（水工结构工程专业论文）透水地基上土工膜前置防渗土石坝数值分析.pdf

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。 土工膜防渗土石坝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。 土工膜在我国的发展十分迅速，使用日益广泛，迄今为止几乎已渗透到水利 工程的各个领域。特别是对于蓄水深度不大的丘陵水库、平原水库，以及病险库 水库的渗漏防治更是一种效果好、施工速度快、费用低的方法。但在土工膜应用 的技术中也存在一些技术难题急需解决。目前国内有关大坝( 主要为土石坝) 土 工膜防渗设计的规范不够具体，而有关大坝土工膜施工还没有专门的规程。 本文结合工程实例从土工膜结构方面出发，用f l a c 3 d 对主要对土工膜斜墙 坝进行数值模拟分析，主要做了以下几方面的工作： 1 ) 主要对土工膜斜墙防渗结构及土工膜周边锚固部位作力学方面的分析， 以黄河西霞院斜墙坝的三维模型为例，用f l a c 3 d 软件加以模拟，在计算时主要 考虑了以下三种情况： a ) 坝体内不计入土工膜； b ) 坝体内计入土工膜但不计入土工膜与坝体之间的接触效应； c ) 坝体内计入土工膜并计入土工膜与坝体之间的接触效应。 首先对以上三种情况下的计算结果进行对比分析，得出了是否计入土工膜、 是否计入膜土间接触面对坝体和土工膜的变形、应力产生的影响，其次对土石坝 与混凝土闸坝连接部位的进行整体结构数值分析，评估该连接部位以及与混凝土 防渗墙连接部位的位移变形安全。 2 ) 介绍了土工膜的锚着技术，通过对西霞院防渗土工膜的锚固设计分析和 渗透试验，评估现有设计参数的合理性。 关键词：土石坝；土工膜；f l a c 3 d 模拟；应力应变；锚固；渗透试验 a b s t r a c t e 甜hd 锄d e v e l o p e da tt o ps p e e d d u r i n gt h ep 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 ) r 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 g e o m e m b r a n ei sa ni d e a li m p e n i l e a b l em a t e r i a lb e c a u s eo fi t sh i g hm e c h a n i c a l s t r e n 酵h a n dg o o da n t i - s e e p a g e p r o p e r t y a - tp r e s e n t ，g e o m e m b r a n ei sr a p i d l y d e v e l o p i n gi nc h i n aa n dw i d e l yu s e di nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l yt ot h eh i l l r e s e r v o i ra j l dp l a i nr e s e r v o i r i ti sa l s oa j le 币c i e n t ，f a s t c o n s t m c t e da n de c o n o m i c a l m a t e r i a l t or e p a i rr e s e o i rs e e p a g e b u ti np r o 口e s so f 印p l i c a t i o nt h e r ea r es t i l ls o m e t e c h n i c a lp r o b l e m s t h i sa r t i c l eb a s e so nt h ef a c ta n ds t u d i e sf 如mg e o m e m b r a l l o u ss t m c t u r e sw i t h i n t e 伊a t e sc a s e ， a n du s e sf l a c 3 daf i n i t ed i 脏r e n c es o r 、a r et od on u m e r i c a l s i m u l a t i o n so fs t r e s si nm ed 锄t h ep r i m a r yc o v e r a g eo ft h es i m u l a t i o n si sa s f o l l o w s f i r s t l y ，t a k et h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fx i x i a y u a np r o j e c ta sa ne x 锄p l e ， u s e sf l a c 3 dt o a i l a l y s e st h em e c h a n i c so ft h ei m p e n r i o u ss y s t e mw i t h g e o m e m b r a n e ，a n a l y s e st h es t m c t u r a ls t r e s s e so fd 锄f a c eg e