高水頭大壩土工合成黏土襯層滲漏試驗研究

馬 建

(新疆水利水電項目管理有限公司，新疆 伊犁 835400)

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究依托于新疆吉木薩爾縣泉溝水庫樞紐工程開展相關試驗。大壩頂高程1183.20 m，總高44.5 m。大壩周圍地質上部為坡積碎石土，土質松散，下覆基巖由砂質泥巖、礫巖等組成。泥巖飽和抗壓強度平均值為0.54 MPa，屬軟巖，巖層產狀為傾向NE70°，傾角7°～10°，強風化層厚3.0～5.0 m，弱風化層厚10.0～12.0 m。大壩結構采用Ca30F250W6鋼筋混凝土，設計過水流量為1.05 m3/s，設計最大流量20.80 m3/s。

1.2 試驗方法

試驗的目的是調查在襯砌系統中使用土工合成黏土襯層(GCL)的可行性，該襯砌系統在相對較高且符合大壩條件的水頭下包含土工膜。土工膜由透明丙烯酸制成，用于測試防滲系統的水力性能，如圖1所示。該單元分為一個底部部分，其中包含沙子，以及一個頂部部分，該頂部部分提供一個蓄水池[1]。土工膜和GCL放置在兩段之間，并使用O形圈密封。多孔石在底部邊界用于自由排水，在整個測試過程中測量流入量和流出量。壓力面板用于控制系統中的液壓頭，其范圍為7～42 m。

圖1 試驗程序中使用的滲透設計單元

試驗程序中使用的土工膜是厚度為1 mm的光滑線性低密度聚乙烯(LLDPE)。LLDPE的柔性特性允許土工膜適應系統的變形。在土工膜試樣的中心鉆取直徑為1.6 mm的圓形缺陷。試驗計劃中使用的GCL由夾在兩種無紡布載體土工織物之間的膨潤土組成。GCL的導水率約為10～11 m/s。試驗程序中使用了水合和非水合GCL。水合GCL在20 kPa的正常應力下在水中浸泡至少48 h。此外，在2 kPa下水合的GCL上進行了一組試驗，以評估水合法向應力對水力性能的影響。GCL沒有任何缺陷。本試驗計劃中使用的砂基質為一種中細砂。使用振動臺在滲透設計單元中對砂進行致密化，以達到75%的相對密度。在放置液壓防滲系統之前，將砂從單元底部飽和，該密度的砂的飽和導水率為8×10-7m/s。

試驗計劃中的大多數試驗包括土工膜。作為試驗計劃的一部分，進行了四個試驗系列：(1)無GCL。(2)未水合GCL。(3)在20 kPa的正常應力下水合GCL。(4)在2 kPa的正常應力下水合GCL。這些試驗系列評估了水頭、界面接觸質量和土工膜存在的影響。表1提供了每個系列中各個測試的詳細信息。

表1 試驗測試程序的范圍

2 結果與分析

堤壩滲漏是指大壩壩體兩側由于水頭差作用引起壩體或附近部位巖體透水產生滲漏的現象。持續的滲漏會降低大壩穩定性甚至導致坍塌。為了探究不同試驗對大壩滲漏的影響，所有試驗均在達到穩態流量之前進行，并將每次試驗的穩態滲漏率定義為試驗結束時的穩態流量。表2總結了作為試驗系列1～4一部分進行的基線試驗的平均穩態滲漏率。B子系列涉及土工膜的存在和良好的界面接觸質量。B子系列中的每個試驗均在不同的液壓頭下進行。非水合GCL試驗(試驗系列2)中的平均穩態滲漏率大約比僅土工膜試驗(試驗系列1)中測得的滲漏率小三個數量級。因此，襯砌系統中GCL的使用可能會對通過受損土工膜的滲漏率產生重大影響，這對大壩(如土壩)的設計至關重要。試驗系列3的平均穩態滲漏率大約比試驗系列2的測量值低一個數量級。這一比較表明，GCL水合作用在系統減少土工膜缺陷滲漏的有效性中起著相關作用。然而，在現場對GCL進行水合處理可能不具有成本效益。試驗系列4的平均滲漏率基本上與試驗系列3相同。這些結果表明，水合法向應力對滲漏率的影響可以忽略不計。

