蘇暢 謝寶豐 張凱 洪羽 王磊

摘 要：西霞院反調(diào)節(jié)水庫工程屬國內(nèi)首次大規(guī)模采用土工膜防滲的大型水庫工程，土工膜防滲面積大，其耐久性直接關(guān)系工程安全。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)西霞院反調(diào)節(jié)水庫土石壩段土工膜相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)、深入分析，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M不同影響因素下土工膜耐久性，采用有限元法分析土工膜缺陷部位和尺寸對(duì)土石壩滲流的影響，并采用線性加權(quán)法和層次分析法建立土工膜防滲安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)土工膜防滲安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。土工膜防滲安全性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，復(fù)合土工膜防滲安全性為正常。

關(guān)鍵詞：復(fù)合土工膜;耐久性;防滲安全;西霞院反調(diào)節(jié)水庫

中圖分類號(hào)：TV641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.026

引用格式：蘇暢，謝寶豐，張凱，等.西霞院反調(diào)節(jié)水庫復(fù)合土工膜耐久性及其防滲安全分析[J].人民黃河，2021，43（12）：131-134，138.

Abstract： Xixiayuan Anti-Regulating Reservoir Project is the first large-scale reservoir project using geomembrane for seepage control on the main stream of the Yellow River. The geomembrane has a large anti-seepage area and its durability is directly related to the safety of the project. Based on the field investigation， the monitoring data related to geomembrane of Xixiayuan Anti-Regulation Reservoir were comprehensively， systematically and deeply analyzed and the relationship between its dynamic change and external environmental factors was analyzed. Combined with the durability test of geomembrane under different factors simulated in the laboratory， the influence of different positions and sizes of geomembrane defects on the seepage of earth rock dam was analyzed by finite element method. The evaluation index system of geomembrane anti-seepage safety was established by using linear weighted method and analytic hierarchy process. Finally， suggestions for operation and management were given. The research has formed the technical theory with certain theoretical level and reference value， which provides successful experience for the further promotion and application of geomembrane in water conservancy projects.

Key words： composite geomembrane; durability; anti seepage safety; Xixiayuan Anti-Regulating Reservoir

復(fù)合土工膜作為防滲體在水庫工程中應(yīng)用的安全問題一直受到工程技術(shù)人員和科研人員的重視[1-2]。我國已建的土工膜防滲土石壩壩高多在50 m以下，且均建在較小的河流上。在大江大河上建造土工膜防滲土石壩是一種挑戰(zhàn)，也是一次工程技術(shù)突破，在國內(nèi)大型水庫中大規(guī)模采用土工膜作為防滲材料，西霞院反調(diào)節(jié)水庫尚屬首次。

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)西霞院反調(diào)節(jié)水庫土石壩段土工膜相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)、深入分析，模擬不同因素影響下土工膜耐久性，采用有限元法分析土工膜缺陷部位和不同尺寸對(duì)土石壩滲流的影響，并建立土工膜防滲安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)土工膜防滲安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過研究明晰該工程土工膜現(xiàn)狀，弄清影響土工膜耐久性的主要因素，以針對(duì)性采取維護(hù)保養(yǎng)措施。

1 工程概況

西霞院反調(diào)節(jié)水庫是一座以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉等綜合利用的大（2）型水庫，主體工程2004年1月10日開工， 2008年2月底全部完工， 2011年3月2日通過水利部主持的竣工驗(yàn)收。

西霞院反調(diào)節(jié)水庫主要建筑物有土石壩、泄洪閘、排沙洞、排沙底孔、河床式電站廠房、壩后灌溉引水閘等。土石壩布置于混凝土壩段兩側(cè)，為復(fù)合土工膜斜墻砂礫石壩，壩頂設(shè)計(jì)高程137.80 m，最大壩高20.2 m，總長2 609.0 m，其中左側(cè)土石壩長1 725.5 m、右側(cè)土石壩長883.5 m。西霞院反調(diào)節(jié)水庫土石壩鋪設(shè)復(fù)合土工膜達(dá)12.8萬m2，壩坡上土工膜連接的縱縫、橫縫、鉚接縫長度超過3.5萬m，為我國大（2）型水利工程首次大規(guī)模使用復(fù)合土工膜（PE膜）。復(fù)合土工膜上部與壩頂防浪墻底部錨固，下部與大壩混凝土防滲墻頂部錨固，防滲墻設(shè)于上游壩腳，斜墻復(fù)合土工膜錨固于防滲墻頂部，見圖1。