o m e m b r a n e s c o m p a r e t h r e ed i f r ：r e n ts t r e s ss t a t e sa sf o l l o w ： 1w i t h o u tg e o m e m b r a n ei nt h ei l a m 2w i t l lg e o m e m b r a n ei nt h ed 锄a n dw i t h o u ti n t e r f a c eb e t 、v e e ng e o m e m b r a j l e a n dt h ec u s h i o n 3 州t hg e o m e m b 姗ei nt l l ed a ma n dw i t hi n t e r | a c eb e t 、v e e ng e o m e m b 舢ea n d t h ec u s h i o n c o m p 撕n ga n da n a l y z i n gt h er e s u l t sw ec a nk n o wt h a tt h eg e o m e m b r a n e sa n d i n t e r f a c e sh a v es o m ee f | f b c to nt h es t r e s sa 1 1 d d i s p l a c e m e n to ft h ed 锄a n dt h e n a n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h ec o n n e c t i o np 甜o ft h ee a n hd 锄a n dt h ec o n c r e t ed 锄 w ec a ne v a l u a t et h es a f - e 够o fd i s p l a c e m e n ti nt h ec o n n e c t i o np a r to ft h ee a r t hd 锄 a n dt h ec o n c r e t ed 锄 s e c o n d l y ，m o s t l ys t u d i e st h et e c h n o l o g yo ft h ea n c h o r ，a n de v a l u a t et h e i i r e a s o n 2 【b l eo ft h ed e s i g np a r 锄e t e rb ya n a l y z i n gt h ed e s i g np a r 锄e t e ra n dm a k i n ga p e 肌e a t et r ) ， k e yw o r d s ： e a n hd 锄；g e o m e m b r a n e ；f l a c 3 dp r o g r 锄；s t r e s sa u l ds t m i n ；a n c h o r ； p e m l e a t et r y 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。 l0l 论文作者( 签名) ： 二j 三乙刍2 0 0 8 年 月严日 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) ：2 。8 年且日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 土石坝的发展进程及趋势 1 1 1 土石坝的发展概况 土石坝泛指由当地土料、石料或土石混合料经过抛填、碾压等方法堆筑成的 挡水坝。当坝体材料以当地土料和砂、砂砾、卵砾为主时称土坝，以石渣、卵石、 爆破石料为主时称堆石坝，当两类当地材料均占相当比例时称土石混合坝。 土石坝是最古老的坝型之一，中国、中东、印度和斯里兰卡等国家都有建造 土石坝的悠久历史。到了现代，随着岩土力学理论、计算技术的进步，大型施工 机械和施工技术的发展，土石坝有了惊人的发展。至1 9 世纪已经具有较高的水 平，最大高度达5 0 m ，近代的土石坝筑坝技术自2 0 世纪5 0 6 0 年代以后得到发 展，并促成了一批高坝的建设。特别是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，高度不断增高。 据1 9 8 1 年统计：在2 5 座坝高超过2 0 0 的大坝中，有9 座是土石坝；在2 5 座库容超过3 5 4 亿m 3 的水库中，有1 6 座是土石坝；在8 6 座装机容量大于1 0 0 万k w 的水电站中，有5 9 座是土石坝。这说明土石坝在坝工建设中所占的比重 越来越大。目前，在美国等发达国家，已建土石坝几乎是混凝土坝的1 0 0 倍，在 我国现有大坝8 7 万多座其中9 0 以上也是土石坝。 土石坝被广泛采用并不断发展，得益于它的以下优点： 1 ) 土石坝大多材料就地选取，有利于挖填平衡和节约资金。 2 ) 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。 3 ) 大型施工机械的发展使施工机械化，施工中配合采用新的工艺流程，可 提高施工效率和质量。 4 ) 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。 