表2 試驗系列1～4中B子系列的平均穩態滲漏率

其他方面，如接觸質量的影響、GCL水合條件和土工膜的存在進行了調查(見表1)，但由于空間限制，此處不討論。本文僅進一步討論了試驗系列1和系列4的結果。

試驗系列1僅涉及使用7～35 m水頭進行的土工膜試驗。在這些試驗中，幾乎立即達到穩態流量。這是因為本研究所用砂的水力傳導率相對較高。在試驗系列1中的每個試驗中，穩態滲漏率隨著液壓頭的增加而增加。使用伯努利方程來計算通過孔的流量，以估計通過放置在滲透性土壤上的土工膜缺陷的流量?？装宸匠倘缡?1)：

(1)

式中：Q為流速，m3/s；C為說明孔的幾何結構的經驗系數；a為孔的面積(在這種情況下，表示土工膜的缺陷)，m2；g為重力加速度，m/s2；h為液壓頭，m。

使用經驗系數C(圖2)的不同值，將試驗系列1的測量滲漏率(達到每個壓頭的穩態速率)與伯努利孔板方程進行比較。對于土工膜中的流動缺陷，通常使用建議值C=0.6。相反，發現系數C=0.4產生的流速與試驗系列1中測量的流速非常相似。但是，如圖2所示，系數C=0.6給出的滲漏率略大于測量值。因此，與之前建議值相比，使用較低的C值獲得的更好的比較結果可歸因于本研究中的高液壓頭。這種差異也可歸因于孔邊緣的銳度、缺陷內部的粗糙度和缺陷的直徑。比較表明，通過孔板的流量方程可用于估算與沙接觸良好的土工膜小缺陷的流量泄漏。雖然良好的匹配取決于適當流量系數C的選擇，但孔板方程的基本趨勢與試驗數據是一致的，這表明使用該方程和適當校準的高水頭C系數可用于預測DA土工膜的滲漏。

圖2 試驗系列1的滲漏率與伯努利孔板方程比較

試驗系列4包括土工膜和砂樣品之間的GCL試驗。GCL在2 kPa的正常壓力下被水合。這些試驗使用14～42 m范圍內的液壓頭進行。每個試驗期間每個水頭的滲漏率(從滲透計單元流出的測量流速)如圖3所示。每個試驗都可以達到穩態流量，圖3中通過試驗結束時達到的恒定滲漏率來確定。與測試系列1中的測試不同，作為測試系列4的一部分進行的測試沒有立即達到穩定狀態。

圖3 試驗系列4的滲漏率和時間

圖4總結了試驗系列4中獲得的穩態滲漏率。每次測試中，滲漏率隨著液壓頭的增加而增加。盡管數據分散，但這種趨勢還是很明顯的。伯努利方程的流量通過一個孔不能再使用，因為下面的土工膜材料不再具有滲透性。因此，采用適用于復合襯層的分析方法來評估從試驗系列4中獲得的數據。

圖4 試驗系列4的滲漏率與Rowe分析模型比較

以往開發的經驗公式，用于估算當土工膜置于低滲透性土壤上時通過土工膜缺陷的滲漏率的情況下，不能很好地擬合試驗序列4中獲得的試驗數據。這是由于該模型是為低水頭下進行的試驗而開發的，并使用從試驗中獲得的數據進行校準[2-5]。因此，本文使用不受液壓頭影響的Rowe分析模型預測鋪設在低滲透底層土壤上的土工膜襯層缺陷的滲漏率，Rowe分析模型是基于最小能比原理提出了緊密粒狀集合模型及應力與剪脹的關系，可以較好地反映出材料的體變過程。預測的滲漏率與測試系列4中測量的穩態值的比較結果如圖4所示。良好的對比表明，Rowe模型適用于預測通過地膜水合GCL襯層系統測得的滲漏率。試驗系列4的濕區預測半徑范圍為2～3 cm，遠低于滲透儀的半徑(15 cm)。Rowe的模型依賴于接口的透射率。事實上，當界面透過率很小(5×10-11m2/s)時，試驗結果與預測結果吻合較好。界面的透射率取決于接觸質量和GCL載體土工織物的透射率。然而，良好的比較表明，Rowe的模型可用于預測代表大壩情況的高水頭土工膜缺陷的滲漏率。

4 結 論

(1)結合GCL的水合或非水合試驗得出的穩態滲漏率比無GCL系統中測量的滲漏率低三個數量級以上。反過來，水合GCL導致滲漏率比未水合GCL低大約一個數量級。

(2)在伯努利方程中，通過孔板的流量的C系數取決于液壓頭的范圍。如果使用適當的值，孔板方程可以很好地估計通過高水頭下土工膜缺陷的滲漏率。

(3)Rowe分析模型可以很好地估計放置在GCL上的土工膜缺陷的滲漏率。然而，預測取決于界面的選定透射率。盡管如此，可使用該模型評估與壓頭有關的滲漏率的預期趨勢。