复合土工膜在水库大坝防渗工程中的应用

复合土工膜在水库大坝防渗工程中的应用

0土工膜的应用20世纪以来，随着高手工工业化的发展，各种类型的土木工程合成材料相继出现。用粘土膜和土工织物粘在一起的复合土工膜就是许多材料中的一种。由于这类材料性能稳定可靠、轻便、造价低、施工方便,近二十年来在国内岩土工程中得到了广泛的应用,也是当前渠道防渗和水库大坝反滤排水防渗工程中应用较多的新材料。复合土工膜主要靠中层的土工膜起防渗作用,土工膜是由高分子聚合物如聚乙烯、聚氯乙烯、乙酸醋乙烯酸、沥青等原料制成。主要特点是低透水性,据笔者几年来大量的试验结果看,其渗透系数k=10-11~10-12cm/s。以透水量计,则相当于1mm厚薄膜、渗漏面积0.1m2,在50m水头作用下,透水量为1~4cm3/d。折合为渗透系数k=10-6cm/s的粘性土,如以等量的透水量,粘性土的厚度需100~1000m,故初期认为土工膜属不透水材料,是相对传统粘性土的渗透系数k<10-8cm/s而言,因此土工膜属不透水材料是一个相对概念。1部分坝体变形复合土工膜质地柔软,作为坝体的防渗体主要依赖两侧坝体对它的支撑,在水压力作用下,几乎将全部承受的力传递给支撑它的那部分坝体。因此当坝体发生变形时,土工膜亦随坝体变形发生位移,从而达到新的稳定状态。因使用部位不同,可分为心墙式复合土工膜防渗和斜墙式复合土工膜防渗。1.1坝体有较小水平位移时其结构布置见图1。心墙式土工膜两侧坝体材料性质通常基本一致,当坝体发生竖向沉陷时,坝体上下游将同时发生变形,且大致相同,复合土工膜本身呈折线形埋设,随坝体再进一步卷曲,材料本身发生相对位移的可能性很小,不会发生拉伸变形。在坝体有较小水平位移时,由于复合土工膜防渗体为整体结构,在随坝体位移时作一定移动,在水平位移较小时,因复合土工膜呈折线形埋设,至多会将褶皱拉平,膜料本身不会发生拉伸变形;当坝体有较大水平位移时,膜料本身具有一定强度,对坝体的位移产生一定的抑制作用,其作用大小与抗拉强度有关,强度愈高抑制作用愈明显。砂卵石坝、砂坝、堆石坝都可采用复合土工膜心墙防渗,结构简单。复合土工膜深埋在坝内,使用寿命长。但是,不易检修。1.2复合土工膜的结构布置斜墙式防渗主要特点在于复合土工膜两侧材料性质和支撑条件的不同。无论坝体产生纵向位移或水平位移,复合土工膜均随坝体产生位移而产生位移变形,复合土工膜的这些变形将由抗拉强度来抵抗,同时,复合土工膜的抗拉强度也抑制坝体的变形。复合土工膜铺设在斜墙上,则要考虑复合土工膜与斜墙的抗滑稳定。同时,复合土工膜是一种高分子材料,受到日光中紫外线侵蚀后老化迅速,为防止紫外线等外部环境的侵蚀,需在复合土工膜的表面铺设预制混凝土板护坡,也可采用现浇混凝土板护坡或喷射混凝土保护层。因此,必须考虑复合土工膜与混凝土护坡之间的抗滑稳定。有两种不同情况,采用两种不同的结构布置。一是坝坡较平缓,复合土工膜靠摩擦力就能稳定,结构布置相当简单。只要整平坝坡面,铺复合土工膜,其表面用块石护坡或预制混凝土护坡,其结构布置见图2。这类坝多是砂卵石或砂质坝体。只要用推土机把坡面推平,然后用斜坡振动碾或平碾压实坡面就成为整平层。上面就可以铺复合土工膜。其趾部开挖地基砂卵石至基岩,浇注混凝土趾板。把复合土工膜端部的土工织物剥掉,光膜浇在混凝土趾板内。顶部也将光膜浇在混凝土防浪墙的底板内。另一种是坝坡较陡,复合土工膜在斜坡上靠摩擦力不能维持稳定,要增加粘结力才能稳定。这就需要用胶粘剂把复合土工膜胶粘在坝坡的固坡层上(见图3),在这之上要铺设混凝土预制板或现浇混凝土作保护层,因此,力学计算时,不但要考虑复合土工膜与坝体之间的抗滑稳定,亦需考虑保护层与复合土工膜之间的抗滑稳定。