河海大学硕七学位论文 5 ) 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。 6 ) 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( 如坝体临时断面漫洪导流、高围堰导流等) 己得到较好解决。 7 ) 抗震性能较好。 8 ) 按现代技术精心设计，严格施工的土石坝，安全可靠，而且寿命长久， 运行费用低廉，通常只有护坡需要维修。 9 ) 经济效益好。在同等条件下，土石坝的坝体方量虽然比混凝土重力坝大 4 6 倍，但其单价仅为混凝土的1 5 1 2 0 ，虽然土石坝工程的泄洪、导流、发电 等建筑物的工程量一般比混凝土大，但是基础处理工程量小得多。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。 1 2 土石坝防渗体技术的发展进程 随着土石坝工程发展和新兴材料的兴起，土石坝的防渗体也从传统的土料防 渗、混凝土面板防渗、沥青混凝土防渗演变到了土工膜防渗及膜土联合防渗。 1 2 1 传统防渗体 1 ) 土料防渗体 土料防渗土石坝包括心墙坝、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；鲁布革工程采用风华土料心墙坝，拓宽解了防渗土料种类的 范围【l 】【10 1 。 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烈3 1 。心墙防渗土料通常选择具有低压 2 第一章绪论 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 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 研n g ) 坝，高1 0 0 m ，以及当时较高的迪克斯河( d i x 砌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，因而在4 0 5 0 年代出 现了一个停滞时期。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 年完成了向碾压堆石的过渡， 标志着混凝土面板堆石坝开始进入现代阶段。2 0 世纪8 0 年代我国开始建设面板 堆石坝，起点较高，发展非常快。目前，我国坝高达百米级的混凝土面板堆石坝 已很多，一部分已接近2 0 0m 级，甚至超过2 0 0m 。如己建浙江珊溪工程，利用 开挖料石筑坝，坝高1 3 2 5m ；云南茄子山工程坝体填料为花岗岩石料，坝高1 0 7 m ；在建的湖北的清江水布垭工程坝高已达2 3 3m 【l o 】【13 1 。 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。混凝土面板的特点是长而薄， 易于产生裂缝。混凝土面板与趾板连接部位的周边缝及面板条块间的垂直缝，以 及各种水平缝，都是防渗系统中的薄弱环节。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。由温度湿度等环境因素变化引起混凝土收 缩，受到基础约束而在混凝土内诱发拉应力，或自重与水压力下的变形在面板中 产生拉应力，是促使裂缝的破坏力，是面板裂缝的外因。混凝土自身性能和质量 决定混凝土的抗裂能力，这是内因。破坏力大于抗裂能力时，混凝土就会发生裂 3 河海大学硕士学位论文 缝。因此，防裂措施可归结为提高其自身抗裂能力，并尽量减少环境因素引发的 破坏力【l l l 【12 1 。 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。 3 ) 沥青混凝土防渗体 沥青混凝土是一种沥青和矿石的混合料，对于蓄水水库和渠道，通常在其内 侧护坡和底部采用沥青混凝土衬砌以形成防水层。至于堆石坝，则可以将沥青混 凝土铺在其上游坡或在坝内设置沥青防渗墙来达到止水的目的。沥青混凝土防 渗堆石坝包括心墙坝、斜墙坝和沥青混凝土面板坝【l o 】。 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。全世界目前已建成的沥青混凝 土面板坝有2 0 0 多座、心墙坝7 0 多座。我国沥青混凝土防渗技术起步较晚，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等沥青混凝土防渗 工程。 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。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、高速度和高效型1 4 】。 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【1 5 】。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一些解 决。 4 第一章绪论 1 2 2 土工膜防渗体 土工膜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， 广泛应用于堤、坝、水库、渠道和蓄水池等水利工程，可代替粘土心墙、防渗斜 墙及防止库区渗漏等。同时也应用于渠道、蓄水池、污水池、游泳池、房屋建筑、 地下建筑、环境工程等方面，作为防渗、防漏、防潮材料。