复合土工膜技术在塘坝防渗加固中的应用_庄作义.pdf

138 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）复合土工膜技术在塘坝防渗加固中的应用庄作义，郝 雷（临沂市水利工程处，山东 临沂 276000）摘 要：复合土工膜技术凭借成本低、施工简单、工期短等优点，在小型水工建筑中得到广泛应用。文章以山东临沭松园塘坝除险加固工程为例，采用复合土工膜防渗斜墙作为核心工程，结合理论计算得到 HDPE 环保型土工膜最佳厚度为 0.5mm，复合土工膜的规格为200g/m2/HDPE0.5/200g/m2。通过试验和模拟，其抗剪性和应用后坝体的渗流稳定性均能满足要求。关键词：塘坝；复合土工膜；防渗斜墙；渗流稳定性中图分类号：TV698.23；TV49文献标识码：B0 引 言山东临沭县近几年启动了对区域内病险水库、塘坝进行除险加固，经统计共包括抗山子、北月庄、松园等 29 座塘坝，工程建设内容主要为坝体防渗加固、混凝土预制块及嵌草护坡、坝顶石屑路面铺筑、溢洪道开挖护砌、放水洞新建或改建等。在小型水工建筑中，复合土工膜技术凭借成本低、施工简单、工期短等优点，被得到广泛应用。本次山东临沭松园塘坝除险防渗加固工程即采用复合土工膜技术。1 工程概况山东临沭县松园塘坝流域属温带季风性半湿润气候区，属于典型的温带大陆性气候，四季变化明显。坝下多为冲洪积层，较为平坦，适宜灌溉，坝附近土地贫瘠，适宜植林。该坝其核心工程坝体长度为 272m，高度为 5.8m，总库容约为 87.4 万 m3，工程等级属于等小（2）型，在除险加固前该塘坝坝体渗漏量为52m3/d，严重威胁坝体安全稳定性。2 复合土工膜防渗体分类及特征2.1 复合土工膜的种类及特征复合土工膜利用了塑料薄膜的防渗性，再与无纺布进行粘结成为土工防渗材料。根据塑料薄膜材料的不同可分为：低密度聚乙烯（LDPE）土工膜、高密度聚乙烯（HDPE）土工膜、EVA土工膜三大类，它们的力学特性，如表 1 所示。由于本项目涉及到坝体防渗，影响范围广，因此设计采用 HDPE 环保型土工膜1。表 1 各类土工膜力学特性力学参数LDPEHDPEEVA普通型环保型拉伸强度/MPa 14 17 25 18伸长率/%400 400 550 600直角撕裂强度/MPa 50 80 110 90水蒸气渗透系数/gcm/cmspa 1.010-16使用温度-70+702.2 复合土工膜防渗体结构形式分析按照复合土工膜防渗体的布置位置不同，可将其分为两类：铺设在堤坝上游面，作为防渗斜墙；铺设在堤坝中央，作为防渗心墙2。两种类型对坝体填筑料有不同要求，具体分析如下：1）复合土工膜防渗斜墙：复合土工膜防渗斜文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期 2022-02-07作者简介 庄作义（1984-），男，山东成武人，工程师，主要从事水利工程施工工作；郝雷（1987-），男，山东沂水人，工程师，主要从事水利工程施工工作。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.013 139 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）墙由外到内由三部分组成：外保护层+复合土工膜+基础垫层，防渗斜墙无需对原坝体进行开挖沟槽，大大精简了施工步骤和难度，后期维修和更换也更容易；但易受外界因素影响，且土工膜和保护层、垫层的稳定结合位置需要处理。2）复合土工膜防渗心墙：复合土工膜心墙安设在坝体内部，但施工较困难，在实际铺设时也会采取“之”字型，所以用料不比斜墙少，防渗心墙不受外界因素影响，且不必考虑土工膜老化问题，与周围岸坡连接位置易处理。由经验可知：当水头 20m 时，适合心墙形式；当水头为 2040m 时，斜墙和心墙无太大差别3。考虑到本项目规模小、资金少、技术要求低等特点，设计采用防渗斜墙这一形式，可大大缩短工期，而且不需要大型施工设备，对交通道路要求低。3 复合土工膜技术应用设计分析确定复合土工膜材质和布置形式后，就要针对松园塘坝实际情况进行相关参数设计以及对其合理性验证，主要包括：土工膜最佳厚度设计、土工膜与垫料层耐磨性分析、防渗体抗滑稳定性分析等。3.1 复合土工膜最佳厚度设计复合土工膜的防渗核心是 HDPE 高密度聚乙烯膜，常见的作为防渗体使用的膜厚有如下 6 种：0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm。下面针对不同厚度土工膜性质进行分析。由于复合土工膜铺设后长期处于受拉状态，长期缓慢蠕变可能会导致永久变形，进而造成强度衰减和结构破损4。为了验证不同厚度复合土工膜的蠕变性质，在此将它们同一置于恒定载荷下，得出各样本 90d 的蠕变曲线，如图 1 所示。