原設(shè)計(jì)左側(cè)土石壩土工膜規(guī)格為（400 g/m2）/0.8 mm/（400 g/m2），即兩邊土工織物（土工布）單位面積質(zhì)量為400 g/m2、中間防滲膜為厚度0.8 mm的高密度土工膜;右側(cè)土石壩土工膜規(guī)格為（400 g/m2）/0.6 mm/（400 g/m2）。工程所使用的復(fù)合土工膜主要控制指標(biāo)見表1。

工程建設(shè)期在土石壩與左壩肩連接部位上游側(cè)布置了復(fù)合土工膜試驗(yàn)區(qū)，共設(shè)5、10、15、20、30 a共5個(gè)試驗(yàn)區(qū)，均采用規(guī)格為（400 g/m2）/0.8 mm/（400 g/m2）的土工膜，分別采用焊接和膠接方法連接，施工方式充分模擬土石壩現(xiàn)場(chǎng)條件。2013年在試驗(yàn)區(qū)取樣5 a期復(fù)合土工膜，其縱向抗拉強(qiáng)度、橫向抗拉強(qiáng)度、縱向延伸率、CBR頂破強(qiáng)度、刺破強(qiáng)度等指標(biāo)性能有所下降，降幅分別為26.7%、16.0%、2.0%、17.0%、21.4%，滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，復(fù)合土工膜耐久性能有所下降。2017年3月，西霞院反調(diào)節(jié)水庫竣工驗(yàn)收后首次安全鑒定階段，鑒定專家組提出“本工程在國內(nèi)大型工程中首次采用復(fù)合土工膜防滲，……并對(duì)土工膜的耐久性開展進(jìn)一步的試驗(yàn)分析和研究，必要時(shí)進(jìn)行專題論證”。

2 監(jiān)測(cè)資料分析

2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

為對(duì)土工膜材料在施工加載受力后產(chǎn)生的應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在A-A（樁號(hào)D0+295.58）、D-D（樁號(hào)D1+250）、F-F（樁號(hào)D2+550）斷面及混凝土壩段和土石壩壩段兩側(cè)接合處I-I（樁號(hào)D1+689.00）、H-H（樁號(hào)D2+272.00）斷面共5個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面分別布設(shè)8支橫向和4支縱向土工膜應(yīng)變計(jì)。

從土工膜應(yīng)變計(jì)測(cè)值變化過程線（見圖2，其中GS3_45應(yīng)變計(jì)不能正常工作，無數(shù)據(jù)）可知，各測(cè)點(diǎn)測(cè)值呈現(xiàn)較明顯周期性變化，每年2月處于波峰、8月處于波谷，表明土工膜應(yīng)變受外界氣溫影響較明顯，各斷面土工膜應(yīng)變向負(fù)值絕對(duì)值增大方向發(fā)展，表明土工膜總體處于非受拉狀態(tài)，土工膜受力狀態(tài)良好。

2.3 滲壓監(jiān)測(cè)

大壩滲流監(jiān)測(cè)設(shè)有3個(gè)主監(jiān)測(cè)斷面和4個(gè)次監(jiān)測(cè)斷面，共埋設(shè)18支滲壓計(jì)，通過滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)值分析土工膜防滲狀況。D-D斷面滲壓計(jì)測(cè)值變化過程線見圖3，土工膜下部131.00 m高程附近測(cè)點(diǎn)，自2007年運(yùn)行至2018年8月，滲壓水頭在130.37～132.64 m之間變動(dòng)，最高滲壓水頭僅高于埋設(shè)高程不足2 m，表明膜后滲壓水頭較低，土工膜防滲效果較好。

