劉 軍，李 波

（長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

1 引 言

為解決深水圍堰中高防滲墻的大變形問題，復(fù)合土工膜因具有防滲效果好、施工方便、質(zhì)輕價廉等優(yōu)點，在圍堰防滲體系中獲得了廣泛應(yīng)用[1－2]。防滲墻與復(fù)合土工膜共同組成的防滲體系也被譽為整個圍堰工程的生命線[3]，兩者變形是否協(xié)調(diào)是決定防滲成敗的關(guān)鍵。

以某圍堰工程為例，圍堰防滲體為塑性混凝土防滲墻下接灌漿帷幕、上接“之”字形復(fù)合土工膜的形式，如圖1所示[4]。拆除過程中現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然土工膜上部預(yù)留了伸縮節(jié)，但防滲墻迎水面堰體相對防滲墻沉陷了30 cm左右，且堰體與防滲墻整體脫開了一定距離，導(dǎo)致復(fù)合土工膜在與防滲墻搭接處有不同程度的損壞，分析其主要原因可能是（1）圍堰風(fēng)化砂拋填體密實度不高，后期出現(xiàn)一定沉降變形，而防滲墻壓縮模量很高，壓縮變形很小，由于兩者之間的差異沉降，使得土工膜接頭部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。（2）防滲墻與土工膜所在的堰體水平變形不協(xié)調(diào)，堰體與防滲墻整體脫開，寬度為5～15 cm，使得土工膜承受了較大的水平拉力，當局部達到拉伸強度時，土工膜被拉斷。

圖1 某圍堰土工膜、子堰和防滲墻連接形式(單位: m)Fig.1 Connecting form of geomembrane, sub cofferdam and cutoff wall(unit:m)

因此，如何保證防滲墻與土工膜的可靠聯(lián)結(jié)和協(xié)調(diào)變形，避免土工膜被拉斷，是值得深入研究的問題。

本文首先對復(fù)合土工膜進行了受力分析，通過直剪摩擦試驗，對土工膜伸縮節(jié)未拉開以及土工膜的破壞過程進行了全面模擬，并提出了預(yù)留伸縮節(jié)的土工膜不被拉斷應(yīng)滿足的條件。然后，通過離心模型試驗研究了在堰體與防滲墻變形過程中復(fù)合土工膜的受力性狀和聯(lián)接部位的破壞機理，并提出了改進的土工膜與防滲墻的聯(lián)接型式和鋪設(shè)方法。

2 復(fù)合土工膜受力分析

因復(fù)合土工膜尾端固定于防滲墻頂部，且距防滲墻一定距離處設(shè)置有伸縮節(jié)，當塑性混凝土防滲墻在深水高圍堰條件下產(chǎn)生向下游方向的變形時，土工膜主要受防滲墻的拉力 T、土工膜上部圍堰填料（即風(fēng)化砂）給予的上覆荷載G和土工膜上下兩側(cè)風(fēng)化砂產(chǎn)生的摩擦力 f，如圖 2所示。三者均考慮為單位寬度土工膜所受的力，即量綱均為kN/m，分析其結(jié)果可能有以下3種情況：

（1）土工膜伸縮節(jié)被拉出，未出現(xiàn)破壞

此時復(fù)合土工膜防滲墻共同形成的防滲體系起到了很好的防滲作用，且土工膜伸縮節(jié)的作用得到較好的發(fā)揮，土工膜的受力關(guān)系為：μG=f≤T＜N，μ為土工膜與風(fēng)化砂之間的摩擦系數(shù)；N為土工膜的拉伸強度，即單位寬度所受的極限拉伸力（kN/m）。

圖 2 某圍堰中復(fù)合土工膜受力示意圖Fig.2 Sketch of stress analysis of geomembrane in cofferdam

（2）土工膜伸縮節(jié)未被拉出也未出現(xiàn)破壞

此時復(fù)合土工膜與防滲墻共同形成的防滲體系可以起到較好的防滲作用，且土工膜伸縮節(jié)的作用未得到發(fā)揮，土工膜的受力關(guān)系為：T＜N且T＜f。若要使防滲墻變形增大（T增大）時土工膜不被拉斷，則應(yīng)保證f＜N。

（3）土工膜伸縮節(jié)未被拉出，土工膜被拉斷

本文圍堰實例拆除時，現(xiàn)場實錄即為此種情況。此時復(fù)合土工膜與防滲墻共同形成的防滲體系失效，且土工膜伸縮節(jié)未起到應(yīng)有的作用，土工膜的受力關(guān)系為：N＜T＜f。分析其原因，可能是復(fù)合土工膜拉伸強度過低或是土工膜與風(fēng)化砂間的摩擦力太大。

