（水工结构工程专业论文）土石坝膜防渗结构问题探讨.pdf

致谢 摘要 近几十年来土石坝得到了高速发展，显示了土石坝是一种有竞争力的坝型。 土工膜防渗在低坝中大量使用得益于土工膜是一种优质、经济的防渗材料。 坝体防渗土工膜在透水性、渗漏量、稳定性及膜厚度等方面的研究与计算已 有试验数据支持、定性的认识或准定量的公式可依，对膜本身结构( 如缺陷破坏、 受力破坏与联合防渗等) 的研究尚处于初始阶段。高土石坝的防渗、粘土心墙坝 的拱效应问题一直是高土石坝发展难以回避的问题。 本文在总结前人成果的基础上，部分结合工程实例，重点关注土工膜的结构， 应用有限差分软件f l a c 3 d 对坝面膜的结构受力、粘性土心墙与土工膜联合防 渗系统进行数值模拟，主要内容如下： 1 ) 从结构受力方面对坝面防渗膜进行分析，重点研究锚固处的“夹具效应” 及锚固方式对其的影响问题，得出了包裹式铺膜方式可以明显改善“夹具效应” 的结论。 2 ) 以瀑布沟工程的简化模型为例，对膜与粘土心墙联合防渗系统作力学与 渗流方面的分析，得到以下三方面的结论： a ) 心墙前加膜与不加膜相比对心墙“拱效应”有所改善： b ) 心墙前缺陷膜可以起到一定防渗效果，降低了防渗指标存在缺陷的粘土 心墙的渗透稳定性的风险率； c ) 心墙前置膜存在着“夹具效应”现象； 3 ) 模拟的过程中，应用对f l a c 3 d 进行简单二次开发的自编( 邓肯一张) 模 型和软件中摩尔库仑模型( m o h r ) 分别进行计算对比分析，自编模型所得结果 与摩尔库仑模型( m o h r ) 计算结果相近，从而为软件应用资料提供的邓肯张参 数添加一个外挂小程序块。 关键词：土工膜防渗结构夹具效应拱效应水力劈裂二次开发 a b s t r a c t e a r t hd a md e v e l o p e da tt o ps p e e dd u r i n gt h e p a s ts e v e r a ld e c a d e s ，s h o w e dt h a ti t i sat y p eo fd a mw h i c hh a sc o m p e t i t i v ep o w e r , l o we a r t h - r o c k f i l ld a m su s e dal a r g e n u m b e ro fi m p e r v i o u sg e o m e m b r a n e s ，p r o f i t e df r o mt h a tg e o m e b r a n e si sak i n do f h i g h q u a l i t ya n de c o n o m i ci m p e r m e a b l em a t e r i a l h y d r a u l i cp e r m e a b i l i t y , l e a k a g e ，s t a b i l i t ya n dt h i c k n e s ss t u d i e so fi m p e r v i o u s g e o m e m b r a n e si ne m b a n k m e n th a v eb e e nd o n ea c c o r d i n ga s t e s td a t as u p p o r t s ， q u a l i t a t i v eu n d e r s t a n d i n g s o r q u a s i q u a n t i t a t i v ef o r m u l a s w h i l es t u d i e so ft h e g e o m e m b r a n o u ss t r u c t u r a lp r o b l e m s ( s u c ha sd e f e c td a m a g e s ，s t r e s sd a m a g e sa n d c o m b i n e dp e r m e a b i l i t y , e m ) a r es t i l li ni n c i p i e n ts t a g e s ，t h ei m p e r v i o u sp r o b l e ma n d a r c he f f e c ti nc l a yc o r ea r et h ep r o b l e m sw h i c hc a n tb ef e n c e dw i t ha l lt h et i m e s d u r i n gt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so f h i g he a r t hd a l t i s t h i sa r t i c l eb a s e so nt h ea c h i e v e m e n t so fp r e d e c e s s o r s ，i n t e g r a t e sc a s es t u d y p a r t i a l