岑威鈞，陳司寧，李鄧軍，龔道勇

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

土工膜是一類高分子聚合物制成的柔性薄膜材料，具有防水性能好、備貨容易、施工速度快和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于土石壩、堤防、圍堰、庫(kù)盆、蓄水池、渠道等各類水利工程的防滲[1-3]。目前，我國(guó)有不少于50座新老土石壩工程采用土工膜防滲或進(jìn)行滲漏修復(fù)[4-6]。土工膜的滲透性極低[7]，但是厚度薄(常用厚度為0.8～1.2 mm)，抵抗破壞能力弱。另外，在土工膜鋪設(shè)及保護(hù)層(尤其是采用顆粒料墊層或上保護(hù)層)施工時(shí)，一些粗放式施工模式極易造成較大數(shù)量大小各異的破損。圖1為已建兩座土工膜防滲土石壩復(fù)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的壩面土工膜破損情況。岑威鈞等[8-9]從產(chǎn)品質(zhì)量、受力、施工、設(shè)計(jì)、運(yùn)行等方面闡述了土石壩中防滲土工膜各類缺陷形式及其產(chǎn)生原因，并開展了缺陷滲漏模擬及其影響效應(yīng)分析研究[10-12]。在國(guó)外，有學(xué)者對(duì)某工程28處20萬(wàn)m2土工膜進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果平均每1萬(wàn)m2中有26個(gè)漏水點(diǎn)，其中15%為孔眼缺陷[13]。Nosko等[14]通過(guò)對(duì)300多處大約325萬(wàn)m2土工膜防滲工程質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果表明大小為0.5～10 cm2的缺陷占總?cè)毕莸?5.8%，其中由下墊層石塊引起的頂破/刺破占缺陷總數(shù)的71.17%。由此可見(jiàn)，實(shí)際工程應(yīng)用土工膜防滲時(shí)，土工膜不可避免地會(huì)遭到不同程度的破壞(頂破、刺破、穿破、拉裂等)，形成宏觀缺陷。因此，在設(shè)計(jì)土工膜防滲土石壩時(shí)應(yīng)充分考慮合理有限的土工膜缺陷，開展考慮缺陷滲漏條件下的大壩滲流特性及其潛在不利影響因素的計(jì)算分析[15]，進(jìn)而定量評(píng)估大壩的滲控安全性，為工程設(shè)計(jì)、施工和安全運(yùn)行提供必要的缺陷限制措施建議。

圖1 壩面土工膜缺陷Fig.1 Defects of geomembrane on dam surface

1 工程概況

某中型水庫(kù)工程，正常蓄水位為260.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為260.26 m，校核洪水位為261.33 m，水庫(kù)總庫(kù)容1 137.24萬(wàn) m3。攔河大壩采用復(fù)合土工膜防滲石渣壩，壩頂高程262.50 m，壩頂不設(shè)防浪墻，壩頂長(zhǎng)度為131.00 m、寬度為6.0 m，最大壩高為26.8 m。壩體采用碾壓石渣料填筑，大壩上游壩坡坡比為1∶3.5，表面鋪設(shè)土工膜防滲，高程250.00 m以下與圍堰結(jié)合布置。下游壩坡于高程247.00 m處設(shè)寬2.0 m馬道一處，高程247.00 m以上壩坡坡比為1∶3.0，采用C25鋼筋混凝土格構(gòu)+草皮護(hù)坡；高程247.00 m以下為排水棱體，排水棱體上游坡比為1∶1.5，下游坡比為1∶2，下游側(cè)表面采用50 cm厚干砌塊石護(hù)坡。該工程壩基覆蓋層較厚，最厚處為11 m，主要為褐黃-褐灰色粉質(zhì)黏土，可塑狀，為中壓縮性土，滲透系數(shù)9.3×10-6～3.6×10-5cm/s。兩岸均為侏羅系上統(tǒng)遂寧組J3s泥巖，岸坡覆蓋層較薄，兩岸巖體強(qiáng)風(fēng)化厚度一般為0～0.60 m，巖體弱風(fēng)化帶厚度一般為10.30～16.90 m，風(fēng)化層范圍較大。為了有效控制壩基滲流，對(duì)壩基覆蓋層設(shè)置防滲墻，墻頂通過(guò)趾板與壩面復(fù)合土工膜連接，墻底與帷幕灌漿相連。河床段防滲墻最大深度為15.3 m，帷幕最大深度為11.3 m；兩岸壩肩風(fēng)化程度高，采用帷幕灌漿，其中左側(cè)長(zhǎng)約179 m，右側(cè)長(zhǎng)約188 m，最大深度為24.4 m；土工膜、趾板、防滲墻和帷幕構(gòu)成了整個(gè)壩體和壩基的防滲體系。