2.4 土工膜后氣壓監(jiān)測(cè)

為了解土工膜與土體結(jié)合處在初次蓄水過程中是否有氣壓頂托情況，在A-A、D-D、F-F、H-H、I-I斷面高程126.50、131.00 m分別布設(shè)土工膜氣壓計(jì)各2支，以監(jiān)測(cè)膜后氣壓變化情況。膜后氣壓隨氣溫的變化而變化，溫度升高時(shí)膜后氣壓降低，溫度降低時(shí)膜后氣壓升高，見圖4。

3 復(fù)合土工膜耐久性室內(nèi)試驗(yàn)

在自然環(huán)境條件下，受光照、溫度、荷載作用等因素影響，復(fù)合土工膜材料的分子結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，力學(xué)性能逐漸降低，影響材料的耐久性。為探究影響復(fù)合土工膜材料耐久性的主要因素，按照工程現(xiàn)場(chǎng)工況條件，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過光輻射、溫度、微生物、濕度、淋雨等環(huán)境因素控制，模擬自然環(huán)境，采用高、低溫交變濕熱試驗(yàn)箱對(duì)土工膜復(fù)合材料進(jìn)行凍融循環(huán)加速老化試驗(yàn)。在30、-20 ℃的循環(huán)溫度下，經(jīng)過7個(gè)完整周期，在干燥、潮濕及西霞院庫水浸泡3種狀態(tài)下，評(píng)價(jià)試樣光澤度、皺起程度、屈服抗拉強(qiáng)度、屈服伸長率、極限抗拉強(qiáng)度、極限延伸率、撕裂強(qiáng)度、滲透系數(shù)等。

室內(nèi)土工膜耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合土工膜材料縱向抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加略有下降、極限延伸率未發(fā)現(xiàn)明顯趨勢(shì)性變化，滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求;干燥狀態(tài)下復(fù)合土工膜縱向抗拉強(qiáng)度總體大于浸水狀態(tài)下復(fù)合土工膜縱向抗拉強(qiáng)度;土工膜焊接縫和膠結(jié)縫處抗拉強(qiáng)度未見明顯趨勢(shì)性變化;土工膜屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度隨時(shí)間增加略有增大、屈服伸長率和斷裂伸長率未見明顯趨勢(shì)性變化。

4 土工膜缺陷對(duì)土石壩滲流影響及安全性評(píng)價(jià)

4.1 土工膜缺陷對(duì)土石壩滲流的影響

采用有限元法，結(jié)合工程實(shí)際建立二維數(shù)值模型[3-8]，從土工膜缺陷尺寸、位置角度進(jìn)行仿真分析，研究土工膜缺陷對(duì)土石壩滲流場(chǎng)的影響。

為便于計(jì)算，土工膜按滲透系數(shù)等效放大的原則將厚度放大100倍進(jìn)行模擬。模型上下游各截取一倍壩高，將防滲墻底部以下7.2 m作為底部邊界。模型離散后，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 652，單元數(shù)為14 872。計(jì)算時(shí)，模型底部和上下游邊界均設(shè)為不透水邊界，正常蓄水位以下上游壩坡設(shè)為已知水頭邊界，下游壩坡設(shè)為出逸邊界。有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。

壩基與壩體各材料分區(qū)滲透系數(shù)見表3。缺陷破損處滲透系數(shù)應(yīng)為無限大，考慮土工膜滲透系數(shù)較小，將其滲透系數(shù)取為100 m/s。

模擬結(jié)果表明，缺陷滲漏對(duì)缺陷附近滲流場(chǎng)影響明顯，隨著水頭與缺陷尺寸的增大，壩體各滲流要素如滲流坡降、單寬滲流量等逐漸增大，壩基防滲墻底部滲流坡降、單寬滲流量等逐漸減小;當(dāng)缺陷尺寸小于0.2 m時(shí)，下部缺陷對(duì)壩體與壩基防滲墻底部滲流要素影響最大，中部缺陷影響次之，上部缺陷影響最小;當(dāng)缺陷尺寸達(dá)到0.2 m時(shí)，中部缺陷對(duì)壩體與壩基防滲墻底部滲流要素影響最大，下部缺陷影響次之，上部缺陷影響最小。

