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1、工程 技术水利规划设计20 0 0年 第4期复合土工膜土石坝的设计和计算顾淦臣(河海大学南京120 024)【摘要l本文对较缓坝坡和较陡坝坡 铺设复合土工膜防渗 的结构布置型式建议了不同的方 案。对复合土工膜水平铺盖的结 构布置型式以及设置排气排 水的逆止 阀作了建议。指出了几种不正 确的结构布置型式。提出了确定复合土工膜厚度的解析法和数值计 算法。对铺设在坝坡上的复 合土工膜及胶粘在坝坡上的复合土工膜的抗滑稳定计算方法作了论述。【关链词】复合土工膜水平铺盖逆止阀薄膜理论有限元法曲线交会法粘结力抗滑稳定工程结构布置砂卵石坝、堆 石坝、砌 石坝都可以用复合土工膜防渗。这些坝的边坡,可以按坝 的土
2、 石料特性作稳 定计算确定,不取决于复合土工膜与土石料之 间摩擦系数的大小。有的人认为复合土工膜铺在坝的上游面,因复合土工膜与土石 料之间摩擦系数较小,必需平缓的坝坡才能稳定,从而增大 了坝的工 程量。这种概 念是不 正确的。应该采用工 程措施,解决复合土工膜的稳定问题,例如上游 堆石面浇筑薄层混凝土,用沥青或胶粘剂将复合土工膜粘 贴在混凝土面上。则边坡很陡的干 砌 石坝或堆石坝都可以用复合土工膜防渗。下面描述三种主要的结构布置型式。1.1上游坡复合土工膜防渗有两种不 同情况,采用两种不同的结构布置:一是坝坡较平缓,复合土工膜靠摩擦力就能稳定,结构布置相当简单。只要整平坝坡面,铺复合土工膜,其
3、表面用块石护坡或顶制混凝土板护坡,见图1。这类坝多是砂卵石或砂质坝体。只要用推土 机把坡面推平,然后用斜坡振动碾或平碾压实坡面 形成为整平层,上面就可以铺复合土工膜。其趾部开挖地 基砂卵 石至基岩,浇筑混 凝土趾板。把复合土工膜端部的土工织物剥掉(订货时可要求1 0一1c 5m光膜边)光膜浇在混凝土趾板内。顶部也将光膜浇在混凝土 防浪墙的底板内。另一种是坝坡较陡,复合土工膜在斜坡上靠摩擦力不能维持稳定,要增加粘结力才行。这就需 要用胶粘剂把复合上工膜胶粘在坝坡 的 固坡 层上。对于不 同的坝 坡,可以选择 不同 的固坡层和 胶粘剂。例如堆石坝的坡面可用碎石找平,再用斜坡 振动碾压实。然后浇筑c
4、 6m厚无砂混凝土。在铺设复合土工膜之前,刷乳 化沥青或热沥青,立即将复合土 工膜铺上,并在其上 压载砂袋,使之牢固粘合。砌石钡的坝面可用混凝土找平,然后用强力胶粘剂将复合土工膜胶粘在 混凝土面上。更陡 的坝坡,可用锚杆图1平缓坝坡铺复合土工膜防渗的结构布呈l一整平层;2一复合土工膜;3一垫层;4一块石护坡或预制混凝土板护坡5一混凝土趾板;6一防浪墙;7一砂质坝或砂卵石坝;8一砂卵石地基;9一岩基工程技术水利规划设计20 0 0年 第4期将复合土工膜锚入坝体。锚 杆 穿过复合土工膜处,可用胶 粘剂填 补 密实。复合土工膜上面的护坡,如果采用预制混凝土板,可 用乳化沥青或热沥青将预制混凝土 板粘
5、结在复合土 工膜上。如 采用现浇混凝土板 护坡,其水泥砂浆会渗入 复合土 工膜的 土工织 物 中,能 牢 固粘结,粘结力可达20 OkN/mZ一2 5 0kN/mZ。在复合土工膜上喷 混凝土也是 一 种可取的护坡方案。喷 混凝 土的厚度,对于高坝,宜达 到2c 0m,对于低坝可采 用IOem。图2是堆石坝 上游坡 用复合土工膜防渗的坝断面和 细部 图示例。图2较陡坝坡胶粘 复合土工膜防渗的结构布置一例1一堆石找 平碾压后浇c 6m厚无砂混凝土;2一胶粘剂;3一复合土 工膜;生一胶粘剂;5一预制混凝土板;6一混凝土趾板;7一防浪墙;8一堆石坝体;9一砂卵石地基;l(J一基岩1.2复合土工膜铺盖