2 有限元計(jì)算模型及計(jì)算條件

2.1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)壩址處地形地質(zhì)條件、壩體結(jié)構(gòu)及防滲設(shè)計(jì)方案，合理選取滲流計(jì)算域，并進(jìn)行三維建模。剖分后的有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2，其中結(jié)點(diǎn)數(shù)62 695個(gè)，單元數(shù)60 042個(gè)。有限元建模時(shí)重點(diǎn)對(duì)大壩及壩基的滲控措施(土工膜+趾板+防滲墻+帷幕)進(jìn)行精細(xì)模擬，其中土工膜等效為一定厚度的多孔介質(zhì)材料，并對(duì)其滲透系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[16-17]。相關(guān)網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖2 大壩三維滲流場(chǎng)有限元計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Three-dimensional finite element mesh of dam’s seepage field

圖3 大壩及壩基防滲體系有限元網(wǎng)格Fig.3 Finite element mesh of seepage control system for dam and foundation

2.2 滲透系數(shù)取值

計(jì)算域內(nèi)壩體及壩基各材料分區(qū)的滲透系數(shù)取值如下：混凝土趾板1.00×10-7cm/s，砂礫料墊層1.00×10-3cm/s，復(fù)合土工膜1.00×10-10cm/s，上游圍堰(泥巖石渣料)2.00×10-4cm/s，壩體石渣料(泥巖石渣料)5.00×10-4cm/s，反濾層(灰?guī)r料)0.01 cm/s，排水棱體(灰?guī)r料)0.10 cm/s，防滲墻(混凝土)1.00×10-7cm/s，基巖帷幕灌漿1.00×10-5cm/s，強(qiáng)風(fēng)化基巖(泥巖)1.00×10-3cm/s，弱風(fēng)化基巖(泥巖)1.00×10-4cm/s，5Lu線以下巖基(泥巖)1.00×10-5cm/s，壩基覆蓋層(粉質(zhì)黏土)1.00×10-5cm/s。

2.3 滲流計(jì)算工況

按照土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范，滲流計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮不同的水位組合，一般包括正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位及上游最不利水位等組合。限于篇幅，僅列舉正常蓄水位下的各種計(jì)算工況。

關(guān)于壩面土工膜缺陷特性，目前尚無(wú)理論推測(cè)分析方法或可靠的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可供參考，但是可以借鑒垃圾填埋場(chǎng)中土工膜缺陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12，18]中河北、重慶和江蘇等一些垃圾填埋場(chǎng)土工膜缺陷探測(cè)的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，可得缺陷尺寸小于20 mm、20～50 mm、50～100 mm、100～200 mm、200～500 mm及大于500 mm的缺陷個(gè)數(shù)平均占比分別為31.3%、13.2%、7.2%、22.4%、9.6%和16.4%。按該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基本可進(jìn)行缺陷大小及各自數(shù)量的確定，前期計(jì)算分析表明模擬方法較為合理可行[12]。計(jì)算中，土工膜缺陷考慮孔狀和縫狀兩種類型?？谞钊毕萦糜谀M土工膜因土石顆粒或外力等引起的集中頂破和刺破，尺寸大小不一，但相對(duì)較小；縫裝缺陷用于模擬土工膜連接處焊接質(zhì)量問(wèn)題及與周邊剛性建筑物連接時(shí)因不均勻沉降導(dǎo)致的縫狀拉裂區(qū)，尺寸相對(duì)較大。國(guó)際統(tǒng)計(jì)資料[13]表明，對(duì)于施工質(zhì)量好的土工膜防滲工程，一般每1萬(wàn)m2土工膜中有26個(gè)滲漏點(diǎn)。本工程壩面土工膜鋪設(shè)面積約為6 000 m2，據(jù)此可推算正常施工條件下壩面土工膜可能的缺陷數(shù)約為16處。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以確定不同的缺陷特性，進(jìn)而合理構(gòu)造不同的缺陷計(jì)算工況，見(jiàn)表2(表中WH代表土工膜完好，QX代表土工膜有缺陷)。