2单元应力-上拉算法首先,通过三维有限元分析不同水位作用下坝体的变形、应力以及斜墙的变形和应力分布,根据斜墙的应力应变求解复合土工膜的拉力,以选择适当厚度、质量的复合土工膜。一般情况下,坝体和斜墙均为非线形材料,其变形不仅随荷载大小变化,且还与加载的应力路径有关,应力应变关系呈明显的非线形。反映这种应力应变特性的模型,以弹性非线形模型特别是邓肯—张(Duncan—Chang)双曲线模型在工程界使用较多。因其使用简便,且较符合面板的工作状态,下面列出主要公式。切线弹性模量:Et=k⋅pa(σ3pa)n[1-Rf⋅σ1-σ3(σ1-σ3)f]2(1)Et=k⋅pa(σ3pa)n[1−Rf⋅σ1−σ3(σ1−σ3)f]2(1)根据摩尔库仑准则得:(σ1-σ3)f=2ccosφ+2σ3sinφ1-sinφ(2)(σ1−σ3)f=2ccosφ+2σ3sinφ1−sinφ(2)切线体变模量:Bt=Κb⋅pa(σ3pa)m(3)Bt=Kb⋅pa(σ3pa)m(3)对于堆石体坝来说,摩尔库仑包线稍有弯曲,在一定程度上呈现非线形,故以下式对其修正:φ=φ0-Δφlg(σ3pa)(4)φ=φ0−Δφlg(σ3pa)(4)计算中单元应力同时满足下列条件:Si≤0.95Si-1(SS=q/qf为应力水平)(5)qi≤0.95qi-1Si≤0.95Si−1(SS=q/qf为应力水平)(5)qi≤0.95qi−1坝体单元处于卸载或再加载状态,Et改用回弹模量表示:Eur=Κur⋅pa(σ3pa)nur(6)Eur=Kur⋅pa(σ3pa)nur(6)以上各式中:pa为大气压,K、n、Rf、c、φ0、Δφ0、Kb、m、Kur、nur模型试验参数,根据三轴试验测定。由于邓肯E-B模型是针对二维问题提出的,为了推广到三维问题,以广义剪应力q代替(σ-σ3),以平均主应力p代替σ3,即:q=1√2[(σ1-σ3)2+(σ2-σ3)2+(σ1-σ2)2]1/2(7)p=13(σ1+σ2+σ3)(8)q=12√[(σ1−σ3)2+(σ2−σ3)2+(σ1−σ2)2]1/2(7)p=13(σ1+σ2+σ3)(8)抗剪强度用三维摩尔库仑准则取代(σ1-σ3)f:qf=3psinφ+3ccosφ√3cosφσ+sinθσ⋅sinφ(9)qf=3psinφ+3ccosφ3√cosφσ+sinθσ⋅sinφ(9)其中θσ为洛德(Lode)应力角,按下式计算:θσ=tg-1(-1√3uσ)uσ=1-2σ2-σ3σ1-σ3对于三维问题,式(1)~(6)改写为:Et=Κ⋅pa(ppa)n(1-Rf⋅qqf)2(10)Bt=Κb⋅pa(ppa)m(11)φ=φ0-Δφ⋅lg(ppa)(12)Si≤0.95Si-1(13)qi≤0.95qi-1Eur=Κur⋅pa(ppa)nur(14)程序中用中点增量法求解非线形方程组。根据坝的填筑顺序把自重荷载分为若干级,配合荷载分级进行单元网格剖分。每级自重荷载称为荷载增量,如果第i级荷载增量为{ΔR}i,先根据上一级荷载终了的{σ}i-1确定弹性常数Ei-1和vi-1,并以此形成劲度矩阵[k]i-1,施加本级荷载增量的一半{ΔR}1/2于结构,用下式求位移增量:[k]i-1{Δδ}i={ΔR}i-2(15)再计算应变与应力增量,累加到上一级终了的应变与应力上,即得到本级终了应变{ε}i-1/2和中点应力{σ}i-1/2,由此确定弹性常数Ei-1/2及vi-1/2,然后用下式求本级全荷载发生的位移增量。