對不透水層。楊集引黃閘單孔凈寬2.6 m，共三孔，底板寬11.4 m.地基相對透水層厚6m.塑性混凝土墻打人地基相對不透水層下1m，即混凝土墻深約7m，混凝土墻單價為300元/m左右，塑性混凝土墻造價約2.4萬元。相比方案①，復合土工膜鋪設范圍在鋪蓋與閘基連接位置，復合土工膜長度約15m，閘室寬度約11.4 m，其工程量為171 m，復合土工膜綜合單價為30元/m，其造價約0.5萬元。

（3）比選結(jié)果。方案①與方案②作為閘室防滲方案均可滿足工程防滲要求，其對比見表1。方案①采用的塑性混凝土墻可有效增加滲徑并具有良好的防滲性能;方案②所采用的復合土工膜，滲透系數(shù)小，造價低，不能減小閘室不均勻沉降，但復合土工膜抗拉性能好，可適應于較大的不均勻沉降：方案①塑性混凝土材料費約是方案②復合土工膜材料費的5倍。綜合考慮采用方案②進行防滲設計。

2 復合土工膜防滲施工

復合土工膜防滲施工程序見圖2。復合土工膜的鋪設順序與閘室的施工順序保持一致，先進行閘室施工，然后進行鋪蓋施工。因此，復合土工膜具體施工順序為：閘室混凝土底板澆筑完成后，首先采用膨脹螺栓錨固底板土工膜，然后將混凝土底板與錨固好的復合土工膜吊裝到指定位置，再鋪設鋪蓋段復合土工膜，復合土工膜之間采用焊接連接，連接完成后錨固槽錨固鋪蓋段復合土工膜，最后對鋪蓋段復合土工膜鋪設上墊層，最后進行漿砌石護底。其施工特點是：上游土工膜結(jié)合鋪蓋防滲結(jié)構(gòu)，與鋪蓋有共同的墊層;下游復合土工膜與混凝土直接接觸，不設上墊層。

3 有限元計算分析

復合土工膜滲透系數(shù)僅10 cm/s，是一種理想的防滲體，以山東黃河楊集引黃閘為例，采用復合土工膜+鋪蓋防滲方案，對復合土工膜進行有限元計算分析。采用ABAQUS建立閘室三維模型，平衡地應力之后，閘室底部施加實測沉降位移，主要研究復合土工膜的應力變形狀態(tài)。

3.1 工程概況

楊集引黃閘建于1992年，為一聯(lián)三孔鋼筋混凝土涵洞式水閘，每孔凈寬2.6 m、凈高2.8 m，建筑物等級為I級，閘門為鋼筋混凝土平板閘門，涵洞全長80 m.分8節(jié)，閘首段長9.99 m，其余7節(jié)均長9，98 m，設計流量為30 m/s.底板上設邊墩、中墩，邊墩厚0.67 m，中墩厚1.05 m.洞身頂、底板厚均為0.7 m，每節(jié)涵洞洞節(jié)之間設鋼筋混凝土墊梁，墊梁高0.5 m、寬1.0 m。工作閘門機架橋為一整體式鋼筋混凝土肋形結(jié)構(gòu)，涵洞頂部有大堤回填土，閘上游設置3m長的黏土鋪蓋，閘底板高程45.9 m.設計防洪水位56.6 m，見圖3。

該水閘運行21 a后，山東黃河勘測設計研究院對其進行了安全檢測。結(jié)果表明，其上游面有明顯裂縫，漿砌石護坡塌陷，基礎底部有掏空現(xiàn)象，閘前鋪蓋前Im出現(xiàn)多處滲水管涌，涵洞之間止水鋼板嚴重腐蝕。在此提出采用復合土工膜與現(xiàn)有鋪蓋組合進行防滲。試樣規(guī)格為500 g土工布夾1.0 mm厚的PVC膜，土工材料參數(shù)見表2。

依據(jù)水利水電工程土工合成材料應用技術(shù)規(guī)范，測得的極限抗拉強度T和相應極限拉應變ε用于工程設計時先進行折減：的容許拉應力橫向為9.4 MPa.縱向為9.1 MPa;拉應變橫向為19.5%.縱向為16.2%。

3.2 計算模型

模型范圍在閘體上游取20 m.下游取到閘室后大堤平臺20 m.左右岸各取到邊墩外側(cè)10 m，縱向取底板以下20 m.主要構(gòu)件包括大堤、閘室、鋪蓋和土工膜?？紤]到上游翼墻對復合土工膜影響較小，故未予建模。復合土工膜采用兩布一膜，計算模型見圖4。采用通用有限元軟件ABAQUS進行計算分析。