表1 計(jì)算工況及壩面土工膜缺陷屬性

3 大壩三維滲流場(chǎng)特性分析

3.1 等水頭線分布

根據(jù)有限元計(jì)算得到的大壩三維滲流場(chǎng)節(jié)點(diǎn)水頭，繪制不同剖面的等水頭線分布圖。限于篇幅，僅給出兩個(gè)典型工況的成果圖，圖4和圖5分別為正常蓄水位下壩面土工膜完好(工況WH)及考慮一定缺陷(工況QX1)時(shí)的典型剖面等水頭線圖。由圖4和圖5可知，無(wú)論土工膜完好還是存在一定缺陷，總體具有如下特點(diǎn)：(a)整個(gè)大壩(含壩基)滲流場(chǎng)等水頭線和滲流自由面(浸潤(rùn)線)分布合理，等水頭線形態(tài)、走向和密集程度反映了相應(yīng)區(qū)域材料滲透特性和(或)邊界條件。(b)在土工膜、趾板、防滲墻和帷幕的聯(lián)合防滲作用下，壩體內(nèi)滲流自由面低，基本處于疏干區(qū)，滲透水流主要集中于壩基。土工膜、趾板、防滲墻和帷幕處等水頭線密集，表明防滲作用顯著，其他區(qū)域等水頭線變化相對(duì)平緩，可見(jiàn)防滲體系對(duì)整個(gè)大壩滲流場(chǎng)的控制較為有效。(c)考慮壩面土工膜缺陷后，與土工膜完好時(shí)相比，整個(gè)大壩滲流等水頭線分布規(guī)律總體相似。但是，由于庫(kù)水通過(guò)土工膜缺陷直接流入壩體，防滲體系后的浸潤(rùn)線有所升高，在上游側(cè)最大升高約2.40 m，并沿滲透水流方向二者浸潤(rùn)線高差逐漸減小。由此可見(jiàn)，當(dāng)壩面土工膜缺陷控制在目前施工質(zhì)量能達(dá)到的合理數(shù)量時(shí)，缺陷滲漏對(duì)大壩滲流場(chǎng)水頭分布的影響總體有限，僅對(duì)上游側(cè)浸潤(rùn)線產(chǎn)生一定影響。

圖4 工況WH大壩等水頭線分布(單位：m)Fig.4 Isolines of water head for dam case WH(unit:m)

圖5 工況QX1大壩等水頭線分布(單位：m)Fig.5 Isolines of water head for dam case QX1(unit:m)

3.2 壩體和壩基滲流量

表2為各工況下大壩分區(qū)滲流量及總滲流量，以壩體左右岸邊界為界，將壩基及壩肩分為左岸、河床和右岸3區(qū)。由表2可知，壩面土工膜完好時(shí)，在土工膜、趾板、防滲墻及帷幕組成的防滲體系作用下，整個(gè)大壩滲流場(chǎng)的滲透水流得到有效控制，總滲流量不大。其中，流經(jīng)壩體部分的滲流量很小，滲流量基本集中于壩基(河床及兩岸繞滲)。流經(jīng)壩體、河床、左岸、右岸的滲流量分別約占總滲流量(314.53 m3/d)的0.53%、10.35%、39.90%和49.22%。可見(jiàn)，土工膜完好時(shí)對(duì)壩體部分的滲控效果是非常理想的。然而事實(shí)上，由于多種原因土工膜缺陷在所難免。一旦出現(xiàn)缺陷，流經(jīng)壩體部分的滲流量大幅上升，使大壩總滲流量明顯增大，但壩基及兩岸的滲流量變化不明顯。各缺陷工況(QX1～QX4)下，大壩總滲流量與無(wú)缺陷情況(314.53 m3/d)相比，增幅分別為30.53%、79.62%、47.38%和72.87%。其中，因土工膜缺陷導(dǎo)致壩體滲流量從1.68 m3/d依次升至100.40 m3/d、268.30 m3/d、157.40 m3/d和247.60 m3/d，占總滲流量的比例從0.53%分別增至24.54%、47.49%、33.96%和45.54%。顯然，不同的土工膜缺陷狀態(tài)均顯著增大了壩體滲流量。因此，從控制流量角度來(lái)說(shuō)，確保壩面土工膜完好無(wú)損是非常有效且必要的。