图 1 90d 不同厚度土工膜蠕变（左）和应变（右）曲线由图 1 可知：随着土工膜厚度越大，其蠕变和应变逐渐减小，其中 0.4mm 土工膜蠕变率超过了40%，而 0.9mm 土工膜蠕变率约为 10%；复合土工膜蠕变变形经历两个阶段，在第一个阶段中（前30min），土工膜随着载荷的施加而迅速变形，且呈现明显横向收缩性；进入第二阶段后，土工膜蠕变量随着时间的增加而逐渐平缓，增幅不断缩小，最终达到一个稳定值，且膜厚每增加 0.1mm，应变降低率为 5%5。松园塘坝为土石坝，经过多年运行已经基本稳定，但考虑到后期新加的基础垫层变形量，若选用太薄的土工膜会导致应变量较大，存在撕裂危险，因此本项目最终确定土工膜厚度为 0.5mm，具体结构为“两布一膜”：200g/m2/HDPE0.5/200g/m2。3.2 复合土工膜与垫料层剪切应力分析在原上游坝体铺设复合土工膜时，应先铺设一层 2cm 砂砾石垫层，分 2 层夯实。垫层与复合土工膜之间的存在摩擦剪切应力，理论公式见（1）6。只有 值小于复合土工膜的抗剪应力，才能确保防渗体结构不被破坏。+=sinPCa（1）式中：Ca为粘聚力，kPa；P为法向应力，kPa；为界面摩擦角，。截取一块边长为 20cm 复合土工膜样本，利用摩擦特性试验来验证不同法向压力（100kPa、200kPa、300kPa、400kPa）下的复合土工膜所受的剪切应力和延伸率，结果如下页表 2 所示。由表 2 可知：随着法向压力增加，峰值剪切应力在不断变大，但均远小于复合土工膜极限抗剪应力值；复合土工膜的延伸率最大值为 121%，也是小于其极限延伸率 136%。可知复合土工膜的 140 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）抗剪应力和应变是满足安全性要求的。表 2 复合土工膜与砂砾石垫层剪切试验结果法向压力 P/kPa峰值剪切应力/kN峰值剪切应力对应延伸率/%土工膜抗剪应力/kN土工膜极限延伸率/%100257654.01362003111430038118400411213.3 坝体渗流稳定性分析水作为典型的流体，其力学特征是在一个限定的空间区域内发生的，在此为了验证松园塘坝的渗流稳定性和安全性，利用了 ABAQUS 软件对其进行有限元分析。将松园塘坝分为 462 个单元块，不同部位的材料力学参数，如表 3 所示。表 3 坝体不同部位材料力学参数结构层摩擦角/粘聚力 c/kPa弹性模量 E/kPa泊松比 v渗透系数 k/cm/s基础垫层3822.56.81040.33.410-3复合土工膜2001.5107/110-8坝体3921.51.01050.35.410-3坝基3720.51.31050.318.410-31）无复合土工膜坝体浸润面模拟：在模拟无复合土工膜情况时，上游水位以下为水头边界，坝底为透水边界，下游也为透水边界，并假定坝体不再产生位移，坝体浸润线和下游坝坡存在交点，也就是存在明显的水流逸出点，这就直接说明了坝体存在渗漏情况，渗流稳定性不满足要求。2）有土工膜坝体浸润面模拟：在模拟有复合土工膜情况时，为便于计算，将复合土工膜等价为具有等效作用的土层，边界情况同上，并假定坝体不再产生位移，铺设复合土工膜后，坝体浸润线和下游坝坡不再有交点，也就是说不存在水流逸出点，渗流稳定性满足要求。4 结 语铺设复合土工膜是对小型水利工程除险加固最简单有效的手段之一，松园塘坝经过此次改造，防渗问题得到了彻底解决，经过对各关键参数计算，复合土工膜的抗剪切性也能满足要求。但需要说明：松园塘坝水流平缓，对上游坝坡破坏性小，因此能够很好延长复合土工膜寿命，若水流复杂的水工建筑，则不一定适用于该防渗方法。参考文献：1 杨武，侍克斌，何建新，等.不同膜厚复合土工膜的蠕变特性及模型研究 J.岩土工程学报,2021,43(05):71-75.2 陈云，胡志刚，吴正萍，等.复合土工膜在高土石坝中的应用及施工质量控制 J.长江科学院院报,2021,34(02):64-68.3 吴海民，束一鸣，戴林军，等.复合土工膜-垫层界面本构模型在 FLAC3D 中的开发及验证 J.水利学报,2021，21(S2):8-13.4 晏自立，赵磊华，冯路明，等.水工防渗复合土工膜施工技术及质量控制综述 J.人民长江，2020，49(A02):61-66.5 杨武，刘亮，吴远鹏，等.复合土工膜-垫层材料界面摩擦特性试验研究 J.水资源与水工程学报,2022,33(01):35-40.6 刘军，李波.围堰防渗墙与复合土工膜联接型式试验研究 J.岩土力学，2020，12(S1):15-197 徐晗，李波，潘家军，等.不同铺设及联接型式的复合土工膜围堰应力变形特性 J.长江科学院院报,2022，39(04):5-10.