l y , m o s t l ys t u d i e sg e o m e m b r a n o u ss t r u c t u r e s ，a n dh s e sf l a c 3 daf i n i t e d i f f e r e n c es o f t w a r et od on u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f d a mf a c eg e o m e m b r a n e s ，c l a yc o r e a n dg e o m e m b r a n ec o m b i n e di m p e r v i o u ss y s t e m s t h ep r i m a r y c o v e r a g eo ft h e s i m u l a t i o n si sa sf o l l o w s f i r s t l y , a n a l y s e st h es t r u c t u r a l s t r e s s e so fd a mf a c eg e o m e m b r a n e s m o s t l y s t u d i e st h ec r a m pe f f e c ta ta n c h o r a g ez o n e sa n dw h e t h e rd i f f e r e n ta n c h o r i n gw a y st h a t c a t i n f l u e n c et h ec r a m pe f f e c t a sar e s u l t ，t h ea r t i c l eg e t st h a tw r a p p i n ga n c h o r i n g w a y sc a ne l i m i n a t et h ec r a m pe f f e c te v i d e n t l y s e c o n d l y , t a k et h es i m p l i f i e dp u b u g o up r o j e c tm o d e la sa ne x a m p l e ，a n a l y s e st h e m e c h a n i c sa n ds e e p a g ef l o wo ft h ei m p e r v i o u ss y s t e mw i t ht h ec l a yc o r ea n d g e o m e m b r a n e ，t h e ng e t st h r e ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s c o n c l u s i o no n e ，t h ea r c he f f e c th a sb e e na m e l i o r a t e dt os o m ee x t e n tw h e nt h e r e i sg e o m e m b r a n e si nf r o n to f t h ec o r e c o n c l u s i o nt w o ，t h ed e f e c tg e o m e m b r a n e sc a l ld i s p l a yi t si m p e r v i o u sc h a r a c t e r , r e d u c i n gt h er i s ko fo s m o l a rs t a b i l i t yo ft h ec l a yc o r ew a l lw h i c hh a st h ei m p e r v i o u s f i a w 1 1 c o n c l u s i o nt h r e e ，t h eg e o m e m b r a n e sb e f o r ec o r ew a l ls u b s i s t st h ec r a m pe f f e c t s t h i r d l y , d u r i n g s i m u l a t i o n p r o c e s s ，t h e c a l c u l a t i o nw a sd o n eu s i n gs e l f d e v e l o p i n gf l a c 3 dm o d e l ( d u n c a n c h a n gm o d e l ) a n dm o l a rm o d e li nf l a c 3 d r e s p e c t i v e l y t h et w o r e s u l t sa r es i m i l a r t h i ss e l fm o d e ls u p p l i e sap r o g r a mb l o c kf o r f l a c 3 dt ou s ed u n c a n c h a n gp a r a m e t