防渗土工膜下支持层增模区设计优化研究.pdf

收稿日期：基金项目：中国博士后科学基金资助项目（）作者简介：王樱畯（），男，安徽淮南人，正高级工程师，主要从事水电工程设计与咨询工作 通信作者：许贺（），男，黑龙江佳木斯人，博士，主要从事岩土工程静动力数值分析研究工作：【水利水电工程】防渗土工膜下支持层增模区设计优化研究王樱畯，许 贺，孙檀坚（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州；浙江省抽水蓄能工程技术研究中心，浙江 杭州）摘 要：具有下支持层的防渗土工膜在结构锚固处及基础挖填分界部位易产生较大的差异变形和拉应变，需要保证其拉应变控制在合理范围。基于某抽水蓄能电站上水库进 出水口前池土工膜防渗工程，建立三维有限元模型，采用调整下支持层增模区的方法，针对锚固及挖填分界部位土工膜的局部变形适应性问题进行研究。通过对比分析，确定增模区的合理尺寸，并进行进一步优化，取得了显著的工程效益。关键词：下支持层；增模区；拉应变；土工膜；设计优化中图分类号：文献标志码：引用格式：王樱畯，许贺，孙檀坚防渗土工膜下支持层增模区设计优化研究人民黄河，（）：，（，；，）：，：；自 世纪 年代起，土工膜在水利水电工程领域中的应用日益广泛。近年来，山东泰安、江苏溧阳等大型蓄能电站均在库底大规模采用土工膜防渗。与混凝土面板等刚性防渗体相比，聚乙烯（）、聚氯乙烯（）等土工膜为柔性薄膜材料，在适应下部填筑体变形方面具有卓越性能，但关于在特殊及薄弱部位的安全性和适用性问题，国内外尚缺乏系统研究。土工合成材料应用技术规范（）中关于在土石堤坝的防渗设计规定：土工膜用于 级、级建筑物和高坝时应通过专门论证。因此，在高坝或重要工程中使用土工膜进行防渗时，应结合具体工况和土工膜的物理力学特性，通过深入研究保证防渗工程安全。目前，常用的研究手段主要有试验法和数值分析法，其中数值分析法已广泛应用于土工膜防渗工程安全性分析。根据已建工程经验，通常在土工膜锚固处及挖填分界处两侧的材料差异较大，蓄水后小范围的基础不均匀变形易导致上铺的土工膜局部拉应变过大，甚至超过材料的延伸率而破坏，从而引起水库渗漏的产生、发展，。实际工程中为应对上述现象，常采用在相应部位预留一定超高或凹坑、对下支持层的模量进 行 调 整 等 措 施，以 抵 消 局 部 的 不 均 匀 变形，。在防渗土工膜的下支持层局部变形适应性设计方面，现有研究成果较少、类似工程经验有限，因此有必要采用数值分析方法开展深入研究，提出有效的工程措施，合理降低土工膜在锚固处及挖填分界处的局部拉应变，确保工程安全。本研究基于某抽水蓄能电站的上水库进 出水口土工膜防渗工程，针对土工膜锚固部位局部变形的适应性问题，通过建立三维有限元整体模型和局部子模型开展精细化研究，结合工程特点，确定了下支第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，持层增模区的设计方案及具体尺寸，并进一步优化了增模区范围，在保证工程防渗安全的前提下，节省了优质堆石料。工程概况与计算模型某在建抽水蓄能电站上水库进 出水口典型断面如图 所示，设置了坡比 的前池反坡段和长 的水平段，水平段的高程为 ，水平段末端为排水观测廊道，进 出水口的水流方向即为坝轴向。前池范围铺设土工膜防渗，土工膜与排水观测廊道混凝土结构连接详图见图，二者之间采用机械螺栓锚固连接，土工膜下部为库盆回填料，与下方回填料之间设置土工布保护。蓄水后土工膜在水荷载作用下，锚固部位的较小区域内会产生明显的不均匀变形，从而使得土工膜在此处发生较大的拉伸变形，因此需深入分析其局部应力变形情况，并进行安全性评价。图 上水库进 出水口典型断面图 土工膜与排水观测廊道混凝土结构连接详图根据上水库进 出水口结构布置，建立三维有限元模型（见图）。有限元模型不包含基岩，未考虑基岩变形的影响，模型单元总数为 个、节点总数为 个。坝轴向即为进 出水口水流方向，由于进出水口位置距离大坝较远，大坝对其结构的应力和变形影响很小，因此建立计算模型时未考虑大坝。图 进 出水口三维有限元模型整体模型在锚固及挖填分界处网格尺寸过大，不利于准确计算局部变形。