[k]i-1/2{Δδ}i={ΔR}i(16)再计算本级的应变与应力增量,累加到上一级终了的应变与应力上,即为本级的应变与应力,坝体上游面的水压力按照蓄水顺序分级加荷。3用复合土工膜法计算3.1土工膜的应力应变曲线在大坝斜墙上铺上土工膜后,土工膜将随着斜墙产生变形,可以由斜墙的变形求得复合土工膜的拉力。σ=Eε(17)式中:σ为复合土工膜的拉力;E为复合土工膜的拉伸弹性模量;ε为斜墙的应变。将几种与设计欲铺设的复合土工膜相近单位面积质量与厚度的复合土工膜进行室内物理力学试验,得出各自应力~应变曲线,图4所示为应力~应变典型曲线。从对应的应力来选择合适质量与厚度的复合土工膜。斜墙的应变可由以上三维有限元计算求得,由于土工膜随斜墙而产生的拉应变的方向很难确定,为安全可以将斜墙的第三主应变作为复合土工膜的拉应变。另外,计算时拉伸模量采用纵横向的较大的那个模量(一般为纵向)。应变则采用第三主应变,以求得土工膜内可能的最大拉力。3.2抗滑稳定的复合土工膜计算3.2.1砂卵石与复合土工膜的稳定性验算(1)复合土工膜与整平层之间。只要计算施工期的稳定,蓄水之后,水压力使复合土工膜对整平层施加很大压力,所以抗滑安全系数很大,不必计算。施工期抗滑稳定安全系数为:Κ=Wcosα⋅fWsinα=ftgα(18)式中:W为复合土工膜及其上部的垫层和护坡的质量;α为上游坡与水平面的夹角;f为复合土工膜与整平层(砂卵石)间摩擦系数。经验为0.48~0.62之间,砂卵石粒径越粗,f值越大,需依试验确定。(2)块石护坡垫层与复合土工膜之间施工期抗滑稳定安全系数与式(18)相同,其中W为块石护坡和垫层的质量。f为垫层(砂砾石)与复合土工膜之间的摩擦系数。水库水位降落期,根据块石护坡和垫层的排水性分为两种情况:一种情况为,块石护坡和垫层排水通畅水库水位降落时块石护坡和垫层内水位与库水位同步下降,发生渗透水压力,则Κ=Wωcosα⋅fWωsinα=ftgα(19)式中:Wω为护坡和垫层的湿质量;f为垫层砂卵石与复合土工膜之间的摩擦系数。另外一种情况为块石护坡和垫层排水不畅水库水位降落时块石护坡和垫层内水位降落很慢,存在渗透水压力F=m0iAγ,其中m0为由于土粒接触而减少渗透水的系数,采用m0=0.5,i为渗透水力比降,认为渗透水流平行于坝坡面,则i=sinα,A为块石护坡和垫层的截面积,γ为水的密度,故F=0.5sinα·Aγ。Κ=γωAcosα⋅fγωAsinα+0.5sinα⋅Aγ=ftgα(1+0.5γγω)(20)式中:γω为块石护坡和垫层的平均饱和密度;A为块石护坡和垫层的截面积;γ为水的密度。3.2.2复合土工膜胶粘长度(1)复合土工膜与无砂混凝土之间只要计算施工期的稳定。因蓄水后水压力使复合土工膜对无砂混凝土施加很大压力,故安全系数很大,不必计算。施工期抗滑稳定安全系数为:Κ=Wcosα⋅f+cLWsinα=ftgα+cLWsinα(21)式中:W为复合土工膜及其上面的预制混凝土板护坡(或其他护坡)的质量;c为胶粘剂的粘结力;L为上游坝坡的斜坡长度,即复合土工膜胶粘长度。其他符号意义与前相同。(2)预制混凝土板护坡与复合土工膜之间施工期抗滑稳定安全系数公式与式(21)相同,但W是预制混凝土板的质量,不包含复合土工膜的质量。水库蓄水后,预制混凝土板淹在水中。如果板底部与复合土工膜粘结牢固,无水渗入其间,则不必计算其抗滑稳定。如果胶粘质量不理想,有局部渗水渗到板底下,则板下浮托力小于板上水压力,故抗滑稳定安全系数还是大于施工期,也不必计算。水库水位降落时,如果板下局部因胶结质量不理想而有浮托力,则应计算抗滑稳定。如果各块预制混凝土板之间的接