陳昌盛

(四川省水利水電勘測設計研究院有限公司，成都，610072)

0 引言

土工膜是壩坡施工過程中較為常用的高分子聚合薄膜材料，具有防滲性能好、保持壩坡坡體連續(xù)性、造價低、施工速度快等特征，且土工膜防滲技術目前也較為成熟，是一種較好的土工材料。

對于土工膜在壩體中的應用研究目前已經取得了較為豐碩的研究成果：束一鳴[1]采用三維滲流場有限元模擬的研究方法，分析了土工膜的滲透量和缺陷滲漏量及膜后浸潤面的變化規(guī)律；孫冬梅等[2]分析了不同階段的土工膜缺陷探測的措施，并結合實際工程對不同缺陷檢測措施的適用性進行了研究；顧淦臣[3]分析了土工膜缺陷與缺陷滲漏、土工膜強度分析、壩面土工膜穩(wěn)定性、土工膜滲透機理、土工膜周邊連接等問題；盧東曉[4]對中小型水庫設計中，土工膜防滲技術在應用過程中的關鍵點進行了分析；牛飛[5]為了解決水源來水量減少的問題，對某飲水工程進行了鋪設土工膜鞏固提升改造；侍克斌等[6]分析了傳統(tǒng)方法在土工膜防滲結構計算中的不足，通過推導壩體土工膜防滲結構抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的表達式，驗證了折線法的合理性；王艷玲[7]根據(jù)土工膜的工作機理、材料特性、邊界條件和破壞模式，對壩體土工膜防滲結構的穩(wěn)定性進行了計算；劉鳳茹等[8]將壩體的實測測壓管數(shù)據(jù)與有限單元法相結合分析了大壩典型斷面開展穩(wěn)定和瞬態(tài)典型工況下的大壩滲流場。

在上述研究基礎上，本研究擬以某水庫攔河大壩工程為研究對象，分析不同土工膜布設位置、不同缺陷尺寸、不同缺陷高度下壩坡坡體的滲流特征與抗滑穩(wěn)定性系數(shù)的關系。

1 工程概況

本研究以某水庫攔河大壩工程為研究對象，該工程庫區(qū)屬侵蝕剝蝕構造中山區(qū)，山頂高程1353m～1421.9m，河谷高程989.6m～1040.6m，相對高差300m～400m。水庫河谷呈NE走向，河床平均比降9‰，水流較緩。由于水庫河谷由砂、泥巖組成，巖性軟硬相間，因此，河谷寬窄相間，狹谷地段為“V”形谷，開闊地段為“U”形谷。工程區(qū)出露的地層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組與侏羅系下統(tǒng)香溪組紫紅色泥巖、砂質泥巖夾長石石英砂巖互層，三疊系上統(tǒng)須家河組巖屑石英砂巖夾頁巖、炭質頁巖。第四系河流沖積與坡殘積層主要分布于河床和緩坡地帶。水庫區(qū)無區(qū)域性斷裂通過，河壩向斜呈小角度斜穿水庫區(qū)，向斜兩翼不對稱，北翼相對較緩，傾角35°～37°，南翼相對較陡，傾角50°～70°，庫區(qū)為斜向谷。庫區(qū)巖體中除層面裂隙外，還發(fā)育兩組構造裂隙。區(qū)內地下水主要為第四系松散層中的孔隙水和基巖裂隙水。

土工膜布置形式主要有坡面布置以及壩體中心防滲心墻布置方法，根據(jù)本工程實際特點，對于采用“之”型布設方法，土工膜布置與壩體施工同時進行，“之”型土工膜布置形式與壩體變形更加切合，不會導致過大變形與應變，進而防止土工膜破損，本研究對比分析兩種土工膜布置形式的滲流特性與抗滑穩(wěn)定性變化特征。

2 土工膜缺陷影響大壩滲流特性分析

2.1 壩體特征

研究對象為一高30m的砂礫石壩，壩體結構如圖1所示，壩體前后坡度均為1∶1.7，水庫正常蓄水水位高度為28m，設計A、B兩種方案，分別為在壩體坡面及壩心位置處鋪設土工膜，具體鋪設如圖1(a)、(b)所示，方案A土工膜膜后墊層厚度為50cm，方案B在“之”型土工膜中間鋪設墊層，墊層水平厚度為80cm，厚度1.0mm的土工膜相當于10.0cm厚的多孔介質防滲層。根據(jù)實際工程調查，土工膜最常出現(xiàn)的破損形式為5.0cm、10.0cm、20.0cm，破損缺陷的高度間距設計為0.80m，即在0.40m、1.20m、…、27.40m位置處設置破損缺陷。

圖1 壩體結構

該壩體的材料力學參數(shù)如表1所示，壩體、墊層的土水特征曲線與滲透系數(shù)變化曲線如圖2所示。

表1 壩體的材料力學參數(shù)

圖2 壩體的材料特性曲線

2.2 滲流特性分析

在方案A的情況下，緊貼膜后與X=66m位置處的浸潤線與土工膜缺陷高度變化曲線如圖3所示，分析圖3中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在方案A的情況下，隨著土工膜缺陷高度不斷增大，浸潤線的高度呈現(xiàn)先變大后變小的變化趨勢，且在土工膜缺陷高度為8.40m高度左右時，浸潤線的高度出現(xiàn)小范圍的激增。