綜上，若要使土工膜不被拉斷，應(yīng)保證土工膜有一定的抗拉能力，同時應(yīng)改進鋪設(shè)方法，盡可能減小土工膜受到的拉力?？紤]到在不利條件下可能受到的拉力，可以從選用拉伸強度較高的土工膜和減小復(fù)合土工膜與風(fēng)化砂間的摩擦力，兩方面采取措施。

3 直剪摩擦試驗設(shè)計及成果

3.1 試驗方案

通過直剪摩擦試驗，監(jiān)測復(fù)合土工膜的應(yīng)力-應(yīng)變的變化情況，分析其不同部位的受力及變形。試驗共采用 3種不同界面接觸方式：風(fēng)化砂+復(fù)合土工膜、風(fēng)化砂+土膏+復(fù)合土工膜（土膏是含水率為50%的膨潤土）、風(fēng)化砂+土工單膜+復(fù)合土工膜，研究在各種情況下的受力性狀及界面摩擦系數(shù)。

3.2 試驗儀器

試驗所用直剪摩擦儀見圖 3，各部件符合《土工合成材料測試規(guī)程》[5]相關(guān)規(guī)定。試樣盒由上、下盒組成，尺寸為305 mm×305 mm方形。試驗前在下盒內(nèi)放入鋼墊塊，將復(fù)合土工膜試樣由夾持器固定在下盒上，然后，將風(fēng)化砂按照設(shè)定的密度和含水率于上盒內(nèi)擊實。試驗時上盒固定，下盒滑動，用下盒提供的拉力模擬現(xiàn)場防滲墻產(chǎn)生水平位移時對復(fù)合土工膜的作用。

圖3 直剪摩擦儀Fig.3 Direct shear and interfacial friction instrument

直剪試驗每組3個試樣，上覆荷載分別為50、100、200 kPa。上盒內(nèi)風(fēng)化砂固結(jié)后開始剪切，剪切速率為0.5 mm/min，當位移量達40 mm時停止試驗。破壞剪應(yīng)力有峰值時取峰值，無峰值時取 5%剪應(yīng)變對應(yīng)的剪應(yīng)力。

3.3 模型材料

（1）砂礫料

圍堰堰體填料主要為風(fēng)化砂料，風(fēng)化砂為閃暈斜長花崗巖全強風(fēng)化層的開挖料，主要礦物成分為48%正長石、25%石英、15%斜長石、10%云母，還有少量的角閃石和綠泥石。堰體建成初期平均密度為1 936 kg/m3，拆除時防滲墻附近堰體平均密度為2 000 kg/m3[6]，試驗時風(fēng)化砂密度取1 800 kg/m3，含水率為10%。風(fēng)化砂的天然粒徑較小，級配相對不穩(wěn)定，按以往經(jīng)驗采用橡皮頭錘碾條件下的干篩級配曲線作為風(fēng)化砂的級配曲線，風(fēng)化砂粒徑分布見表1。P5值（粒徑大于5 mm的顆粒質(zhì)量百分數(shù)）為11.6%，含泥量（粒徑小于0.1 mm的顆粒質(zhì)量百分數(shù)）為4.2%。

（2）采用兩種復(fù)合土工膜

主要指標見表2。

3.4 模型監(jiān)測及傳感器布置

（1）土工膜不同部位的應(yīng)力監(jiān)測

如圖4所示，土工膜設(shè)置伸縮節(jié)，按一定間距在土工膜表面分別粘貼若干柔性應(yīng)變片（最大應(yīng)變可達 30%），靠近土工膜固定端一側(cè)、伸縮節(jié)里面均布置2排應(yīng)變片。

（2）荷載和位移監(jiān)測

本試驗所用直剪摩擦儀是一個智能加載系統(tǒng)，有2個力傳感器（分別為水平和垂直）和2個位移傳感器（分別為水平和垂直）。

3.5 試驗結(jié)果

（1）土工膜損壞伸縮節(jié)未拉出的工況模擬試驗

為了模擬圍堰復(fù)合土工膜損壞而伸縮節(jié)未拉出的情況，采用風(fēng)化砂和復(fù)合膜2進行試驗。因復(fù)合膜2橫向拉伸強度為17.7 kN/m，略小于圍堰所用土工膜的縱向抗拉伸強度設(shè)計性能指標（不小于20 kN/m），因此，對上覆荷載進行相應(yīng)折減，取G=270 kPa。試驗結(jié)果表明，復(fù)合膜2固定端已輕度損壞且伸縮節(jié)未拉開，本試驗界面為單面摩擦，而實際工程中復(fù)合土工膜兩側(cè)均與圍堰填料接觸，顯然，復(fù)合土工膜伸縮節(jié)更難以拉開，有必要深入探討出現(xiàn)該情況的內(nèi)在原因及避免土工膜受拉時損壞的應(yīng)對措施。