e r si nm a t e r i a l s k e yw o r d s ：g e o m e m b r a n e s ，i m p e r v i o u ss m a c t u r e ，c r a m pe f f e c t ，a r ce f f e c t ， h y d r a u l i cc l e a v a g ec r a c k ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 莓址皿一2 0 0 6 年户月j 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 莲亚l i i2 0 0 6 年岁月j j 日 1 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 土石坝工程发展概、兄【1 】【6 4 】【6 5 】【6 6 】 7 3 】 土石坝又称“当地材料坝”，主要由坝址附近的土石料填筑而成，根据坝体 所用的材料不同又可分为土坝和堆石坝。坝体材料以当地土料和砂、砂砾、卵砾 为主的称土坝，以石渣、卵石、爆破石料为主的称堆石坝。 土石坝是传统的坝型，历史悠久，使用较为普遍。至1 9 世纪已经具有较高 的水平，最大高度达5 0 m ，到2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代，土石坝施工技术有所发展， 大型碾压设备如振动碾的出现，使得各种粒径的土、砂、砂砾、石渣，堆石能方 便地碾压密实，土石坝建造的数量不断增加，高度也不断增加。7 0 年代末，土 石坝在全部百米以上高坝中所占的比例由1 9 5 0 年前的3 1 增至6 2 ，超过了混 凝土重力坝和拱坝的总和，其中坝高超过1 5 0 m 的高坝有2 7 0 座，土石坝就占6 8 座：3 0 0 m 以上的高坝均为土石坝；低坝中土石坝的比例更是占绝对优势。 目前，土石坝是大多数工程首先考虑和优选的坝型，得益于以下优点： 1 ) 经济效益好。方案论证和实践对比证明，土石坝工程的综合性指标比混 凝土重力坝优越。 2 ) 施工机械化，施工中配合采用新的工艺流程，可提高施工效率和质量。 3 ) 土石坝的设计质量和安全可靠性在不断提高，得益于岩土力学理论、测 试手段和电算技术的发展。 4 ) 土石坝大多材料就地选取，有利于挖填平衡和节约资金。 5 ) 土石坝坝基对各种地形、地质条件的适应性较大，对于不良的地基，经 处理后一般均可修建土石坝。 6 ) 较能适应不良的气候条件，一般堆石坝可以在严寒低温或炎热多雨的地 区建造。 7 ) 抗震性能较好。 8 ) 土石坝工程的导流、泄洪问题随着施工机械、施工技术和导流技术的发 展f 如坝体临时断面漫洪导流、高围堰导流等) 己得到较好解决。 9 ) 土石坝寿命长久，运行费用低廉，通常只有护坡需要维修。 河海大学硕士学位论文 1 2 土石坝坝体防渗体技术发展概况 土石坝工程发展至今，按其防渗特性分类，涵盖了土料防渗坝、混凝土面板 防渗坝、沥青混凝土防渗坝、土工膜防渗坝等类型。 1 2 1 土料防渗体 s 7 s s 】 6 9 】【7 0 】【7 1 】 土料防渗土石坝包括一t l , 墙坝、斜墙坝和均质坝等。 防渗土料是选定土料防渗土石坝的决定性条件。我国不同地区土质不尽相 同，加上气候冷暖、雨水多少的差异，给防渗土料的选用、施工方式及质量保证 带来不少难题。结合我国不同地区的特定条件，经过工程实践，对不同土料采取 相应措施，取得了不少成功经验：分散性土可增加石灰或水泥使其改性，并做好 反滤；对于膨胀性土要求在一定范围内，其临界压力值附近，采用非膨胀性土以 保持其足够的压强；云南云龙工程，心墙土料为多种土体团粒结构，干密度差别 大，最优含水量相差也很大，采用混合使用方法较好地解决了问题；黄土类土通 过加强压实功能，在黄河小浪底工程斜心墙中成功应用；鲁布革工程采用风化土 料心墙坝，拓宽了防渗土料种类的范围。 对于高土石坝而言，其对防渗体材料的要求的侧重点与低坝不同，防渗体裂 缝及随后的渗流冲刷是影响安全的重要因素 6 8 】。心墙防渗土料通常选择具有低压 缩变形的土料，以缩小防渗体与坝壳料的变形差，有效降低坝壳对心墙的拱效应， 减少其发生裂缝的可能性。砾石土、风化岩等宽级配土料由于具有压实性能好、 压缩性低、裂缝自愈能力强等优点而在国外堆石坝中得到较多地使用。世界2 0 0 m 以上的高土石坝的防渗土料几乎都采用宽级配土料。目前，我国的土石坝防渗体 也已从过去单一的粘性土发展至风化料、砾质土、掺砾料，但能否做高土石坝的 防渗体，其抗渗性能及渗流稳定是关键性问题之一。 1 2 2 混凝土面板防渗体【7 2 】 7 3 1 f 4 混凝土面板堆石坝是以堆石为主体材料、以混凝土面板作为防渗体的一种土 石坝型。一般认为堆石坝是在1 8 7 0 年发源于美国，当时用的是抛填堆石，以木 面板、钢面板等防渗，到1 9 0 0 年混凝土面板堆石坝已成为一种典型的堆石坝。 