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        趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜耐久性研究

        2022-11-28 15:10:20婁本星崔宏艷劉慧瀅
        人民黃河 2022年11期
        關(guān)鍵詞:型函數(shù)引黃灌區(qū)土工膜

        婁本星,崔宏艷,劉慧瀅,余 娟

        (1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029;2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.河南省趙口引黃灌區(qū)二期工程建設(shè)管理局,河南 開封 475000)

        復(fù)合土工膜是水利工程中廣泛應(yīng)用的一種防滲材料,具有抗拉強(qiáng)度高、變形及延展性能好、滲透系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)[1]。但在實(shí)際使用過程中,其各項(xiàng)性能會隨時間的延長而逐漸下降,例如顏色變黃、光澤喪失、表面開裂等外觀變化,以及撓曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能大幅度下降,嚴(yán)重影響復(fù)合土工膜的使用年限,因此研究復(fù)合土工膜材料的耐久性問題極為重要。土工合成材料的老化本質(zhì)是高分子聚合物的老化反應(yīng)過程,在正常使用過程中,環(huán)境溫度[2]、氧氣[3]、光照[4]、濕度[5]等均會促進(jìn)這些高分子聚合物的降解和老化。而在水利工程中,復(fù)合土工膜主要埋置于地下,不會受到紫外線的照射,溫度和濕度則是土工膜老化的關(guān)鍵因素。已有研究表明:在避免光照的條件下,復(fù)合土工膜的防滲性能老化速度通常較慢[6-7],而力學(xué)性能的下降卻比較明顯。為此,Hsuan等[8]提出采用復(fù)合土工膜拉伸強(qiáng)度的降低幅度作為評價材料老化的判斷依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

        趙口引黃灌區(qū)位于河南省豫東平原,其復(fù)合土工膜的應(yīng)用面積為9萬m2,在渠道防滲中起到重要作用。為了準(zhǔn)確掌握趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜的工作性態(tài),本文以縱向拉伸強(qiáng)度為評價指標(biāo),引入“老化度”概念,建立復(fù)合土工膜在溫度與濕度共同作用下的拉伸強(qiáng)度老化模型,并結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性,對趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測。

        1 工程概況

        趙口引黃灌區(qū)是河南省第一大灌區(qū),灌溉面積為39.14萬hm2。其渠道內(nèi)坡多采用混凝土襯砌板進(jìn)行護(hù)砌,下鋪復(fù)合土工膜,規(guī)格為150(g/m2)/0.3(mm)/150(g/m2),長絲兩布一膜。為便于內(nèi)滲水排出,渠底不鋪設(shè)復(fù)合土工膜。渠道內(nèi)坡結(jié)構(gòu)及土工膜鋪設(shè)形式如圖1所示。

        圖1 渠道內(nèi)坡防護(hù)結(jié)構(gòu)

        2 復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度衰減模型構(gòu)建

        鑒于趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜主要布置在混凝土襯砌板下,本文只考慮溫度和濕度共同作用對復(fù)合土工膜老化的影響。文獻(xiàn)[9]研究表明,在干燥條件下,試驗(yàn)溫度越高,復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度的下降速度越快;在溫度一定時,試驗(yàn)濕度越大,復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度的下降速度越快。由此可知,提高環(huán)境溫度和濕度均會促進(jìn)復(fù)合土工膜的老化。

        2.1 “老化度”概念的引入

        復(fù)合土工膜老化的本質(zhì)是一種化學(xué)反應(yīng)。在混凝土固化過程中,通常采用“成熟度”表征溫度和濕度共同作用對化學(xué)反應(yīng)的影響程度[10]。為此,借鑒“成熟度”概念,本文引入復(fù)合土工膜“老化度”概念,定義為復(fù)合土工膜化學(xué)反應(yīng)速率與時間的乘積。如果相同規(guī)格的復(fù)合土工膜在不同環(huán)境下達(dá)到相同的老化度,就認(rèn)為其力學(xué)性能相同。文獻(xiàn)[11]得出高分子聚合物的化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的升高呈指數(shù)型增長趨勢。因此,僅考慮溫度影響時,將復(fù)合土工膜的老化度表示為指數(shù)形式:

        式中:D為復(fù)合土工膜的老化度;T0為基準(zhǔn)溫度;Ti為環(huán)境溫度;Δti為階段i的老化時間;n為階段數(shù)量;k1為溫度每升高ΔT后土工膜的老化速率提高倍數(shù),可以通過試驗(yàn)或者實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得出,文中ΔT取10℃。

        為了將實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的時間與自然條件下的時間進(jìn)行轉(zhuǎn)化,定義在參考(或環(huán)境)溫度Tr下達(dá)到相同老化度D所需要的時間為等效時間,表達(dá)式為

        土工膜的老化速率隨濕度的提高也近似呈指數(shù)型增長趨勢[9],因此在式(1)和式(2)的基礎(chǔ)上,綜合考慮溫度和濕度的共同影響,可以將老化度和等效時間表示為

        式中:k2為常數(shù),可以通過不同濕度下的試驗(yàn)或?qū)崪y數(shù)據(jù)擬合得出;H0為基準(zhǔn)濕度;Hi為環(huán)境濕度;Hr為參考濕度。

        文獻(xiàn)[4]研究表明,隨著使用時間的延長,復(fù)合土工膜的力學(xué)性能不斷下降,但下降速率逐漸變小。因此,本文選取雙曲線型函數(shù)和指數(shù)型函數(shù)分別建立復(fù)合土工膜材料性能衰減模型,并對比兩種函數(shù)的預(yù)測精度。

        雙曲線型函數(shù):

        指數(shù)型函數(shù):