6、和上 游坡面防渗当透水地层很厚,开挖到岩基建 造混 凝土趾板工程量 太大时,可采 用复合土工膜水平铺盖与坝 坡复合土 工膜连接形成连续的防渗系统。砂卵石 层的容许渗透比降为0.1 0一。.1 5,则需 要渗径 长 度 为1 0H一6.6 7H。其中H 为坝前水深。如果坝体是用地 基相 同的砂卵石填筑的,则渗径长度是从铺盖前端到坝下游趾排水棱 体。如果坝体是堆石,则渗径长度是 从铺盖前端到铺盖末端。铺 盖前端埋置在 固定槽中,槽 内填筑 砂卵石。使前端不漂浮移动。铺盖面上 填压砂 卵石的厚度,需用 下述方法计算确 定:在水库水 位降落时,复合土工膜下面的渗透水 向前端和末端排 出,需要相 当 时
7、间才能逐渐排出,所以膜下 的水压力消散很慢。而水库水位降落较快。以致膜下的水 压力大于膜上 的水压 力,会使复合土工膜被 顶托漂起,尤其是铺盖中部,上托水压 力远远大于膜上 面的水 压力。应该计算在水库水位下降的过程中,铺盖下各点的顶托压力过程。按照铺盖底 部与顶部水 压力 差的最大值计算确 定复合土工膜上应该压填砂卵石的厚度。这样算出的砂卵石厚度可能很厚。为了减小所填砂 卵石厚度,可在 复合土工 膜某些 部位 装置逆止阀,当底部 水 压力大 时,逆止阀向上排水。当顶部水 压力大时,逆止阀闭合,不 会向 下漏水。在水库 初蓄 水时,原来干燥的库床砂砾 石孔隙中气体会 因水渗入而 向上排出,会顶
8、托复合 土工 膜使之漂浮,所以也需要逆止阀排气。为此,设置逆止阀是必 需的。概括地说,根据水库水位降落的过 程线和铺盖设 置逆止 阀的 位置 和数量,分时段计算铺 盖下渗透压力的分布。求同时段铺盖 下水压力和铺盖上水压力 的差值,按 各部 位各时段差值的最 大值计算铺盖上 各部位 填压砂 卵石的厚 度。坝坡面复合土 工膜结 构 布置与1.1相 同,当坝坡平缓,采用图1布置型式当坝坡 较陡,采 用图2布置型式。复合土工膜铺盖和坝坡防渗结构 布置见图3。1.3复合土工膜心墙砂 卵石坝、砂 坝、堆 石坝都可采 用复合土工膜心墙防渗,结构 简单。复 合土 工膜深埋坝 内,使 用寿命长。但不 易检修。坝
9、坡 复合土工 膜 防渗型式使用寿命不 如心墙型式长,但老化或损 坏后,可再铺设一层复合土工 膜,容易修复。在心 墙部 呈折线型图3复合土工膜铺盖和坝坡防渗的结构布置(坝坡较平缓一例)l 一整 平层;2一复合土卜膜;3一垫 层;.委 一块石护坡或预制混凝土板护坡;5一砂卵石填压 和保护层;6 一逆止阀;7一埋压槽;8一砂卵石坝体;9一防浪墙;1 0一砂卵石地基工程 技术水利规划设计2 00 0年第4期铺设,故比直线铺设增加材料 5 0%。但如果与上游坝坡为1:1.5的铺设材料相比较,心墙折线铺设所用材料还减省2 5 %。心墙复合土工膜呈折线铺设的原因 主要是施工方便;并且折线型松弛,更能适应坝体
10、变形,不产生 较大拉应变和拉应 力。因为较大的拉应变和较高的拉应力会加速 土工合成材料老化。复合土 工膜心墙堆石坝 的结构布置 见图4。详图/”.矛, .亡丫.。.。户.碑:自.图4复合土工膜心墙堆石坝结构布置1一砂砾石垫层保护层;2一复合土工膜;3一砂砾石垫层保护层;4一堆石;5一堆石施工时稳定坡;6一混凝土截水连接墙;7一防浪墙;8一砂卵石地层;9一基岩复 合土工膜铺 设与堆石填筑 协 同进行,见图4左侧详图。工、I、l为填筑分层。“工左”为第1层左区,其高度即第1层填筑厚度,其斜坡为填筑碾 压的 稳定坡,压实后 在斜坡上铺3 0cm厚砂 砾石作过渡保护 层,拍 打密 实,然后铺设 复合土
11、 工 膜。在其上再铺3 0cm厚砂砾石过 渡保护 层,拍打密实,然后填筑第1层 右区“I右”,碾压密实后,填筑第2层右区“l右”,碾压 密实后斜坡 上铺3 0cm厚砂卵石,拍 打密实,铺复合土工膜。在其上再铺3 0cm厚的 砂土石,然 后填筑第2层左区“l左”,碾压密 实后填筑“班左”。如此循 序填筑上升。这种施 工方 法,堆石填筑与复合土工膜铺设 没有干扰。如果 要把复合土工膜直立铺设,则必需用支架把复合土工膜吊起,然后 两侧填筑堆石。支架不能取出,故消耗钢材,且吊装时影响填筑,干扰施工。需要说明的是:浇筑在趾板混凝土、截水墙混凝土、防浪墙底座混凝土中的土工膜是光膜。向厂家订货时,可指明成卷
