復合土工膜在水庫大壩防滲工程中的應用

復合土工膜在水庫大壩防滲工程中的應用

0土工膜的應用20世紀以來，隨著高手工工業(yè)化的發(fā)展，各種類型的土木工程合成材料相繼出現(xiàn)。用粘土膜和土工織物粘在一起的復合土工膜就是許多材料中的一種。由于這類材料性能穩(wěn)定可靠、輕便、造價低、施工方便,近二十年來在國內巖土工程中得到了廣泛的應用,也是當前渠道防滲和水庫大壩反濾排水防滲工程中應用較多的新材料。復合土工膜主要靠中層的土工膜起防滲作用,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、瀝青等原料制成。主要特點是低透水性,據(jù)筆者幾年來大量的試驗結果看,其滲透系數(shù)k=10-11~10-12cm/s。以透水量計,則相當于1mm厚薄膜、滲漏面積0.1m2,在50m水頭作用下,透水量為1~4cm3/d。折合為滲透系數(shù)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,故初期認為土工膜屬不透水材料,是相對傳統(tǒng)粘性土的滲透系數(shù)k<10-8cm/s而言,因此土工膜屬不透水材料是一個相對概念。1部分壩體變形復合土工膜質地柔軟,作為壩體的防滲體主要依賴兩側壩體對它的支撐,在水壓力作用下,幾乎將全部承受的力傳遞給支撐它的那部分壩體。因此當壩體發(fā)生變形時,土工膜亦隨壩體變形發(fā)生位移,從而達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。因使用部位不同,可分為心墻式復合土工膜防滲和斜墻式復合土工膜防滲。1.1壩體有較小水平位移時其結構布置見圖1。心墻式土工膜兩側壩體材料性質通?；疽恢?當壩體發(fā)生豎向沉陷時,壩體上下游將同時發(fā)生變形,且大致相同,復合土工膜本身呈折線形埋設,隨壩體再進一步卷曲,材料本身發(fā)生相對位移的可能性很小,不會發(fā)生拉伸變形。在壩體有較小水平位移時,由于復合土工膜防滲體為整體結構,在隨壩體位移時作一定移動,在水平位移較小時,因復合土工膜呈折線形埋設,至多會將褶皺拉平,膜料本身不會發(fā)生拉伸變形;當壩體有較大水平位移時,膜料本身具有一定強度,對壩體的位移產生一定的抑制作用,其作用大小與抗拉強度有關,強度愈高抑制作用愈明顯。砂卵石壩、砂壩、堆石壩都可采用復合土工膜心墻防滲,結構簡單。復合土工膜深埋在壩內,使用壽命長。但是,不易檢修。1.2復合土工膜的結構布置斜墻式防滲主要特點在于復合土工膜兩側材料性質和支撐條件的不同。無論壩體產生縱向位移或水平位移,復合土工膜均隨壩體產生位移而產生位移變形,復合土工膜的這些變形將由抗拉強度來抵抗,同時,復合土工膜的抗拉強度也抑制壩體的變形。復合土工膜鋪設在斜墻上,則要考慮復合土工膜與斜墻的抗滑穩(wěn)定。同時,復合土工膜是一種高分子材料,受到日光中紫外線侵蝕后老化迅速,為防止紫外線等外部環(huán)境的侵蝕,需在復合土工膜的表面鋪設預制混凝土板護坡,也可采用現(xiàn)澆混凝土板護坡或噴射混凝土保護層。因此,必須考慮復合土工膜與混凝土護坡之間的抗滑穩(wěn)定。有兩種不同情況,采用兩種不同的結構布置。一是壩坡較平緩,復合土工膜靠摩擦力就能穩(wěn)定,結構布置相當簡單。只要整平壩坡面,鋪復合土工膜,其表面用塊石護坡或預制混凝土護坡,其結構布置見圖2。這類壩多是砂卵石或砂質壩體。只要用推土機把坡面推平,然后用斜坡振動碾或平碾壓實坡面就成為整平層。上面就可以鋪復合土工膜。其趾部開挖地基砂卵石至基巖,澆注混凝土趾板。把復合土工膜端部的土工織物剝掉,光膜澆在混凝土趾板內。頂部也將光膜澆在混凝土防浪墻的底板內。另一種是壩坡較陡,復合土工膜在斜坡上靠摩擦力不能維持穩(wěn)定,要增加粘結力才能穩(wěn)定。