(a)緊貼膜后

在方案A土工膜布置條件下，當浸潤線的高度分別為7.60m、8.40m及9.20m，土工膜缺陷尺寸為5cm時，土工膜后壩體的浸潤線分布如圖4所示，且當土工膜缺陷尺寸為10cm、20cm時壩體的浸潤線分布規(guī)律與之類似，本研究不再贅述。分析圖4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當缺陷高度為9.20m時，在缺陷位置附近，墊層位置處出現(xiàn)局部獨立飽和范圍，但該區(qū)域未影響壩體內部浸潤線的分布，浸潤線仍在壩體內部呈現(xiàn)下降的變化趨勢；但當缺陷高度為8.40m時，在缺陷位置附近，墊層位置處也出現(xiàn)了局部獨立飽和范圍，但該區(qū)域影響壩體內部浸潤線的分布，浸潤線在飽和區(qū)附近有局部的抬高，使得墊層與壩體內部墊層附近局部區(qū)域出現(xiàn)貫通。

圖4 方案A土工膜后壩體的浸潤線分布

在方案B的情況下，緊貼膜后與X=66m位置處的浸潤線與土工膜缺陷高度變化曲線如圖5所示，分析圖5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在方案B的情況下，隨著土工膜缺陷高度不斷增大，浸潤線的高度也呈現(xiàn)先變大后變小的變化趨勢，且在土工膜缺陷高度為4.40m高度左右時，浸潤線的高度出現(xiàn)小范圍的激增。

(a)緊貼膜后

在方案B土工膜布置條件下，當浸潤線的高度分別為5.20m、4.40m及3.60m時，土工膜后壩體的浸潤線分布圖如圖6所示。分析圖6中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三種高度情況下，土工膜后壩體未出現(xiàn)明顯的局部抬高現(xiàn)象。

圖6 方案A土工膜后壩體的浸潤線分布

圖7為兩種方案下的不同缺陷尺寸時，壩體水流滲流量隨土工膜缺陷高度的變化曲線，對于壩體坡面鋪設土工膜的方案A及壩心位置處設土工膜的方案B，三種不同尺寸的缺陷對滲流量的影響不大，且影響差值隨著土工膜缺陷高度的增加逐漸減小。對于方案A，滲流量隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；而對于方案B，滲流量隨著高度的增加而逐漸減小，其中在土工膜缺陷高度12.0m～15.0m范圍內時，減小幅度最大。

(a)方案A

圖8為兩種方案下的不同防滲形式、缺陷尺寸(5cm、10cm)時，壩體水流滲流量隨土工膜缺陷高度的變化曲線，分析圖8中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩種缺陷尺寸下的壩體水流滲流變化趨勢基本相同，但缺陷尺寸越大，壩體水流滲流量越大。

(a)5cm缺陷

2.3 壩體穩(wěn)定性分析

土工膜存在缺陷，導致壩體內部滲流特性發(fā)生改變，進而會引起壩體穩(wěn)定性的變化，圖9為在方案A土工膜布置條件下，土工膜不同缺陷尺寸時，上游坡體的穩(wěn)定性系數(shù)與土工膜缺陷高度的關系曲線。分析圖9中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，土工膜的缺陷尺寸不同對坡體穩(wěn)定性的影響較小，且方案A下的上游坡體的穩(wěn)定性系數(shù)隨著土工膜缺陷高度的增加逐漸增大，對于方案B的穩(wěn)定性系數(shù)值，由于上游的滲流未發(fā)生變化，因而穩(wěn)定性系數(shù)與不布設土工膜時相同。

圖9 上游坡體的穩(wěn)定性系數(shù)-土工膜缺陷高度曲線

兩種方案下的缺陷尺寸為5cm時，上游與下游的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)與缺陷高度的變化曲線如圖10所示。分析圖10中的數(shù)據(jù)，對于上游抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)，方案A明顯大于方案B，這主要是由于方案A在壩體坡面鋪設土工膜的作用下，庫水的作用力僅存在壩坡的表面，使得壩體的抗滑性能有效提高，因而抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)處于較高水平；而方案B，由于壩心位置處布設土工膜對于上游壩坡位置的抗滑性能提高無明顯效果，因而抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)較小。對于下游壩坡抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)，兩種土工膜布設條件下的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)值及變化趨勢基本相同，且上下游抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)值隨著缺陷高度的增加逐漸增大。

(a)上游坡壩

3 結論

本研究以某水庫攔河大壩工程為研究對象，分析了不同土工膜布設位置、不同缺陷尺寸、不同缺陷高度下的壩坡坡體的滲流特征與抗滑穩(wěn)定性系數(shù)的關系，主要得到以下結論：

(1)浸潤線的高度隨著土工膜缺陷高度的增大呈現(xiàn)先變大后變小的變化趨勢，方案A時浸潤線在飽和區(qū)附近有局部的抬高，壩體內部墊層附近局部區(qū)域出現(xiàn)貫通；但方案B不存在。

(2)缺陷尺寸對滲流量的影響不大，方案A滲流量隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，方案B滲流量隨著高度的增加而逐漸減小，方案A滲流量大于方案B。

(3)土工膜的缺陷尺寸不同對坡體滑坡穩(wěn)定性的影響較小，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)隨著土工膜缺陷高度的增加逐漸增大。對于上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，方案A明顯大于方案B；下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)兩方案基本相同。