土體模擬采用摩爾庫侖模型，涵閘、鋪蓋、土工膜模擬采用線彈性模型，計算參數(shù)見表3。

計算考慮土工膜與閘室底板、鋪蓋、地基土體之間的摩擦接觸，以及胸墻及邊墩外側(cè)與大堤填土接觸。接觸面摩擦系數(shù)見表4。計算中所有接觸面法向采用硬接觸，所有接觸滑移均設為小滑移。土工膜與底板和地基土之間設置接觸單元，主要考慮模擬土體與膜料間的擠壓和滑移;胸墻、邊墩與大堤土之間接觸單元主要考慮大堤填土被動土壓力對閘室的頂推力，以及兩側(cè)填土對結(jié)構(gòu)的擠壓力。

計算工況：根據(jù)楊集引黃閘閘基沉降實測資料，取閘室下游10 m范圍內(nèi)測點進行工況設計。沉降點布置如圖5所示。左側(cè)Cl點累計沉降為32 mm，C2點為35 mm;右側(cè)Cl點累計沉降為66 mm，C2點為5 mm，不符合沉降規(guī)律，考慮可能是儀器問題，根據(jù)現(xiàn)有右側(cè)C1、C3點數(shù)據(jù)，取C2點沉降為Cl、C3點沉降的平均值，為70 mm。

3.3 計算結(jié)果

（1）應力分析。復合土工膜應力分布見圖6。從復合土工膜縱向和順水流方向應力分布可以看出，縱向最大拉應力為4.30 MPa，順水流方向最大拉應力為3.54 MPa，其發(fā)生位置均在復合土工膜豎向拐角處。原因是在自重、水壓力、淤沙壓力和大堤土壓力共同作用下，底板上游端縱向位移最大，由此導致復合土工膜與底板下端接觸部位產(chǎn)生應力集中，且在建模分析時，閘室底板下部具有較尖銳的直角轉(zhuǎn)折，進一步加劇了應力集中現(xiàn)象。除拐角位置處應力集中較大外，剩余復合土工膜應力為1.00 MPa左右?？梢姡l在正常運行情況下復合土工膜所受最大拉應力遠小于土工膜允許應力，可以正常工作。

（2）位移分析。復合土工膜位移分布見圖7?？梢钥闯觯瑥秃贤凉つたv向位移依附于混凝土底板的沉降，其縱向位移最大位置與實測沉降最大位置基本一致，為70.52 mm，與實測值相近。土工膜與閘室底板以及地基填土之間并未觀測到明顯的相對滑移。復合土工膜作為柔性材料，不能改善閘室沉降，僅能很好地適應地基的沉降，并且閘室質(zhì)量較大，導致土工膜豎向壓應力較大，因此不會產(chǎn)生相對滑移。復合土工膜順水流方向位移與土工膜豎向位移相比很小，最大僅為10.20 mm，說明在各種荷載綜合作用下，土工膜的拉伸主要在縱向，應采取工程措施避免拉伸變形過大，導致土工膜破壞。

（3）工程改進措施。通過上述有限元計算分析可知，復合土工膜拉應力最大位置在鋪蓋與閘基底板的連接處，在復合土工膜拐角位置出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。在底板與閘前鋪蓋交界處，閘室因自重大、沉降大，故對復合土工膜有一個剪切力，若復合土工膜緊貼混凝土底板向上鋪至漿砌石護底，在連接處土工膜有一個90°拐角，拉應力會集中在拐角位置。為減小連接處不均勻沉降對土工膜造成的影響，使用幾何變形來代替拉伸變形。在此建議對混凝土底板與黏土鋪蓋連接位置橫、縱向折疊鋪設土工膜，減小拉應力，鋪設方式見圖8。這樣當?shù)装逑虏繌秃贤凉つこ惺茌^大拉應力時，可將褶皺段土工膜拉直，減小復合土工膜的應變及應力集中。

4 結(jié)論

針對引黃閘閘室底板與鋪蓋間黏土防滲體易產(chǎn)生剪切破壞的問題，提出采用復合土工膜作為不均勻沉降部位的防滲結(jié)構(gòu)，并進行了有限元計算分析，得出以下結(jié)論：

（1）復合土工膜適宜應用于涵洞式水閘底板與鋪蓋間防滲，在應用時可采用兩布一膜方式。

（2）復合土工膜施工順序為下游復合土工膜膨脹螺栓錨固、吊裝，然后上游膜鋪設、焊接以及錨固槽連接，最后回填壤土及漿砌石護底。

（3）有限元計算結(jié)果表明，復合土工膜豎向拉應力最大為4.30 MPa.順水流方向最大為3.50 MPa，均在復合土工膜的允許抗拉強度范圍內(nèi)，而其應變主要發(fā)生在豎直方向上，復合土工膜最大拉伸率遠小于復合土工膜的允許拉伸率，復合土工膜可安全使用。

（4）針對土工膜應力集中部位，建議在橫、縱向折疊鋪設土工膜，充分利用其幾何變形代替拉伸變形以減小拉應力。

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