這就需要用膠粘劑把復合土工膜膠粘在壩坡的固坡層上(見圖3),在這之上要鋪設混凝土預制板或現(xiàn)澆混凝土作保護層,因此,力學計算時,不但要考慮復合土工膜與壩體之間的抗滑穩(wěn)定,亦需考慮保護層與復合土工膜之間的抗滑穩(wěn)定。2單元應力-上拉算法首先,通過三維有限元分析不同水位作用下壩體的變形、應力以及斜墻的變形和應力分布,根據(jù)斜墻的應力應變求解復合土工膜的拉力,以選擇適當厚度、質量的復合土工膜。一般情況下,壩體和斜墻均為非線形材料,其變形不僅隨荷載大小變化,且還與加載的應力路徑有關,應力應變關系呈明顯的非線形。反映這種應力應變特性的模型,以彈性非線形模型特別是鄧肯—張(Duncan—Chang)雙曲線模型在工程界使用較多。因其使用簡便,且較符合面板的工作狀態(tài),下面列出主要公式。切線彈性模量: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)根據(jù)摩爾庫侖準則得:(σ1-σ3)f=2ccosφ+2σ3sinφ1-sinφ(2)(σ1?σ3)f=2ccosφ+2σ3sinφ1?sinφ(2)切線體變模量:Bt=Κb?pa(σ3pa)m(3)Bt=Kb?pa(σ3pa)m(3)對于堆石體壩來說,摩爾庫侖包線稍有彎曲,在一定程度上呈現(xiàn)非線形,故以下式對其修正:φ=φ0-Δφlg(σ3pa)(4)φ=φ0?Δφlg(σ3pa)(4)計算中單元應力同時滿足下列條件:Si≤0.95Si-1(SS=q/qf為應力水平)(5)qi≤0.95qi-1Si≤0.95Si?1(SS=q/qf為應力水平)(5)qi≤0.95qi?1壩體單元處于卸載或再加載狀態(tài),Et改用回彈模量表示:Eur=Κur?pa(σ3pa)nur(6)Eur=Kur?pa(σ3pa)nur(6)以上各式中:pa為大氣壓,K、n、Rf、c、φ0、Δφ0、Kb、m、Kur、nur模型試驗參數(shù),根據(jù)三軸試驗測定。由于鄧肯E-B模型是針對二維問題提出的,為了推廣到三維問題,以廣義剪應力q代替(σ-σ3),以平均主應力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)抗剪強度用三維摩爾庫侖準則取代(σ1-σ3)f:qf=3psinφ+3ccosφ√3cosφσ+sinθσ?sinφ(9)qf=3psinφ+3ccosφ3√cosφσ+sinθσ?sinφ(9)其中θσ為洛德(Lode)應力角,按下式計算:θσ=tg-1(-1√3uσ)uσ=1-2σ2-σ3σ1-σ3對于三維問題,式(1)~(6)改寫為: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)程序中用中點增量法求解非線形方程組。根據(jù)壩的填筑順序把自重荷載分為若干級,配合荷載分級進行單元網格剖分。每級自重荷載稱為荷載增量,如果第i級荷載增量為{ΔR}i,先根據(jù)上一級荷載終了的{σ}i-1確定彈性常數(shù)Ei-1和vi-1,并以此形成勁度矩陣[k]i-1,施加本級荷載增量的一半{ΔR}1/2于結構,用下式求位移增量:[k]i-1{Δδ}i={ΔR}i-2(15)再計算應變與應力增量,累加到上一級終了的應變與應力上,即得到本級終了應變{ε}i-1/2和中點應力{σ}i-1/2,由此確定彈性常數(shù)Ei-1/2及vi-1/2,然后用下式求本級全荷載發(fā)生的位移增量。[k]i-1/2{Δδ}i={ΔR}i(16)再計算本級的應變與應力增量,累加到上一級終了的應變與應力上,即為本級的應變與應力,壩體上游面的水壓力按照蓄水順序分級加荷。3用復合土工膜法計算3.1土工膜的應力應變曲線在大壩斜墻上鋪上土工膜后,土工膜將隨著斜墻產生變形,可以由斜墻的變形求得復合土工膜的拉力。