        式中:t0為基準(zhǔn)時間,取t0=0;β為擬合參數(shù);P0為縱向拉伸強(qiáng)度初始值;P為時間te時的縱向拉伸強(qiáng)度。

        2.2 參數(shù)擬合方法

        合理選擇k1、k2和β是預(yù)測復(fù)合土工膜使用年限的前提。為此,本文提出一種根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合k1、k2和β的方法。首先根據(jù)干燥條件下復(fù)合土工膜材料參數(shù)與等效時間的關(guān)系,得出k1與β的值;再計算不同濕度條件下復(fù)合土工膜材料參數(shù)與等效時間的關(guān)系,得出k2的值。具體步驟如下。

        (1)選取干燥條件下3~4種溫度的復(fù)合土工膜實(shí)測數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        (2)選取合適步長,逐步調(diào)整k1的取值,如Δk1=0.001~0.010,然后根據(jù)式(2)計算參考溫度下的等效時間。

        (3)將等效時間te代入式(5)或式(6)中,采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出β的值,并得出實(shí)測值與計算值的回歸系數(shù)。

        (4)重復(fù)步驟(2)和步驟(3),直到k1與β的取值使回歸系數(shù)最大。

        (5)將得到的k1與β代入式(4)、式(5)和式(6),逐步調(diào)整k2的取值,計算考慮溫度和濕度條件下的等效時間te,并代入式(5)或式(6)中,進(jìn)而得出實(shí)測值與計算值的相關(guān)系數(shù),最后找出使回歸系數(shù)最大的k2值。

        (6)利用確定的k1、k2和β的值,預(yù)測實(shí)際工程中復(fù)合土工膜的縱向拉伸強(qiáng)度,驗(yàn)證模型的有效性。

        3 模型驗(yàn)證與應(yīng)用

        3.1 模型驗(yàn)證

        文獻(xiàn)[9]研究的復(fù)合土工膜與趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜的規(guī)格相同,為此采用文獻(xiàn)[9]的縱向拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合,分別得到雙曲線型函數(shù)和指數(shù)型函數(shù)的擬合參數(shù)(見表1)??梢钥闯?,兩種函數(shù)得到的擬合參數(shù)相差不大(k1≈2,表示溫度每升高10℃,復(fù)合土工膜老化速率約為原來的2倍;k2=1.1,表示濕度每提高10%RH(RH為相對濕度),老化速率為原來的1.1倍)。文獻(xiàn)[11]表明高分子材料溫度每升高10℃,老化速率將增大為原來的2倍左右,與本文結(jié)論相同,說明本文模型參數(shù)是準(zhǔn)確可靠的。

        表1 擬合參數(shù)

        將k1、k2和β代入式(4)、式(5)和式(6),即可計算出縱向拉伸強(qiáng)度。采用雙曲線型函數(shù)和指數(shù)型函數(shù)的計算值與實(shí)測值對比見圖2,可以看出:兩種函數(shù)得出的計算值均在45°線附近,所有計算值與實(shí)測值的誤差均在±5%誤差范圍以內(nèi)。說明復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度計算值與實(shí)測值相差很小,可以采用本文建立的模型來預(yù)測復(fù)合土工膜的縱向拉伸強(qiáng)度。

        圖2 復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度計算值與實(shí)測值比較

        分別選取河南省境內(nèi)的南水北調(diào)工程復(fù)合土工膜現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]和西霞院反調(diào)節(jié)水庫土工膜5、10 a試驗(yàn)區(qū)的測試數(shù)據(jù)[12],驗(yàn)證所建立模型的合理性。土工膜工作環(huán)境選取多年平均氣溫14.1℃、多年平均濕度60%RH,將其代入式(4)、式(5)和式(6)中,復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度預(yù)測值與實(shí)測值對比見表2??梢钥闯觯瑑煞N函數(shù)的預(yù)測誤差都在1.4%~8.9%范圍內(nèi),且雙曲線型函數(shù)預(yù)測誤差均小于指數(shù)型函數(shù)。說明本文所建立的模型能夠較好預(yù)測復(fù)合土工膜材料參數(shù)的老化規(guī)律??紤]模型的精度,建議采用雙曲線型函數(shù)(式(5))預(yù)測復(fù)合土工膜使用壽命。

        表2 復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果

        3.2 模型應(yīng)用

        采用式(5)預(yù)測趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜使用壽命,選取河南省多年平均氣溫14.1℃、多年平均濕度60%RH。復(fù)合土工膜失效的判斷依據(jù):若縱向拉伸強(qiáng)度下降至初始值的50%,則認(rèn)為復(fù)合土工膜已經(jīng)失效[8]。根據(jù)本文所建立的復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度衰減模型,預(yù)測趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖3所示??梢缘贸?,趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜在自然條件下的使用壽命約為57 a。

        圖3 自然條件下土工膜使用壽命預(yù)測

        4 結(jié) 論

        本文引入“老化度”概念,建立了考慮溫度和濕度共同作用的復(fù)合土工膜縱向拉伸強(qiáng)度衰減模型,得出如下結(jié)論。

        (1)采用老化度方法預(yù)測復(fù)合土工膜的縱向拉伸強(qiáng)度衰減是可行的,即相同規(guī)格的復(fù)合土工膜在不同環(huán)境下達(dá)到相同的老化度,則認(rèn)為其力學(xué)性能相同。

        (2)所構(gòu)建的復(fù)合土工膜老化模型具有較高的預(yù)測精度,預(yù)測誤差在1.4%~8.9%范圍內(nèi)。

        (3)應(yīng)用所建立的模型對趙口引黃灌區(qū)復(fù)合土工膜進(jìn)行預(yù)測,得出其使用壽命大約為57 a。

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