1 9 3 1 年建成的美国盐泉( s a l ts p r i n g ) 坝( 高1 0 0 m ) 以及当时较高的迪克斯河( d i x r i v e r ) 坝，都出现了因变形过大使面板破坏和大量渗漏的事故，因而面板坝在 4 0 5 0 年代出现了个停滞时期。1 9 5 8 年英国的库契( q u o i c h ) 坝首次引入振动碾 压实坝体堆石，开始了由抛填堆石向碾压堆石的过渡，到1 9 6 5 年完成了向碾压 2 第一章绪论 堆石的过渡，标志着混凝土面板堆石坝开始进入现代阶段。1 9 7 1 年建成的澳大 利亚的塞沙那( c 劬a n a ) 坝( 高1 1 0 m ) ，奠定了现代混凝土面板堆石坝的技术基础。 经过1 9 8 0 年建成的巴西阿里亚( f o z y d o a r e i a ) 坝( 高1 6 0 r e ) ，1 9 8 5 年建成的哥仑 比亚萨尔瓦兴娜( s a l v a j i n a ) 坝( 高1 4 8 m ) ，到1 9 9 3 年建成的墨西哥阿瓜米尔巴 ( a g u a i i l i l p o 坝( 高1 8 7 m ) ，设计和施工技术日益成熟，坝高和工程规模也日益 增大，发展成为一种富有竞争力的新坝型。中国以现代技术建设混凝土面板堆石 坝，始于1 9 8 5 年，第一座开工建设的是湖北西北口水库大坝( 高9 5 m ) ，而第一 座完工的是辽宁关门山水库大坝( 高5 8 5 m ) 。到1 9 9 8 年底，据不完全统计，已 建成混凝土面板堆石坝3 9 座，最高的是2 0 0 0 年建成的天生桥一级水电站大坝， 高1 7 8 m ；在建混凝土面板堆石坝3 5 座，最高的是湖北水布垭水电站大坝，高 2 3 2 m 。 混凝土面板堆石坝具有工程量小、便于检修、施工干扰小、不受气候影响等 优点，也有面板对基础沉降敏感( 易导致裂缝漏水) 、抗震性差等弱点。使用混 凝土面板堆石坝的核心是保证面板少出现甚至不出现裂缝，特别是贯穿性裂缝， 还要尽可能减少缝间渗漏。 混凝土面板堆石坝的防渗体系由地基灌浆帷幕或混凝土防渗墙、混凝土趾 板、混凝土面板及各种接缝止水所组成。坝体防渗体主要为混凝土面板，有整体 式、分离式和条块式等几种。面板混凝土需具有较高的抗渗性能、抗冻性和耐久 性，并有一定的强度要求，以保证防渗的可靠性。 混凝土面板的最大弱点是易于产生裂缝，裂缝产生的原因有碓石体在自重和 水压力作用下的变形、温度和干缩等。防裂措旋可归结为提高其自身抗裂能力和 尽量减少引发的破坏力的因素，并做好裂缝的及时处理。 混凝土面板与趾板连接部位的周边缝、面板条块问的垂直缝，以及各种水平 缝，都是防渗系统中的薄弱环节。高面板堆石坝的主要问题是坝体变形引起周边 缝张开、面板断裂而导致渗流量过大或坝体砂砾料的冲蚀等，这些问题的研究目 前已经有一些成果，并付诸初步实践验证。 1 _ 2 3 沥青混凝土防渗体p 3 】 7 5 【7 6 】 沥青混凝土应用于水利工程主要是因其良好的防渗性能和变形性能。作为 大坝的防渗体，其主要应用于大坝面板和大坝心墙。全世界目前己建成的沥青混 凝土面板坝有2 0 0 多座、心墙坝有7 0 多座。我国沥青混凝土防渗技术起步较晚， 河海大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代，建成了甘肃党河水库沥青混凝土心墙砂砾石坝、吉林白河沥青 混凝土心墙坝等，此后又建成了辽宁碧流河水库和湖北车坝水库以及近几年建成 的三峡茅坪溪沥青混凝土心墙坝等工程。施工机械是水工沥青混凝土技术发展的 关键，高度的机械化施工决定了防渗体施工的高质量、高速度和高效率。 沥青混凝土防渗面板结构有两种，一种称为简式结构或单防渗层结构，另一 种称为复式结构或三明治式防渗结构。简式结构由一层防渗层和一层整平胶结层 组成。复式结构有两层防渗层，是在特殊工程条件下采用的一种结构型式，其构 造特点是：排水层可排出第一层防渗层的渗漏水，当第一层遭到破坏时，第二层 防渗层承担防渗任务。沥青混凝土面板与混凝土面板相比有很多优点，特别是抗 裂性能较好尤为工程界所青睐。沥青混凝土施工工艺技术和沥青混凝土施工设备 技术等方面存在的诸如沥青混凝土的环境问题、沥青混凝土面板的斜坡稳定性问 题、沥青混凝土面板的低温抗裂问题和沥青混凝土面板的机械化施工问题正在逐 步得到解决。 沥青混凝土心墙坝和面板坝比较，各具优势和特点。从目前发展趋势看，全 世界沥青混凝土心墙已建工程不多，但坝高有上升趋势。心墙结构设计是坝体设 计的一个组成部分。心墙结构设计包括心墙的布置、心墙厚度确定、周边接头结 构、过渡层结构等内容。浇筑式沥青混凝土与碾压式沥青混凝土相比，具有较高 的密实度、不透水性和耐久性，能适应较大的变形，并具有裂缝自愈能力，作为 土石坝防渗体是安全可靠的。 1 2 4 + - r n 防渗体3 】 4 】 土石坝防渗所用的土工合成材料主要有土工膜或复合土工膜。它可铺设于坝 体上游坝面作斜墙，也可铺设于坝体中部作心墙。它具有重量轻、运输量小、铺 设方便、节省造价、缩短工期等优点，也有易在施工中破损、易被坝体尖石刺破 等防渗和安全方面的问题。 土工膜与土工织物是近几十年发展起来的新型建筑材料，土工膜具有很好的 不透水性，用于渠道防渗己有四十多年的历史，大规模用于土石坝防渗是近1 0 多年的事，历史不长，但已显示出投资少、施工便利、工期短等优越性，尤其是 我国在“9 8 大洪水”以后得到了更为广泛的认识 4 j 。 