12、货物 中两端一定 长度为无土工织物的单一 土工膜(即光膜)。14几种不正确的结构布置以前有几座土工膜和 复合土工膜土石坝,设计者为工程安全 着 想,采取了一些昂贵的工 程结构布置,但事与愿违。实践证明,这种布 置是不必要的,甚至是失败的。这里举几 个例 子。(1 )捷克 多勃奇纳试验坝,是一座堆 石坝,坝坡1,. 15,高1 0m。1960年建造,若把聚氯乙烯膜镶铺在上 游坡 防渗,则抗滑稳 定不足,乃用 波形 混凝土板银铺在堆石 坝坡上,波形 板 面上 刷沥青,贝占铺厚1.lm m聚氯乙烯膜,再在膜上刷沥青,把同徉的 波形板 压合其上。但由于坝体沉陷变形导 致波 形板变形,使聚 氯乙烯膜应力
13、集中,观测 表 明有 多处破裂损坏。此较陡 坝坡与1.1第2种情况相同,可用图2的结构 布置,既节省资金、缩 短工期,又安全 可靠。(2)保加利亚1980年建成Radi, ,15:,o :堆石 坝,坝坡1:2,高4 0m。在堆石坝坡浇筑 r若干 条埋置式横梁,在其上铺混凝 上顶制板。将两面均 有 沥青橡胶膜保护的厚。.2mm的低密度聚乙烯膜铺在混凝土预制板上。上 面铺Zm只Zm太0.1 6m预制混凝土板作 护坡。实际 上这种平缓坝坡不需要横梁和顶制板,采用1.1的第1种形式 图1结构布置即可。该坝建造时,还没有复合土工膜,故可在坝坡整平层上浇筑薄层 无砂混凝土,将上述膜胶粘其上。可节省很多资金
14、。( 3)我 国有一座 堆 石 坝,坝 坡1:1.3,坝 高3 4m,坝坡整平压 实以后,铺复合土工膜。因坝坡陡,复合土工膜不稳 定,故浇筑 混凝土 框架压牢复 合上工膜。在框架空格内铺3 0cmx3c 0m只 。.1 6m预制混凝土板护坡,每个 空格内最下面一排预制混凝上板搁在横框上。但上 面各排预制板 不稳定,发生 下滑拱凸现象。这种结构布置 不成功,又较昂贵,不如采 用1.1的第2种情况图2的结 构布置。5 1.工程技术水利规划设计20 00年第4期(4)有几座已成坝,为粘性土斜墙或粘性土 心墙砂砾石坝,由于粘性土特性不 良或压实标准太低,坝漏水需防渗加固。这些坝高度为 2 0一3 0m
15、,上 游坝坡为1:2一1:2.5。加固方案为:斜墙坝 上游护坡及斜墙挖除或部分挖除,心墙坝则挖去上 游护坡及砂砾石的一部分。整平以后铺土工膜(光膜)。有些设计和 施 工人员怀疑土工膜 的防渗效果是 否可靠,故在土工膜上填筑粘土。但事与愿违,蓄水以后,到用水期水库水位降落,土工膜上填土全部滑落,这是因为渗过粘土的水被土工膜阻挡,滞留在土工膜与粘土之间,使该层粘土成泥浆,摩擦系数降至零,故水库水位降落时土工膜上的填土全部滑落。土工膜上应填筑透水性良好的砂砾石,蓄水以后,不 会 泥化,水库水 位降落时,砂砾石填 料 内的含水与水库水位同步下降,不增大滑动 力。丁=0.1 2 2户J。广了百(4)式中
16、d 0不均匀 砂砾 石的平均孔隙直径( m ),前苏联巴甫契奇认为d。=0.5 3 5nl/6n1一ndz7(5)2复 合土工膜或土工膜的厚度 计算及品种选择n砂砾石的孔隙率;d1 7特征颗粒直径,小于此粒径的重量比为17%。2.2用 曲线交会法计算复合土工膜或土工膜的厚度把可能比较选择 的复合土工膜或 土工膜进行拉伸试验,得到单宽拉 力一拉应变曲线,见 图5曲线及。把铺在孔洞上或窄缝上 的薄膜受荷载后 的单宽拉力一拉应变 曲线画在 上 述 同一 张曲线图上,见曲线 。曲线是铺在宽km的 窄缝 上承受lo om水 头时的单 宽拉力一拉 应变曲 线。即b-oolm,户一9 8 Ikpa,代入式(2)得到T一2/了万的曲线。韶书日、Z苦卜2.1铺在孔 洞或窄缝上面 的复合土工膜或土工膜的单宽拉力用薄膜 理论 推导得到川(1 )正方 形孔洞上 的薄膜受到 水压 力P( ka P),薄膜发 生 的单位宽度拉 力( kN/m)为T一0.12 2p“/、/下( 1)(2 )长 条窄 缝上的薄膜 受到 水压 力P ( ka P),薄膜 发生 的单位宽度拉力 ( k