因此，在靠近廊道锚固部位，选取一个单元作为子模型进行精细化分析。子模型单元长 、厚 ，在整体模型中的位置如图 所示。对该单元进行网格划分（见图），靠近锚固处最小网格宽度为 。子模型法是在整体模型计算基础上，对局部特殊复杂的结构进行模拟。子模型的侧面和底部的位移边界条件通过对整体模型的位移计算结果插值获得，而子模型顶部为水压力荷载边界条件。图 整体模型中子模型位置示意图 子模型网格划分根据库盆填筑顺序，从底部至顶部分 级填筑加载（高程 ），随后考虑蓄水后水压力作用，按照每级 水头施加荷载至正常蓄水位 （共 级）。库盆填筑体采用土石混合料，增模区采用大坝上游堆石料，本构模型采用邓肯 模型，模型参数见表。表 邓肯 模型参数筑坝材料刚度系数 体积模量指数 凝聚力 破坏比干密度（）刚度系数 体积模量系数 内摩擦角 （）内摩擦角增量 （）库盆与土工膜间接触面 库盆回填料增模区堆石料 人 民 黄 河 年第 期 土工膜采用 厚高密度聚乙烯（），屈服点拉伸应变为，安全系数为，则土工膜允许拉应变为。土工膜采用膜单元模拟，在进 出水口一侧采用锚固连接，与库盆之间的相互作用则采用 接触面模型模拟。未设增模区时计算结果分析 整体模型计算结果图（）为进 出水口断面未设增模区时土工膜在蓄水前后的变形示意。图中方块、圆圈分别代表蓄水前、后土工膜单元节点位置。蓄水后土工膜随着库盆表面变形而变形，由于前池存在一个斜坡段，因此在斜坡段与水平段交界部位存在一定的水平位移，最大位移量为 。图（）为蓄水后进 出水口断面未设增模区时的土工膜应变分布。计算结果表明，土工膜应变在两个部位较大，一处是在 高程的前池斜坡段与水平段交接部位，此处应变为；另一处是在土工膜与进 出水口廊道锚固部位，最大应变达。（）蓄水前后土工膜变形（）蓄水后土工膜应变分布图 进 出水口未设增模区的整体模型土工膜变形及沿坝轴向应变分布 子模型计算结果图（）为进 出水口断面靠近廊道锚固部位的局部土工膜在蓄水前后的变形示意，蓄水后土工膜随着库盆变形而变形。图（）为进 出水口断面子模型中土工膜在蓄水后的应变分布。整体模型中的应变值为子模型中应变分布的均值。由图（）可知，在靠近土工膜与进 出水口廊道锚固部位，通过子模型计算得到的土工膜应变值明显更大，土工膜应变最大值为。（）蓄水前后土工膜变形（）蓄水后土工膜应变分布图 进 出水口未设增模区的子模型土工膜变形及沿坝轴向应变分布 增模区方案设计研究该工程土工膜设计允许拉应变仅为。根据前文计算分析可知，局部子模型中土工膜在靠近进 出水口廊道锚固处的最大应变值达到了，不能满足设计要求。因此，下面开展土工膜下支持层增模区的设计研究，将变形控制在可接受范围内。整体模型增模区分析为降低计算模型中土工膜的局部拉应变，在前池靠近廊道的区域设置增模区，初定增模区范围时，按照以下原则：在前池斜坡段与水平段交接部位、土工膜与进 出水口廊道锚固部位的土工膜应变较大，因此增模区外边界应从前池斜坡段与水平段交接处往斜坡段方向延伸一定距离；上述两个土工膜拉应变较大部位的距离较近，为方便施工，增模区按照连成整体考虑；在整体有限元模型中土工膜拉应变计算值至少应小于，以保证在子模型中的拉应变小于。根据试算初定增模区范围（见图），增模区内采用模量较高的堆石料进行填筑。设置增模区前后，整体模型分析中土工膜应变分布对比见图。计算结果表明，设置增模区后，土工膜拉应变极值（最大值）显著减小，土工膜与进 出水口廊道锚固部位的土工膜拉应变由（整体模型）降低为，可见设置增摸区的效果显著。人 民 黄 河 年第 期图 整体模型中增模区示意图 设置增模区前后整体模型土工膜应变分布对比 整体模型增模区优化图 中初步确定的增摸区为多边形 围成的封闭区域，现通过将、点逐渐向进 出水口方向移动，缩小线段、及 的长度，减小增模区面积，通过对比不同方案的土工膜应变分布情况来分析确定优化后的增模区范围。图 进 出水口断面增模区优化示意 点 位置对于土工膜应变的敏感性分析图 为线段 长度分别为原长的、情况下土工膜的应变分布情况。由图 可知，当线段 长度为原长的和时，对于 点（锚固部位）的土工膜应变峰值影响较小，但会引起 点（前池斜坡段与水平段交接处）处土工膜应变的增大；当线段 长度为原长的 时，点处土工膜应变峰值才有小幅度的增大，但 点的土工膜应变峰值并未明显增大。