目前广泛采用的土工膜，主要是由包括塑料和合成橡胶两大类聚合物材料制 成的膜或片。这些膜片可以用合成纤维或织物加筋，以增加其抗拉抗刺强度，还 4 第一章绪论 可以把这些膜与织物热压或胶粘在一起成为组合膜，织物起到加筋及保护作用， 使膜不与颗粒材料接触，若膜一旦被刺破，织物还可防止膜的破绽扩大并起到限 制渗流的作用。土工膜渗透系数为1 1 0 。1 1 1 0 。1 2 a m 3 s ，是理想的防渗材料， 作为土石坝的防渗体是较好的选择之一。 1 ) 土工膜防渗土石坝国外应用状况 目前，世界上最高的土工膜防渗堆石坝是西班牙1 9 8 4 年建成的p o z ad el o s r a m o s 坝，坝高9 7 m ，上游坝面为8 m 厚的砌石，坝坡城率为l ：1 3 0 。砌石表面 用混凝土和砂浆抹平，然后铺聚氯乙稀膜，下半部膜厚2 m m ，上半部膜厚l m m 。 在聚氯乙稀面上涂布沥青作保护层，在其上铺钢筋网喷混凝土作为上游护坡，以 抵御波浪冲刷，防止紫外线照射和风雨浸蚀。此坝运行良好，现己加高至1 3 4 m 。 葡萄牙于1 9 5 5 年建成的帕尔德拉饵a r a d e l a ) 混凝土面板堆石坝，高1 1 0 m ， 由于用抛投法施工填筑，位移值很大，以致混凝土面板拉裂挤碎，漏水1 3 m 3 s 。 1 9 8 1 年水库放空，在1 ：1 3 的上游坡面板上铺设了7 2 8 4 2 m 2 的含沥青的合成橡胶。 铺设时，由坝顶上的卷扬机牵引一种小型刷贴机在坝面上缓缓向上拖行，合成橡 胶膜卷被打开，并刷人造胶及乳化沥青混合液。将膜粘贴在混凝土面板上，膜之 间有1 0 c m 宽的粘接边。为防止臭氧破坏和紫外线照射老化，在坝顶以下2 5 m 的 水位升降变动区内，橡胶膜面涂了油漆，不再用其它材料保护。修复工作在三个 月内完成，只花费8 0 万美元。修补效果很好，漏水只有1 5 1 l s ，从此该坝与水 库能够正常运行。 法国从1 9 6 8 年1 9 9 0 年修建了1 7 座坝高1 0 - 2 8 m 的土工膜防渗堆石坝，如 c o d o l e ，商2 8 m ；o s p e d a l e ，高2 6 m ； m a sd a r m a n d ，高2 l m ；n e f i s ，高1 8 m ； l al a n d e c h i t e l e t ，高1 7 m 等。这些坝有的是用坚硬砂岩、玄武岩碎石块石填筑的， 用小型振动碾压实，上游面用粒径2 5 5 0 m m 卵石铺平，并浇沥青抹平，铺组合 土工膜，上面浇筑1 4 c m 厚钢筋网混凝土或铺预制混凝土板护坡，上游坝坡为l ：1 7 左右。若上游用堆石护坡或是干砌石护坡，则坝坡为1 ：2 5 左右。组合土工膜两 面是2 0 0 3 0 0 9 m 2 土工织物，与中间厚2 m m 聚氯乙稀膜或厚1 - 1 5 m m 氯丁橡胶 膜热压或粘接在一起。有的坝用页岩或风化玄武岩填筑，用2 ，5 t 小型振动碾或压 路机压实，在加筋沥青土工膜( 无土工织物) 上下两面用页岩碎粒保护，再在上游 坝面设抛石护坡，坝坡为l ：2 5 1 ：3 0 。 苏联在1 9 7 0 年建成的阿特巴申坝，是土工膜中央防渗的砂卵石坝，高7 9 m ， 5 河海大学硕士学位论文 坝坡1 ：2 5 ，采用不排干基坑深水筑坝的施工方法，上下游坝趾为抛石戗堤，截 流后上下游间基坑水深3 0 r n ，在其间抛填砂卵石，在中央部位抛填较粗颗粒砂卵 砾石以便灌浆。抛填至水面后，在坝轴线部位建混凝土廊道，在廊道内进行砂卵 砾石水泥灌浆，以上坝体采用普通干地施工方法填筑砂卵石。在廊道顶部中央部 位向上铺设3 层厚o 6 m m 的聚乙稀膜，随着砂卵砾石坝体同步向上升高，3 层膜 铺成松驰折皱状，直至坝顶。膜的上下游填筑厚l m 的粗砂作为过渡层，以免卵 石顶破土工膜。此坝已正常运行3 1 年，左岸山边有些漏水，是膜与岸坡连接有 些缺陷所致。坝高3 0 0 m ，其围堰是上游坝体的一部分，高1 2 5 m ，其上部5 0 m 用土工膜防渗。至1 9 8 8 年，苏联已建成土工膜防渗土石坝1 5 0 座，多数采用聚 乙稀膜，少数采用聚异丁烯橡胶膜。 2 ) 土工膜防渗土石坝国内应用状况 我国于1 9 6 6 年首先将土工膜用于混凝土坝的防渗。八十年代以来，我国应 用土工膜于水坝、煤灰坝、尾矿坝飞速发展，己有1 0 0 多项工程采用，包括新建 的土石坝、危险土石坝除险加固、库盆防渗、上游铺盖防渗、施工围堰等。 广西柳州田村土石坝，高4 8 m ，是我国8 0 年代所建最高的土工膜防渗土石 坝，心墙用土工膜防渗，用土工织物作反滤，1 9 9 0 年建成蓄水，运行情况令人 满意。该坝原设计为粘土心墙堆石坝，心墙上下游面用土工织物作为反滤，因当 地多雨，粘土含水量高，填筑困难，不能保证汛期防洪，当填至1 0 m 高时，上 部心墙改填溢洪道开挖的粉砂岩风化料，料源颗料级配不均匀，渗透系数自1x 1 0 - 3 c m 3 s 5x 1 0 。5 c m 3 s ，故在风化料心墙的上游面铺设土工膜防渗。