土工膜大规模用于土 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，土工膜作为土石坝防渗斜墙或防渗心墙的材料近几年来不断被采用， 并显示出技术经济上的优越性，尤其是我国在“9 8 大洪水 以后得到了更为广 泛的认识【1 9 】【2 4 】。 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 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 0 m c m 3 s ，是理想的防渗材料， 常作为堆石或砂砾石坝的中央防渗膜或斜铺在上游坝坡的防渗膜。 土工膜是土工合成材料大家族中的重要一员。追溯土工合成材料发展史。大 致可以说，土工膜是最早获得工程应用的一种产品。早在上世纪3 0 年代，p v c 土工膜就用于游泳池防渗，塑料薄膜用于渠道防渗。前苏联用低密度聚乙稀土工 膜己有较久历史。1 9 7 0 年前苏联建成的阿特巴辛坝高7 9 m ，也利用土工膜防渗。 意大利1 9 6 4 年建成的高1 7 4 m 的al p eg e r a 干性混凝土坝于1 9 9 2 年进行防渗加 固，是将厚2 2 m m 的p v c 土工膜固定在坝上游垂直面上。欧洲用此法修补混凝 土坝和砌石坝的事例有数十座之多。我国早在1 9 6 5 年以前曾用土工薄膜防渗的 就有河南胜利渠，陕西人民引渭渠以及北京东北旺灌区。1 9 8 6 年河北乱木水库 采用了厚o 8 m m 的土工膜治理库区渗漏。1 9 9 4 年高4 9m 的河北温泉堡碾压混凝 土拱坝也用了p v c 膜作上游防渗。近期的福建水口电站和二峡围堰都用了土工 膜作隔渗层。以上只是零星举例。目前土工膜己大量用于作土石坝防渗斜墙与心 墙、地基水平铺盖和垂直防渗墙、储水池和渠道防渗衬砌，输水管道和汕池防漏、 地下室防渗防潮、屋而防漏以及废料垃圾场的防淋滤液渗入地下水造成水质污 染。由此可见，只要用得其所，土工膜确是一种有效而方便的防渗材料【1 7 】【2 3 】。 s 河海大学硕士学位论文 土石坝防渗体所用的土工膜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。具有重量轻，运输量小，铺设方便，节省造价，缩短工期等优点。 当然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【2 0 】【2 5 1 。 在实际应用中将土工膜片与合成纤维或织物复合以增加其抗拉抗顶破强度，膜的 一面或者两面与织物热压或胶粘在一起后，土工膜起防渗作用，织物使膜不与土 石颗粒接触保护了土工膜不易被尖锐碎石划伤或刺破，增大了抗拉强度，提高了 适应变形的能力，使其能承受不同的施工条件和工作应力，而且还具有顺坡向排 水的功能以及抗滑稳定性，更适用于筑坝。 复合土工膜是土工复合材料的一种，是将土工膜和土工织物( 包括织造和非 织造型) 复合在一起的产品。应用较多的是非织造针刺土工织物，其单位面积质 量一般为2 0 0 6 0 0 m 2 。复合土工膜在工厂制造时可以有两种方法，一是将织 物和膜共同压成；另外也可在织物上涂抹聚合物以形成二层( 俗称一布一膜) 、 三层( 二布一膜) 、五层( 三布二膜) 的复合土工膜。 复合土工膜比起土工膜有许多优点，例如：以织造型土工织物复合，可以对 土工膜加筋，保护膜不受运输或施工期间的外力损坏；以非织造型织物复合，不 仅对膜提供加筋和保护，还可起到排水排气的作用，同时提高膜面的摩擦系数， 在水利工程和交通隧洞工程中有广泛的应用。 1 3 土工膜在土石坝防渗工程中的应用 1 3 1 国外土工膜用于土石坝防渗的情况 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 锄o s 坝，坝高9 7 m ，上游坝面为8 m 厚的砌石，坝坡坡率为1 ：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 n u n 。 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 。 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 ， 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 m 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 6 第一章绪论 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0 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。 前苏联努列克土石坝，坝高3 1 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。 