因此，线段 的长度可优化为原长的。图 点 不同位置时土工膜应变分布情况 点 位置对于土工膜应变的敏感性分析在线段 长度为原长 的前提下，缩短线段 长度分别为原长的、情况下的土工膜应变分布见图。由图 可知，线段 长度优化至原长的，并不会对土工膜应变峰值产生明显影响。图 点 不同位置时土工膜应变分布情况 点 位置对于土工膜应变的敏感性分析在线段 长度为原长的 及线段 长度为原长的 基础上，对点 的位置进行优化。分别在缩短线段 为原长的、的情况下，土工膜应变分布情况见图。由图 可知，线段 的长度减小至原长的 左右较为合适。图 点 不同位置时土工膜应变分布情况 最终优化增模方案图 为分析确定的进 出水口断面最终增模区优化方案。经过优化分析，增模区的面积由前期方案的人 民 黄 河 年第 期 降至优化方案的 ，面积减小幅度为，节省了优质堆石料。同时两处较大的土工膜应变峰值也有较大幅度降低，点的土工膜应变峰值可从未增模情况下的（整体模型）降至，点的土工膜应变峰值从未增模情况下的 降至（见图）。图 进 出水口断面增模区优化方案图 优化增模方案后土工膜应变分布与原增模方案及未增模方案对比 子模型分析图 为采用子模型分析时，增模区优化方案的土工膜应变分布与未设增模区情况下的对比。由图 可知，未增模时土工膜应变最大值为，而增模区优化方案的土工膜应变最大值降低至，达到了小于 的设计要求。图 优化增模区子模型土工膜应变分布与未增模方案对比 结论本文基于某抽水蓄能电站上水库进 出水口部位土工膜防渗工程，针对具有下支持层的土工膜在挖填分接处、锚固处等局部拉应变过大的问题，开展有限元分析与研究，确定了增模区的范围及具体尺寸。为了节省优质堆石料，进一步对增模区尺寸进行设计优化，其面积减少达，工程效益显著；土工膜应变峰值由未增模情况下的 降低至，降低幅度明显，满足工程设计要求。减小土工膜局部拉应变的措施还包括在下支持层小范围设置鼓包、凹坑等方案。下支持层设增模区结合局部鼓包或凹坑，进一步改善土工膜的受力情况，对于具有高水头且增模区降低膜拉应变效果有限的工程，可开展进一步分析研究。参考文献：顾淦臣复合土工膜或土工膜堤坝实例述评水利水电技术，（）：，顾淦臣，沈长松，吴江斌应用复合土工膜加固石砭峪沥青混凝土斜墙坝水利水电科技进展，（）：，吴关叶，黄维，王樱畯，等抽水蓄能电站水库防渗技术北京：中国水利水电出版社，：束一鸣，吴海民，姜晓桢中国水库大坝土工膜防渗技术进展岩土工程学报，（增刊）：王爱林，王樱畯，雷显阳某抽水蓄能电站上水库库底土工膜防渗设计岩土工程学报，（增刊）：朱安龙，张军，张胤洪屏电站上水库库底土工膜防渗结构设计人民黄河，（）：，（）：，（）：王杰，张宏洋，张宪雷，等平原水库堤坝胶接法施工土工膜水力性能研究水利水电技术（中英文），（）：岑威钧，文震宇，李邓军，等土工膜蠕变与蠕变恢复特性试验及数学模型研究岩土工程学报，（）：侯娟，邢行，徐东，等土工膜土工布界面动力剪切特性试验研究岩土力学，（）：，（）：郑紫荆，朱云海，王巧，等有机污染物在含土工膜复合隔离墙和含水层系统的运移半解析模型岩土力学，人 民 黄 河 年第 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左右，护坦上增设消力坎可以有效降低海漫段的流速。研究提出的“台阶消力池消力坎辅助消能工”综合消能方案，消能效果十分显著，较好地解决了红山水库溢洪道泄洪消能问题，该成果可供类似工程设计参考和借鉴。参考文献：林继镛水工建筑物北京：中国水利水电出版社，：武彩萍，罗立群，李念祖小浪底枢纽下游消力池水流脉压特性探讨水道港口，（）：李玉柱小浪底工程多条隧洞泄洪布置的特点与消能问题水利水电技术，（）：洪振国，苟勤章，李海华水利工程溢洪道底流消能水力特性分析排灌机械工程学报，（）：段鸿锋，邓军，刘超，等真金万水库溢洪道消能方案试验研究人民黄河，（）：，南京水利科学研究院水工（常规）模型试验规程：北京：中华人民共和国水利部，：陈椿庭水工模型试验 版北京：水利电力出版社，：孙双科我国高坝泄洪消能研究的最新进展中国水利水电科学研究院学报，（）：【责任编辑 简 群】人 民 黄 河 年第 期