膜的底端埋 设在粘土内，两边在岩石岸坡开挖锚固槽，深o 8 m ，底宽1 o m 将土工膜浇筑在 槽内的混凝土中。该坝铺设土工膜7 0 0 0 m 2 ，土工织物1 4 6 3 4 m 2 ，节省直接工程 费3 3 5 万元，占大坝工程费的1 4 ，缩短工期一年。 辽宁省黑河土坝，高1 5 5 m ，坝顶长2 2 0 m ，坝基砂卵石覆盖层厚3 - 5 m 。基 岩为花岗片麻岩，用绵纶织物两面涂聚乙稀的土工膜作为坝的中央防渗膜，底部 覆盖层开挖截水槽，并在基岩开挖深0 8 m 、宽o 5 m 浇筑混凝土的锚固槽，将土 工膜埋设在混凝土内。坝体填筑用溢洪道开挖出的石碴，与土工膜接触的上下游 各1 m 的范围填砾质砂作过渡料以保护土工膜。土工膜接缝用l b g l i 胶粘剂粘 接，搭接l o e m 。土工膜造价为粘土心墙造价的1 3 。 浙江省小岭头堆石坝，高3 6 m ，上下游坝坡1 ：1 3 。堆石的上游面填筑小粒 6 第一章绪论 径堆石过渡层，水平厚3 m ，以及粒径为1 l o o m m 的碎石垫层，水平厚1 o m ， 再浇筑6 c m 的无砂混凝土，然后铺设组合土工膜。该膜用o 5 m m 厚的聚氯乙稀 膜与2 5 0 9 m 2 及4 0 0 9 m 2 土工织物热压而成。组合土工膜表面铺10 c m 厚预制混 凝土板护坡。上游坝趾部位挖槽达强风化岩底板，浇筑混凝土墙，土工膜锚固于 混凝土内。 青海省黑山水库副坝高l o m ，坝基为砂砾石覆盖的古河道，砂砾石厚8 0 m 。 坝体为砂砾石填筑，上游坡1 ：2 5 ，下游坡1 ：2 2 5 。上游坝面铺土工膜防渗，膜上 铺粗砂，再铺厚8 c m 、尺寸为7 5 7 5 c m 正方形的预制混凝土板护坡，各板之间 有钢筋串联。水平铺盖亦用土工膜，长度为1 0 倍水头，膜上铺各厚2 0 c m 的壤 土与弃土保护。原设计采用锦纶丝布加筋氯丁橡胶，后因工厂缺货，改用再生橡 胶膜，强度与延伸率较低，该坝于是1 9 9 1 年蓄水，土工膜不漏水，但古河道冲 积层漏水，出水点在副坝坝脚下游2 0 0 m 。 云南省李家菁土坝，为砂质壤土均质坝。1 9 5 6 年始建，未碾压密实，严重 漏水，l9 8 7 年进行防渗处理并加高至3 5 m ，上游坝坡1 ：3 0 ，铺设土工膜防渗， 表面用预制混凝土板护坡。组合土工膜由厚0 1 5 m m 的聚乙烯膜两面热压 4 0 0 9 m 2 ( 厚3 5 m m ) 的涤纶土工织物而成。接缝由手工缝合，再涂刷沥青玛脂防漏。 坝上游趾砂卵石地基及周边岸坡开挖截水槽，回填粘土并将土工膜埋设其中。下 游趾贴坡堆石排水的内侧铺土工织物反滤。共铺设土工膜1 7 0 0 0 m 2 ，土工织物反 滤3 0 0 0 m 2 ，比粘土心墙方案节省造价2 5 ，运行后未见漏水。 浙江省源口土石坝，坝高2 6 m ，为“照谷社型”溢流土石坝，白1 9 7 9 年建 成后长期漏水。1 9 8 6 年，在溢流坝段的上游坝面铺设厚3 m m 的锦纶帆布氯丁橡 胶膜，拼缝搭接4 c m ，用1 0 1 胶与氯丁胶粘接，非溢流坝段铺设1 5 m m 的聚氯 乙烯膜，拼缝用塑料热焊机和聚乙烯焊条熔焊，膜上铺厚6 c m 的预制混凝土板 作为护坡。上游坝坡坡率l ：2 ，用粘性土填筑。坝坡上每隔1 0 - - 1 5 m 设深8 0 c m 、 宽6 0 c m 抗滑槽，土工膜铺在槽内，用粘性土回填夯实。在坝的上游趾及周边， 土工膜埋置在5 0 c m x 6 0 c m 的混凝土座内。此后，该坝运行正常。 福建省水口水电站的导流方式与三峡工相似，其二期上下游主围堰基础覆盖 层厚2 4 m ，采用混凝土防渗墙防渗，上部用土工膜作中央防渗体，两边堰体为石 碴和堆石，由覆盖层表面算起，上游围堰高4 2 6 m ，下游围堰高2 6 ，2 m 。土工膜 心墙施工与堆石填筑干扰少，且工程量小，经济合理。共铺设土工膜3 1 0 0 0 m 2 。 7 河海大学硕士学位论文 上游围堰采用主膜厚o 8 m m 、两面热压针刺土工织物的组合土工膜，下游围堰采 用主膜厚o 1 6 m m 、两面热压土工织物的组合土工膜。该主围堰已于1 9 9 0 年完成， 起到了挡水导流作用，效果极佳，节省造价1 0 2 万元。 长江三峡水利枢纽的一期、二期围堰均采用土工膜作为放渗体，表现出较高 的技术经济指标。 1 3 土石坝及膜防渗系统存在的问题 1 3 1 土石坝存在的问题 虽然土石坝存在着诸多的优点，但是坝体出现不均匀沉陷裂缝、产生集中渗 流一直是土石坝建设中可能要面对的问题 7 8 。与此同时，高土石坝的设计质量、 安全可靠性及其诸如防渗、粘土心墙的拱效应等，是工程界担心较多的问题，也 是高土石坝发展不可回避的问题之一。 1 3 2 坝体防渗膜结构问题 据了解，目前土工膜用于土石坝的防渗常进行的研究有透水性、渗漏量、防 渗层与坝体间的作用及稳定性、土工膜厚度的计算，这些方面的研究与计算基本 已经有试验数据支持、定性的认识或准定量的公式可依：而对防渗土工膜本身的 结构方面虽然有足够的重视，但研究却很少。 1 ) 施工缺陷 土工膜的施工缺陷出现的偶然性大，不易发现。