葡萄牙于1 9 5 5 年建成的帕尔德拉( p 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 0 1 e ，高2 8 m ；o s p e d a l e ，高2 6 m ； m a sd 锄1 a 1 1 d ，高2 1 m ； n e r i s ，高1 8 m ； l al a n d e c l l 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1 ：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 咖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1 ：2 5 1 ：3 0 。 阿尔巴尼亚波维拉( b o v i l l a ) 堆石坝高9 1 m ，该水库主要为首都地拉那供水。 大坝由意大利人设计，堆石坝上游面采用厚1 5 l i u n 以上的土工膜防渗。设计采 7 河海大学硕士学位论文 用具有专利的成套工艺技术。该坝于1 9 9 6 年建成。 冰岛k a r 删u k a 土工膜防渗堆石坝，坝高1 9 6 m ，2 0 0 5 年建成。防渗体采用 土工膜前置防渗形式。 1 3 2 国内土工膜用于土石坝防渗的情况 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1 1 0 3 c m 3 s 5 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0 8 m ，底宽1 0 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。 江西婺源钟吕堆石坝，大坝坝高5 1m ，坝顶长2 5 5 m ，坝顶宽5 m 。坝顶高 程2 7 8 5 m ，溢洪道堰顶高程2 7 0 5 m 。上游坝坡l ：1 5 ，铺复合土工膜防渗，下 游坝坡1 ：1 4 ，此坝1 9 9 9 年建成。由于坝坡很陡，如直接铺复合土工膜，则抗 滑稳定不足。故在坡面浇筑厚6 c m 无砂混凝土。在铺复合土工膜前，先在无砂 混凝土面上抹水泥砂浆，立即铺复合土工膜，上面压砂袋4h ，使复合土工膜粘 结牢固。复合土工膜上面现浇混凝土护坡混凝土的砂浆渗入土工织物，胶结牢固， 坝的不同部位采用不同规格的复合土工膜。 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 径堆石过渡层，水平厚3 m ，以及粒径为1 1 0 0 咖的碎石垫层，水平厚1 0 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0 5 m m 厚的聚氯乙稀 膜与2 5 0 咖2 及4 0 0 咖2 土工织物热压而成。组合土工膜表面铺1 0 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 8 第一章绪论 混凝土内。 云南毛家村土坝高8 0 5 m ，位于金沙江支流以礼河梯级电站的龙头水库，建 于六十年代，为一级建筑物。九十年代初安全检查发现心墙顶部防渗高度不足， 后采用二布一膜型复合土工膜加固完善防渗系统，其中p v c 膜厚o 8 哪。 石砭峪水库位于陕西省西安市，坝高8 5 m ，坝顶高程7 3 5 m ，坝顶长2 6 5 m 。 1 9 7 1 年用定向爆破堆石筑坝至高程7 0 5 m ，陆续施工至1 9 8 0 年初，完成沥青混 凝土斜墙。1 9 9 0 年5 月1 日蓄水至7 1 8 m ，靠右岸高程6 7 0 6 9 0 m 处沥青混凝土 斜墙裂缝漏水0 4 3 耐s ，坝址流出浑水。以后几经修补仍不能控制。最后采用复 合土工膜铺设在沥青混凝土斜墙之上，进行全断面防渗加固。复合土工膜采用两 布一膜型，中间的防渗膜为p v c ，厚1 0 m ，两侧的针刺织物均为5 0 0 咖2 。复合 土工膜的底边用扁钢压在混凝土防渗墙及周边混凝土齿墙上并用膨胀螺栓锚入 混凝土中，膜用t m j 一9 2 9 黏合剂黏合。工程于2 0 0 1 年5 月完工，蓄水己达7 2 0 m ， 未见漏水。工期8 个月，比计划浇筑混凝土防渗墙方案节省7 0 0 0 万元。 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，1 9 8 7 年进行防渗处理并加高至3 5 m ，上游坝坡l ：3 o ，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 咖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，自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 埘的聚氯 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1 ：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 6 0 c m 的混凝土座内。此后，该坝运行正常。 9 河海人学硕士学位论文 1 4 本文所做的主要工作 本文从土工膜结构方面出发，结合河南黄河西霞院复合土工膜防渗斜墙土石 坝工程，采用f l a c 3 d 有限差分软件对土工膜防渗斜墙坝进行数值模拟，分析了 在不同工况下坝体及土工膜的变形、应力，得出了一些有价值的结论，进而对工 程实际的设计和施工提供理论依据和实际建议，用理论指导实践。主要做了以下 几方面的工作： 1 ) 首先本文回顾了土石坝的发展历史及现状，总结了目前所有防渗技术的 类别及国内外土工膜防渗土石坝的应用概况。 