σ=Eε(17)式中:σ為復合土工膜的拉力;E為復合土工膜的拉伸彈性模量;ε為斜墻的應變。將幾種與設計欲鋪設的復合土工膜相近單位面積質量與厚度的復合土工膜進行室內物理力學試驗,得出各自應力~應變曲線,圖4所示為應力~應變典型曲線。從對應的應力來選擇合適質量與厚度的復合土工膜。斜墻的應變可由以上三維有限元計算求得,由于土工膜隨斜墻而產生的拉應變的方向很難確定,為安全可以將斜墻的第三主應變作為復合土工膜的拉應變。另外,計算時拉伸模量采用縱橫向的較大的那個模量(一般為縱向)。應變則采用第三主應變,以求得土工膜內可能的最大拉力。3.2抗滑穩(wěn)定的復合土工膜計算3.2.1砂卵石與復合土工膜的穩(wěn)定性驗算(1)復合土工膜與整平層之間。只要計算施工期的穩(wěn)定,蓄水之后,水壓力使復合土工膜對整平層施加很大壓力,所以抗滑安全系數(shù)很大,不必計算。施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:Κ=Wcosα?fWsinα=ftgα(18)式中:W為復合土工膜及其上部的墊層和護坡的質量;α為上游坡與水平面的夾角;f為復合土工膜與整平層(砂卵石)間摩擦系數(shù)。經驗為0.48~0.62之間,砂卵石粒徑越粗,f值越大,需依試驗確定。(2)塊石護坡墊層與復合土工膜之間施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與式(18)相同,其中W為塊石護坡和墊層的質量。f為墊層(砂礫石)與復合土工膜之間的摩擦系數(shù)。水庫水位降落期,根據(jù)塊石護坡和墊層的排水性分為兩種情況:一種情況為,塊石護坡和墊層排水通暢水庫水位降落時塊石護坡和墊層內水位與庫水位同步下降,發(fā)生滲透水壓力,則Κ=Wωcosα?fWωsinα=ftgα(19)式中:Wω為護坡和墊層的濕質量;f為墊層砂卵石與復合土工膜之間的摩擦系數(shù)。另外一種情況為塊石護坡和墊層排水不暢水庫水位降落時塊石護坡和墊層內水位降落很慢,存在滲透水壓力F=m0iAγ,其中m0為由于土粒接觸而減少滲透水的系數(shù),采用m0=0.5,i為滲透水力比降,認為滲透水流平行于壩坡面,則i=sinα,A為塊石護坡和墊層的截面積,γ為水的密度,故F=0.5sinα·Aγ。Κ=γωAcosα?fγωAsinα+0.5sinα?Aγ=ftgα(1+0.5γγω)(20)式中:γω為塊石護坡和墊層的平均飽和密度;A為塊石護坡和墊層的截面積;γ為水的密度。3.2.2復合土工膜膠粘長度(1)復合土工膜與無砂混凝土之間只要計算施工期的穩(wěn)定。因蓄水后水壓力使復合土工膜對無砂混凝土施加很大壓力,故安全系數(shù)很大,不必計算。施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:Κ=Wcosα?f+cLWsinα=ftgα+cLWsinα(21)式中:W為復合土工膜及其上面的預制混凝土板護坡(或其他護坡)的質量;c為膠粘劑的粘結力;L為上游壩坡的斜坡長度,即復合土工膜膠粘長度。其他符號意義與前相同。(2)預制混凝土板護坡與復合土工膜之間施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)公式與式(21)相同,但W是預制混凝土板的質量,不包含復合土工膜的質量。水庫蓄水后,預制混凝土板淹在水中。如果板底部與復合土工膜粘結牢固,無水滲入其間,則不必計算其抗滑穩(wěn)定。如果膠粘質量不理想,有局部滲水滲到板底下,則板下浮托力小于板上水壓力,故抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)還是大于施工期,也不必計算。水庫水位降落時,如果板下局部因膠結質量不理想而有浮托力,則應計算抗滑穩(wěn)定。如果各塊預制混凝土板之間的接