主要包括接缝焊接缺陷、施 工搬运损坏缺陷、施工机械工具破坏缺陷、因基础不均匀沉降被撕裂缺陷和水压 局部穿刺缺陷，前三项为施工缺陷，后两项为设计欠合理引起。国外实验资料显 示，施工缺陷约每4 0 0 0 m 2 出现一个嘲，孔的尺寸据施工条件的不同在1 l o m m 范围内。缺陷土工膜若未经及时处理，将是坝体内的薄弱环节，对坝体防渗不利。 2 ) 受力破坏 防渗膜常见的受力破坏有局部刺破与撕裂，处理方法为：局部刺破通过提高 施工质量、加强接触层的平整性来减弱；局部撕裂成因有二，一是由局部沉陷引 起土工膜受拉，二是在构造部位因相对位移较大导致，如锚固处。局部沉陷可用 减小沉陷和加厚土工膜方法来解决，构造缺陷一般只作经验处理，使土工膜的撕 裂问题在局部位置成为安全隐患。 第一章绪论 3 ) 联合防渗 土工膜与粘土心墙综合防渗已经被一些工程采用，如广西的田村土石坝、云 南的毛家村土石坝、四川省竹寿水库大坝工程等，这些工程的特点是当地心墙料 不足或质量较差，与膜组合防渗可增加其安全性，或者是已建工程的防渗系统失 效，用土工膜与已建心墙联合防渗，较为节省开支。工程的建造多凭经验，在设 计计算上仍无据可依。 1 4 本文所做的主要工作 针对土工膜防渗土石坝发展存在的问题，本文从土工膜结构方面，用数值模 拟方法对膜防渗系统进行探讨研究，主要做了以下几方面的工作： 1 ) 从结构受力方面对坝面防渗膜进行分析，重点研究锚固处的“夹具效应” 现象及锚固方式对其的影响问题。 2 ) 对土工膜与粘土心墙联合防渗的结构作力学与渗流方面的分析，以瀑布 沟大坝的简化模型为例用f l a c 3 d 加以模拟，主要研究了以下三个方面的内容： a ) 心墙前加膜与不加膜对心墙“拱效应”的改善； b ) 心墙前置膜的缺陷对防渗效果的影响； c ) 心墙前置膜的“夹具效应”现象的验证： 3 ) 模拟的过程中，应用对f l a c 3 d 进行简单二次开发的自编( 邓肯一张) 模 型和软件中摩尔库仑模型( m o l a r ) 分别进行计算对比分析，为软件应用资料提 供的邓肯一张参数添加一个外挂小程序块。 1 5 本章小结 土石坝是一种有竞争力的坝体，土工膜是一种优质、经济的防渗材料，本章 节主要从土石坝的发展历史、目前所有防渗技术的类别，特别是国内外土工膜防 渗土石坝的应用概况入手，分析了近几十年来土石坝高速发展的原因及其存在的 问题。土石坝及防渗膜在结构与防渗上存在一些难以解决的问题，解决了这些问 题必将带来不可估量的理论、经济和社会效益。本文将对高土石坝膜防渗系统中 膜的“夹具效应”、缺陷膜防渗及结构问题作浅显研究。 9 河海大学硕士学位论文 第二章土石坝膜防渗结构设计 土工膜在土石坝中的防渗布置型式主要有三种，一种是铺设在坝体的上游面 包括库盘防渗；种为铺设在坝体的中央，作为防渗心墙使用；另一种是铺设在 坝体中央与坝面之间作为斜心墙。坝面防渗主要应用于坝高较低的土石坝及平原 水库的围坝，采用一坡到底的薄层平铺型防渗结构。心墙与斜心墙型防渗结构多 用于坝高超过4 0 6 0 r e 的新建工程，坝体构造上应采用有支持体的防渗结构或多 层土工膜防渗结构，以确保工程防渗性能h j 。在高坝中，坝体本身的位移较大， 防渗层结构容易受损，且渗流破坏的后果较严重，因此需要对其防渗层结构进行 专门的研究。 2 1 土工膜防渗结构的组成5 】【8 】 7 7 】 在般土工膜防渗土石坝工程中，土工膜防渗结构由土工膜( 薄膜层) 、支 持层( 支撑层) 和膜上保护层等三部分组成。 2 1 1 薄膜层( 土工膜层) 土工膜层是防渗结构的主体，应满足施工和运行期间承受的应力要求，以确 保有良好的防渗效果。土工膜的防渗效果与膜的强度和厚度有关。膜的厚度需根 据设计应力来选择，它还与支持层的材质和形状有关。土工膜的可能受力有：施 工应力、地基不均匀沉降引起的应力、局部沉陷引起的应力等：砂质土支持层的 粒径越大和有棱角，所需膜的厚度越大。如采用复合土工膜的防渗结构，膜上过 渡层与膜后支持层皆可简化。 2 1 2 支持层 支持层位于土工膜的下方，它的组成与其下卧层的具体条件、工程类别和使 用条件有关。支持层的作用是使土工膜受力均匀，免受局部集中应力的损坏。 堆石坝应用土工膜防渗时，支持层位于堆石上，一般由垫层和过渡层组成， 它可用传统的砂石反滤结构，也可用土工织物与砂石的混合结构。 普通土石坝，支持层位于壤土、砂壤土坝坡面上，需用土工织物作为支持层， 以保证排水，也可用复合土工膜代替土工膜。 2 1 3 膜上保护层 膜上保护层的作用是防御波浪淘刷、风沙吹蚀、人畜破坏、冰冻损坏、紫外 1 0 第二章土石坝膜防渗结构设计 线辐射以及膜下水压力的顶托等。 膜上保护层一般由面层和垫层组成。 常用面层类型有：预制混凝土板、现浇混凝土板、钢筋网或铁丝网混凝土板、 干砌块石、浆砌块石等。 垫层需依据面层和土工膜的类型来选择。 预制混凝土板面层若铺在复合土工膜的土工织物上，则可不设垫层。若铺在 单土工膜上，则需先喷沥青砂胶、或浇筑薄层( 厚约4 c m ) 无砂混凝土作为垫层。 预制混凝土板的厚度需在1 2 c m 以上以防止土工膜老化。 现浇混凝土板或钢筋混凝土板面层若铺在复合土工膜的土工织物上浇筑，也 可不设垫层。