3.3 滲透坡降

表3為各工況下大壩各分區(qū)最大滲透坡降計(jì)算值。由表3可知：(a)各工況下對(duì)壩體和壩基起防滲作用的復(fù)合土工膜、防滲墻和帷幕的滲透坡降較大，但均小于允許滲透坡降，滲控體系能夠安全運(yùn)行。(b)壩基覆蓋層滲透坡降最大值為0.41，小于允許坡降0.45～0.56，因此不會(huì)發(fā)生滲透破壞。值得注意的是，如果壩基防滲墻出現(xiàn)劈叉等缺陷時(shí)，覆蓋層滲透坡降一般會(huì)顯著增大，因此施工時(shí)應(yīng)確保壩基防滲體的質(zhì)量。(c)壩面土工膜出現(xiàn)缺陷破損后，缺陷附近局部區(qū)域墊層承擔(dān)主要的防滲作用，使其局部滲透坡降增加明顯，同時(shí)還影響下部的壩體石渣料，其余部位滲透坡降整體變化不大。墊層滲透坡降從土工膜完好時(shí)的0.27分別增至1.78、1.47、0.51和1.48(對(duì)應(yīng)工況QX1～QX4)，均位于缺陷附近?？傮w而言，防滲體系完好時(shí)，壩體和壩基均不會(huì)出現(xiàn)滲透問(wèn)題。一旦土工膜出現(xiàn)缺陷，其后墊層的局部滲透坡降會(huì)顯著增大，需做好相應(yīng)的反濾保護(hù)設(shè)計(jì)，以策安全。

4 結(jié) 論

a.在土工膜、趾板、防滲墻和帷幕的聯(lián)合防滲作用下，整個(gè)大壩(含壩基)滲流場(chǎng)等水頭線分布合理，壩內(nèi)浸潤(rùn)線低。壩面土工膜有限數(shù)量的缺陷對(duì)整個(gè)滲流水頭分布影響不大，主要對(duì)缺陷附近膜后局部范圍內(nèi)的浸潤(rùn)線有一定的作用。

b.從控制流量角度來(lái)說(shuō)，確保壩面土工膜完整性是非常必要且有效的。對(duì)本文實(shí)例而言，壩面土工膜完好時(shí)，流經(jīng)壩體、河床、左岸、右岸的滲流量分別約占總滲流量(314.53 m3/d)的0.53%、10.35%、39.90%和49.22%，可見(jiàn)土工膜對(duì)壩體的滲控效果非常理想。一旦土工膜出現(xiàn)缺陷，壩體部分的滲流量大幅上升，增幅為24.54%～45.54%，使大壩總滲流量明顯增大，但壩基及兩岸的滲流量變化不明顯。

c.大壩防滲體系完好時(shí)，壩體大部分處于滲流疏干區(qū)，壩體和壩基滲透坡降均較小，不存在滲透破壞問(wèn)題。若壩面土工膜出現(xiàn)缺陷，缺陷附近墊層及以下部分壩體局部滲透坡降會(huì)顯著增大，需做好相應(yīng)的反濾保護(hù)設(shè)計(jì)。建議考慮采用面板堆石壩中的墊層和過(guò)渡層設(shè)計(jì)方法，以確保滲透安全性。總體而言，在合理控制大壩施工質(zhì)量、確保土工膜缺陷合理可控的前提下，整個(gè)大壩滲流特性能滿足安全運(yùn)行的要求。