（2）界面摩擦系數(shù)試驗

本文所做的界面摩擦試驗均為單面摩擦，即界面摩擦系數(shù)為單面摩擦系數(shù)，與實際工程中復(fù)合土工膜兩側(cè)均與圍堰填料接觸不同，但可用作機制分析，試驗結(jié)果見表3。從表中可見，復(fù)合膜2與復(fù)合膜1在幾種界面接觸形式下的界面摩擦系數(shù)及其規(guī)律比較接近，因此，以下試驗驗證及分析以復(fù)合膜1為主。

表3 直剪摩擦試驗成果Table 3 Results of direct shear and friction test

由前述受力分析及直剪摩擦試驗表明，復(fù)合膜1與風(fēng)化砂界面、復(fù)合膜1與風(fēng)化砂間加土膏時、復(fù)合膜1與風(fēng)化砂間加單膜時的界面摩擦系數(shù)分別為0.258、0.270、0.224。

因復(fù)合膜1的縱向拉伸強度Ts=5.74 kN/m，復(fù)合土工膜達到極限拉伸狀態(tài)時，可采用不同界面接觸形式情況下臨界上覆荷載計算。

復(fù)合膜1與風(fēng)化砂界面：

粒粒吐一下舌頭。又一次舉起相機拍樹，卻感覺身后有一雙眼睛，她很少這么緊張，不禁繃直了身體，順手理順了頭發(fā)。果然一張風(fēng)景沒拍完，一張臉再次出現(xiàn)在了粒粒的鏡頭里。

通過不同上覆荷載條件下風(fēng)化砂與復(fù)合膜1剪切試驗，結(jié)果表明，當上覆荷載為50 kPa時，土工膜伸縮節(jié)可拉出；當上覆荷載為100 kPa時，土工膜伸縮節(jié)不能拉出，剪切位移為35 mm時土工膜剪應(yīng)力達到50.8 kPa，土工膜已損壞，剪應(yīng)力減小。

通過不同界面接觸形式的剪切試驗（見圖5），當界面摩擦系數(shù)較大（界面加土膏）時，剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線表現(xiàn)為逐漸增大；而當界面摩擦系數(shù)較?。ń缑婕訂文ぃr，剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線則表現(xiàn)為剪應(yīng)力先增大然后略有減小。上覆荷載均為80 kPa，上部為界面加單膜，下部為界面加土膏，兩者試驗后土工膜固定端塑性變形分別為12%、4%，分別對應(yīng)土工膜伸縮節(jié)不能拉開和能拉開的情況。

圖5 風(fēng)化砂與復(fù)合膜1在不同界面接觸形式下剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain curves of several interface between weathered sand and geomembrane 1

4 離心模型試驗驗證

4.1 試驗方案

為了驗證土工膜受到水平拉力時預(yù)留伸縮節(jié)能否發(fā)揮作用，開展了圍堰防滲墻與復(fù)合土工膜聯(lián)接型式離心模型試驗[7]。離心模型試驗的模型比尺為1︰50，填筑材料采用現(xiàn)場開挖得到的風(fēng)化砂。通過比尺換算，得到復(fù)合土工膜上覆堰體厚度為30 cm，復(fù)合土工膜下方鋪設(shè)風(fēng)化砂層厚度為30 cm；復(fù)合土工膜水平向長度為36 cm，預(yù)留伸縮節(jié)距防滲墻6 cm，可伸縮長度按2 cm設(shè)置。具體試驗方案見表4，典型斷面示意圖如圖6所示。

表4 圍堰防滲墻與土工膜聯(lián)接型式離心模型試驗方案Table 4 Schemes of centrifugal model tests on connecting form of cofferdam cutoff wall and geomembrane

圖6 模型斷面圖(單位: cm)Fig.6 Cross-section of models(unit: cm)

SX-1模擬復(fù)合土工膜以下堰體的沉降變形對土工膜的受力及變形的影響；SX2模擬防滲墻與堰體脫開距離對復(fù)合土工膜的受力及變形的影響。

試驗在長江科學(xué)院 CKY-200現(xiàn)代化多功能土工離心機上進行，該離心機的有效容量為200 gt，最大加速度為200 g，有效半徑為3.7 m。模型箱尺寸（長×寬×高）為100 cm×40 cm×80 cm（二維模型箱）。