2 ) 其次列举了土工膜的工程特性及防渗技术特性，简单介绍了土工膜在坝 体中的变形机理。 3 ) 简要介绍了f l a c 3 d 有限差分程序的基本原理和特点。 4 ) 主要对土工膜斜墙防渗结构及土工膜周边锚固部位作力学方面的分析， 以黄河西霞院斜墙坝的三维模型为例，用f l a c 3 d 软件加以模拟，在计算时主要 考虑了以下三种情况： a 1 坝体内不计入土工膜； b ) 坝体内计入土工膜但不计入土工膜与坝体之间的接触效应； c ) 坝体内计入土工膜并计入土工膜与坝体之间的接触效应。 首先对以上三种情况下的计算结果进行对比分析，得出了是否计入土工膜、 是否计入膜土间接触面对坝体和土工膜的变形、应力产生的影响，其次对土石坝 与混凝土闸坝连接部位的进行整体结构数值分析，评估该连接部位以及与混凝土 防渗墙连接部位的位移变形安全。 5 ) 简单介绍了土工膜的锚着技术，通过对西霞院防渗土工膜的锚固设计分 析和渗透试验，评估现有设计参数的合理性。 6 ) 对本文所做的工作进行总结，同时对下面的研究前景进行了展望。 1 0 第二章十工膜的特性 第二章土工膜的特性 土工膜是一种相对不透水的土工合成材料。根据原材料不同，可分为聚合物 和沥青两大类。为满足不同强度和变形的需要，又有不加筋和加筋的区分。聚合 物膜在工厂制造，沥青则大多数在现场制造【2 5 1 。 制造土工膜的聚合物有热塑塑料( 如聚氯乙烯) 、结晶热塑塑料( 如高密度 聚乙烯) 、热塑弹性体( 如氯化聚乙烯) 和橡胶( 如氯丁橡胶) 等。工厂制造土 工膜的方法主要有挤出、压延或加涂料等。挤出是将熔化的聚合物通过模具制成 土工膜，厚0 2 4 4 m m 。压延则是将热塑性聚合物通过热碾压成土工膜，厚0 2 5 2 m m 。加涂料是将聚合物均匀涂在纸片上，冷却后将土工膜揭下而成。现场制造 土工膜是在地面喷涂或敷一层冷或热的粘滞聚合物而成。沥青土工膜用的是沥青 聚合物或合成橡胶。 制造土工膜时需要掺入一定量的添加剂，使在不改变材料基本特性的情况 下，改善其某些性能和降低成本。例如，掺入碳黑可以提高抗日光紫外线能力， 延缓老化；掺入铅盐、钡、钙等衍生物可以提高材料的抗热、抗光照稳定性；掺 入滑石等润滑剂以改善材料可操作性；掺入杀菌剂可防止细菌破坏等。 2 1 土工膜的工程特性 2 1 1 防渗特性 在绝大多数情况下，使用土工膜的目的就是为了防渗。土工膜就其分子结构 和制造工艺来说，应该说是不透水和不透气的，但是试验研究和工程实践证明， 由于制造工艺上的种种原因，常用的土工膜不是绝对不透水的，或者只能说是相 对不透水的。如果沿用达西渗透定律的概念，在水利工程中认为渗透系数 k 1 0 。1 0 c 州s 的粘土为不透水，则可以称为不透水的土工膜的渗透系数应为 k 2 h k ，弹簧几乎不能阻止荷载作用下的伸长变形， 但是，弹簧的变形受到限制，所以弹簧中的拉力p ( p = 2 h k ) 也受到限制。可见， 随着位移量h 的增大，拉力p 才增大。 坝体受力大，位移大，也有可能使膜的变形不大，主要在于设法减小刚性锚 固部位具有“夹具效应( 即拉伸试验时，夹具内的膜受拉伸的影响是很小的) 处膜的变形，即设法使上式中的h 减小。 对土石坝土工膜防渗结构主要有以下两种情况： 第一种情况，土工膜铺设在坝体上游面作为“防渗斜墙( 可简称“前置土 工膜”) ，一般在坝体填筑至坝顶时再铺膜，此时坝体大部分的竖向位移已经完 成，土工膜主要随蓄水引起坝体的位移( 主要是水平位移) 而产生变形。一般地， 土工膜由原来的平面变成锅面产生的平均拉伸变形是完全能够承受的，若坝高 1 0 0 m ，坝长1 5 0 m ，则膜沿坝长方向的平均应变量仅约为0 2 。但是，在坝基 及岸坡土工膜锚固端，由于刚性锚固和巨大的水压力作用，该处呈现“夹具效应”， 所以该处( 地基或岸坡) 与坝体之间较大的相对位移只是在膜的很小区域内产生 变形，也就是伸长率公式中分母很小而分子很大，此处的膜变形最易超出其承受 能力。因此，当土工膜铺设在坝体上游面，蓄水后坝体向下游位移时锚固在地基 及岸坡处的土工膜最易发生破坏。 第二种情况，土工膜铺设在坝体中央作为“防渗心墙”( 可简称“中置土工 膜”) ，膜的铺设随坝体填筑同步上升。由于碾压密实性的需要，土工膜常承“之 2 0 第二章土工膜的特性 字状上升，若为基岩岸坡，膜常被锚固其中。如上所述，坝体中部的竖向位移最 大，该处位移除了自身压缩变形外，还包括其以下部位的压缩变形，该处铺设的 土工膜需承受由于该处以上坝体填筑产生的该处位移；同样，蓄水后，该处土工 膜也还需承受坝体很大的水平位移产生的变形，若两端岸坡处锚固，则锚固处的 局部拉伸变形量很大。 2 4 本章小节 以高分子聚合物为原料制成的土工膜防渗结构，是近代水利工程及其他土建 工程的一项先进技术，它具有不透水性强、抗冻性好、厚度薄、质量轻、体积小、 便于施工和造价低等特点。本章就土工膜的技术特性方面介绍了它的工程特性和 施工技术方面的要求。土工膜的工程特性包括防渗特性、耐水压性能和摩擦特性， 其中列出了土工膜与其他多种材料之间的摩擦角、凝聚力和摩擦系数，揭示了防 渗设计时需要遵循的规律；施工技术方面分别从土工膜的连接、锚着和铺设三个 方面介绍了土工膜在施工过程中应该注意的事项，最后介绍了土石坝中土工膜的 变形机理，对坝体的关键部位的选膜、铺膜的有一定的指导意义。 