4.2 土工膜防滲安全性評(píng)價(jià)

采用層次分析法，構(gòu)建土工膜防滲安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并對(duì)土工膜防滲安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層構(gòu)成。準(zhǔn)則層包括設(shè)計(jì)復(fù)查、施工復(fù)查、運(yùn)行狀況3個(gè)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)復(fù)查包括土工膜規(guī)格型號(hào)、墊層與保護(hù)層、夾具效應(yīng)3個(gè)指標(biāo)，施工復(fù)查包括墊層與保護(hù)層施工工藝與質(zhì)量、土工膜拼接質(zhì)量、施工人員素質(zhì)與技術(shù)水平3個(gè)指標(biāo)，運(yùn)行狀況包括土工膜老化程度、護(hù)坡狀況、土工膜實(shí)測(cè)性態(tài)（滲流、應(yīng)變、錨固附近的接縫開度、壩體位移等）3個(gè)指標(biāo)。

采用4級(jí)等區(qū)間劃分的方法對(duì)土石壩防滲安全性進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)值對(duì)土工膜防滲安全性的影響程度進(jìn)行排序，將指標(biāo)分為4個(gè)等級(jí)，一級(jí)[0，2）、二級(jí)[2，4）、三級(jí)[4，6）、四級(jí)[6，8]分別對(duì)應(yīng)正常（土工膜無缺陷滲漏，工作性態(tài)正常）、基本正常（局部存在滲漏異常，但不影響土工膜防滲安全性）、輕度異常（局部存在滲漏異常，對(duì)土工膜防滲安全性產(chǎn)生一定影響）、重度異常（壩體大面積滲漏，土工膜防滲性能基本失效）。同時(shí)采用線性加權(quán)法對(duì)土石壩防滲安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)值歸一化處理后[0，0.25）、[0.25，0.50）、[0.50，0.75）、[0.75，1.00]對(duì)應(yīng)防滲安全性等級(jí)分別為正常、基本正常、輕度異常、重度異常。

為了對(duì)土工膜防滲安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，邀請(qǐng)從事土石壩防滲土工膜研究的6位副高級(jí)及以上職稱專家，根據(jù)土石壩設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行狀況對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行打分，同時(shí)根據(jù)各指標(biāo)對(duì)土工膜防滲安全性評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度將土工膜的實(shí)測(cè)性態(tài)與老化程度確定為關(guān)鍵指標(biāo)，采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。采用層次分析法計(jì)算的該工程防滲土工膜防滲安全性綜合評(píng)價(jià)值為0.073，對(duì)評(píng)價(jià)值進(jìn)行歸一化處理，歸一化值為0.246，屬于正常。土石壩防滲土工膜安全性準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

5 運(yùn)行管理建議

后續(xù)土工膜防滲安全性監(jiān)測(cè)應(yīng)采取同一監(jiān)測(cè)手段，以排除試驗(yàn)差異對(duì)結(jié)果的干擾，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。日常巡視檢查中重點(diǎn)關(guān)注上游護(hù)坡和閘壩結(jié)合部位的運(yùn)行狀況，若發(fā)現(xiàn)上游護(hù)坡混凝土破損應(yīng)及時(shí)修復(fù)并做好下部墊層料的補(bǔ)充和平整，閘壩結(jié)合部位應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)資料，重點(diǎn)關(guān)注變形及滲壓計(jì)測(cè)值的變化。運(yùn)行中若發(fā)現(xiàn)膜后滲壓計(jì)測(cè)值顯著上升，以“前堵后排”為原則進(jìn)行處置，迅速降低庫水位的同時(shí)，在下游壩坡或壩腳采用土工織物、砂礫石做反濾，集中滲水后排出，查明土工膜破損部位和范圍后擇機(jī)修復(fù)。

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