4.2 模型材料

模型所用的填筑材料為該圍堰原型所用的風(fēng)化砂，密度為17.5 kN/m3，在試驗過程中盡可能減少上部制樣對下部土工膜及下覆風(fēng)化砂層的影響。防滲墻在本次試驗中用于給定位移邊界條件，其自身的受力變形特征不是研究重點，采用厚度為 2 mm鋁板進行模擬，底部設(shè)置寬承臺，以達到底部固定的目的。復(fù)合土工膜的模擬是本次模型試驗的關(guān)鍵，必須滿足與原型相似的要求，通過多種材料比選，模擬材料選定為單層土工膜，其抗拉強度為0.75 kN/m，伸長率為45%，與風(fēng)化砂的界面摩擦系數(shù)為0.25，基本滿足模擬的要求。

4.3 模型監(jiān)測及傳感器布置

試驗采用非接觸式激光位移傳感器監(jiān)測堰體填筑頂面以及鋁板的水平位移（模擬防滲墻與堰體脫開距離）。土工膜不同部位的應(yīng)力監(jiān)測通過在從復(fù)合土工膜與防滲墻的連接端開始，按一定間距在復(fù)合土工膜表面分別黏貼若干柔性應(yīng)變片（最大應(yīng)變可達 30%），連接端一側(cè)間距要小，離防滲墻越遠，間距逐漸加大。

4.4 試驗結(jié)果

SX-1和SX-2試驗后，復(fù)合土工膜在其與防滲墻的聯(lián)接處全部斷開。圖 7（a）為復(fù)合土工膜不同位置處應(yīng)變與地表沉降關(guān)系。在SX-1試驗中，當加速度逐級增大時填土表面沉降逐漸增大，當加速度為50 g時，表面沉降達到最大為17.5 mm，并且在每一級加速穩(wěn)定運行時沉降迅速穩(wěn)定。圖7（b）為復(fù)合土工膜應(yīng)變-鋁板水平位移（模擬防滲墻與堰體 脫開距離）關(guān)系。從圖中可以看出，復(fù)合土工膜3個不同位置處的應(yīng)變均比較小，其最大值均小于700 με；隨著鋁板水平位移的逐漸增大，距離防滲墻2 cm處的應(yīng)變均逐漸增大，當脫開距離為1.5 mm左右時達到最大值；復(fù)合土工膜所受拉力由防滲墻開始向外逐漸減小。但不同距離處應(yīng)變片的最大值不相同，表明復(fù)合土工膜在其與防滲墻的聯(lián)接處受力不均勻。

圖7 復(fù)合土工膜應(yīng)變-水平位移的關(guān)系Fig.7 Relatingships between strain and lateral displacement of composite geomembrane

根據(jù)以上2組離心模型試驗結(jié)果，圍堰填料的固結(jié)沉降變形以及防滲墻與堰體的脫開均可導(dǎo)致復(fù)合土工膜被拉斷。為了防止聯(lián)接部位被拉斷，應(yīng)改進土工膜與防滲墻的聯(lián)接型式和鋪設(shè)方法，即將土工膜埋置于防滲墻頂部，且將預(yù)留變形量設(shè)置在防滲墻頂部與防滲墻的聯(lián)接部位，并將土工膜往下游方向鋪設(shè)。具體聯(lián)接型式如圖8所示，將土工膜伸縮節(jié)設(shè)置在防滲墻頂，然后向下游方向鋪設(shè)。

圖8 改進土工膜鋪設(shè)方法Fig.8 Improvement of geomembrane paving method

5 結(jié) 論

（1）若要使土工膜不被拉斷，應(yīng)保證土工膜有一定的抗拉能力，同時應(yīng)改進鋪設(shè)方法，盡可能減小土工膜受到的拉力。為保證土工膜在不利情況下受拉時不被拉斷，需要滿足條件T＜N，且f＜N。根據(jù)實際情況可選用拉伸強度較高的土工膜、界面摩擦系數(shù)低的材料，或減小土工膜埋置深度。

（2）針對圍堰工程防滲體系中常用的防滲墻與復(fù)合土工膜聯(lián)接型式，通過2組離心模型試驗，分別模擬堰體的固結(jié)沉降變形以及防滲墻與堰體脫開的影響，結(jié)果表明兩種不協(xié)調(diào)變形均可導(dǎo)致復(fù)合土工膜被拉破甚至拉斷。

（3）為了防止聯(lián)接部位被拉斷，應(yīng)改進土工膜與防滲墻的聯(lián)接型式和鋪設(shè)方法，即將土工膜埋置于防滲墻頂部，且將伸縮節(jié)設(shè)置在防滲墻頂部與防滲墻的聯(lián)接部位，并將土工膜往下游方向鋪設(shè)，使得防滲墻變形時土工膜盡可能避免受拉。

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