若铺在单土工膜上，需先浇筑5 c m 左右薄层细砾无砂混凝土作垫 层。现浇混凝土板的厚度不得小于1 5 c m 。 干砌块石面层若铺在复合土工膜上，需先在复合土工膜的土工织物上铺粒径 4 7 c m 、厚度1 0 1 5 c m 的碎石作垫层。若铺在单土工膜上，则需浇厚约8 c m 的细砾无砂水泥混凝土或细砾无砂沥青混凝土作垫层。 浆砌块石面层若铺在复合土工膜的土工织物上需先铺粒径小于2 c m 、厚约 5 c m 的碎石作垫层。若铺在单膜上，则需先铺筑厚约5 c m 的细砾混凝土作垫层。 2 2 土工膜防渗结构层与坝体的作用 6 】 8 t 7 7 】 土工膜质地柔软，作为土石坝的防渗体主要依赖两侧坝体对它的支撑，在水 压力的作用下，几乎将全部承受的力传递给支撑的那部分坝体。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。 2 2 1 心墙式土工膜防渗 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，膜 体上下游坝体将同时产生变形，且大致相同，土工膜随坝体沉陷呈卷曲状态，产 生相对位移的可能性很小，膜体不产生拉伸变形。在坝体有水平位移时，由于土 工膜防渗体为整体结构，在随坝体位移时作拉伸变形，因膜体具有一定强度，对 坝体的位移产生一定的抑制作用。但在边界锚固处，易被拉坏即产生“夹具效应”。 2 - 2 _ 2 斜墙式土工膜防渗 斜墙式防渗主要特点在于土工膜两侧材料性质和支撑条件的不同。无论坝体 河海大学硕士学位论文 产生竖向沉降或水平位移，土工膜均随坝体位移而产生拉伸变形，薄膜的这些变 形将由抗拉强度来抵抗，同时，土工膜的抗拉强度也抑制坝体的变形。“夹具效 应”在斜墙式防渗中也是存在的，但由于膜在竖直方向上的长度相对心墙式较长， 故应该不如心墙式明显。 2 3 普通土石坝膜防渗结构的设计计算 2 3 1 土工膜厚度的确定7 】 6 l 【8 】【7 7 】 土工膜的厚度确定主要依据防渗和强度这两方面的要求。加厚土工膜可以有 效地减少渗透量，同时可以防止膜被刺穿而漏水。膜在水压力下被刺穿是建立计 算膜厚度模型的一个重要依据。 膜在水压力下被刺破形成两种计算厚度的模型，一种是土工膜铺在粗粒土表 面，在水压力作用下有一个嵌入作用，原来相对平直的土工膜下陷在粗粒土的孑l 隙中，土工膜受拉达到一定的程度后，拉应力超过断裂强度，土工膜便被拉破； 另一种是土工膜旌工前都要求平整地面，对缝和洞的空隙都应充填，但如充填物 质受水压力或水流的作用下陷开裂使得土工膜在局部地点下沉，并承受拉力，严 重时也可能拉破土工膜。这两种模型均可看作是四边支持弹性薄膜承受均匀水压 力的弹性理论问题。根据这一理论，可以得到一系列公式，表2 1 所示的几个公 式为比较常用的经验公式。我国水利部规范推荐用薄膜理论公式。 表2 1 土工膜厚度计算经验公式 计算公式( k n m ) 公式名备注 s s = 1 5 正方形孔 薄膜理论公 t ：o 1 2 2 p a l ； t = 0 3 1 5 p d 边长 式( 1 9 9 2 ) a = 0 2 d r ：鱼f2 h + 旦1 j p 8lb 2 h g i r o u d 公式 t z0 3 1 6 尸b 圆孔直径 ( 1 9 8 1 ) 气1 ( 2 h 廿汕瘾一 b - - 0 4 d d 取最粗 苏联经验公 t 0 0 1 2 3 p ：d t 0 3 1 6 p b 粒级的最 式( 1 9 8 7 ) 、，s 小粒径 注：t ：张应力：p ：水压力：d ：土粒直径；h ：挠度，m ：s ：膜的拉应变 1 2 第二章土石坝膜防渗结构设计 2 3 2 土工膜防渗结构的渗透计算 1 ) 膜体渗透水量计算刚5 】【7 7 】 土石坝用土工膜作防渗层，其渗透水量包括两部分，一部分是由于土工膜的 渗透性而产生的渗透量，即土工膜的渗透量；另一部分是由于土工膜的缺陷产生 的渗透量，即缺陷渗透量。 土工膜的渗透量沿用达西定律得到计算公式2 1 。 q e = k g i a = 等a ( 2 1 ) 1 9 式中 q g 土工膜的渗漏量，m 3 s ； 。土工膜的渗透系数，m s ； f 水力梯度； 日土工膜上、下的水头差，m ； 4 土工膜的渗透面积，m 2 ； 疋土工膜的厚度，m 。 土工膜的缺陷渗漏量的计算有两种情况，一种情况是孔眼的孔径明显小于土 工膜厚度，称为针孔，计算时将针孔视为小管，利用泊谡叶( p o i s e u i l l e ) 公式计 算流量( 公式2 2 ) ；另一种情况是孔洞明显大于土工膜厚度的孑l 眼，称为孔洞， 利用孔口出流的伯努利方程计算流量( 公式2 3 ) 。 q = n t 。g i l d 4 ( 1 2 8 q 8 )( 2 2 ) p = 口2 9 h ( 2 3 ) 式中日水深，1 1 1 ； 占土工膜的厚度，m ； 水的容重，k n m 3 ； g 重力加速度，9 8 1 m s 2 ； d 土工膜针孔直径，m ； 野水的动力粘滞系数，k n m s ； 流量系数，对锐缘孔口可取0 6 0 6 5 ； 1 1 河海大学硕士学位论文 口每平方米土工膜面积上的大洞面积，m