2 l 河海人学硕士学位论文 第三章f l a c 3 d 数值分析方法介绍 f l a c 3 d 是采用a n s ic + + 语言编写的数值模拟分析程序，该程序能较好地 模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为， 特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。它包含1 0 种弹塑性材料本构 模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式，各种模式间可以互相耦 合，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体：梁、锚元、桩、壳 以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元 等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。 3 1f l a c 3 d 概述 3 1 1f l a c 3 d 原理 连续介质三维快速拉格朗日分析( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai n3 d i m e n s i o n s ，简称f l a c 3 d ) 是近年来逐步成熟完善起来的一种基于三维显式有 限差分法的新型数值分析方法。它的基本原理类似于基本离散元法，其理论基础 是结合不同本构关系的牛顿第二定律，但它克服了离散元法的缺陷，它吸取了有 限元法适用于各种材料模型及边界条件的非规则区域连续问题解的优点，可以模 拟岩土等材料的三维力学行为。 在连续介质力学中，对于变形体及其上的质点运动状态主要有两种描述方法 【5 l 】：一种是欧拉描述( e u l e r i a nd e s 嘶p t i o n ) ，即瞬时t 的运动是以变形后该时刻 的构形为观察的依据；一种是拉格朗日描述( l a g r a n g i a nd e s c r i p t i o n ) ，即瞬时t 的运动是以任意一个时刻已知的构形为观察的依据，其中以原始构形为参考构形 的称为总体拉格朗同描述( t o t a ll a g r a n g i a l ld e s c r i p t i o n ) ，以前个时刻的构形 为参考构形的称为更新拉格朗日描述( u p d a t e dl a g r a n g i a i ld e s c r i p t i o n ) 。在欧拉 描述中，网格在空间中是固定的，材料是流过这些网格，因此适用于流体及定常 运动过程，当分析物体的本构关系与当时的应变或变形有关以及有分布力作用于 物体表面时，欧拉描述就不方便了。而在拉格朗同描述中，坐标附着在物质点上， 因而物质导数易于得到，本构关系容易引入，表面荷载问题易于处理，而且由于 过去构形是已知数，变形能的积分是在已知域中进行，因此使用更为方便。 2 2 第三章f l a c 3 d 数值模拟分析方法介绍 三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定 的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或 产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是拉格朗日算法， 这种算法非常适合于模拟大变形问题。由于单元网格可以随材料的变形而变形， 在分析采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散 模型，因而可以准确模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料 的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。 3 1 2f l a c 3 d 的计算方法 三维快速拉格朗日分析中应用了三种计算方法【5 2 】： 1 ) 混合离散方法( m i x e dd i s c r e t i z a t i o na p p r o a c h ) 【5 3 】 连续介质区域被离散为若干个互相边接的六面体单元的集合，而在计算中又 将每个六面体划分为以六面体顶点为角点的常应变四面体单元的集合，变量均是 在四面体上进行计算。六面体单元的应力、应变值为其内四面体单元的体积加权 平均。 在模拟材料的屈服过程时，由于局部网格必须满足在流动过程中不可压缩的 条件，从而引入运动约束，由此产生了过分约束的单元( 有时被称为“网格锁定” 或“刚度过大”单元) ，导致过大地估计破坏荷载。为了克服这一问题，使单元 能产生足够的变形模式，限制整个六面体单元的各向同性应变和应力分量为常 量，而对于每个四面体子单元，分别计算它的偏量分量。这种将应力张量和应变 张量的各向同性部分和偏量部分采取不同离散的方法称为混合离散方法。 该方法首先将单元划分为几个四面体子单元的组合，再将该单元内所有四面 体的应变率张量第一不变量的体积加权平均值来作为每个四面体子单元的应变 率张量第一不变量。在如图3 1 所示的变形模式下，每个常应变率四面体单元的 体积将发生改变，并且这种体积改变不遵守不可压缩塑性流动理论，但是各四面 体体积之和保持不变( 即原六面体体积不变) 。而应用这种混合离散方法，就可 以反映六面体单元