土工膜在土石坝防渗中的应用

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1、土工膜在土石坝防渗中的应用11111施建勇卢廷浩张福海袁磊戴鹏飞[摘要]通过拉拔试验进行土工膜与粘土、砂、无纺土工布的界面摩擦特性研究，通过抗渗试验进行完整土工膜、有破损土工膜的抗渗特性研究。试验结果表明：无纺土工布对土工膜与土体界面抗滑特性的发挥没有更好的作用，土工膜与无纺土工布之间也不会产生软弱滑动面；完整的土工膜有较高的抗渗特性，无纺土工布对防止破损土工膜抗渗条件的恶化有较好的保护作用。对土工膜在工程防渗中应用提出了一些建议。[关键词]土工膜土石坝界面渗透防渗问题是土石坝工程设计、施工、运行

2、中的重要问题之一。目前应用于土石坝工程的防渗技术有粘土心(斜)墙、混凝土心(斜)墙、面板防渗和土工膜防渗等，其中土工膜防渗技术已在我国三峡水利工程和世界上许多工程得到应用。文献[4]将土工膜与粘土铺盖联合使[3]用，防止粘土铺盖因不均匀沉降而产生裂缝；LagoNero坝是1929年建成的重力坝，在1975[1]年利用土工膜对上游面进行了防渗处理；土工膜斜墙也曾用于土坝的防渗；除了水利工程，土工膜也在其他工程的防渗中应用，如固体废弃物填埋工程。因此，对土工膜防渗特性的研究，将对其在土石坝工程中的应用

3、提供更完善的技术保证，也将对其在类似工程中的应用提供帮助。文献[2][5]进行了土工膜与其他材料的摩擦特性试验研究。本文将在改装的直剪仪上进行土工膜的拉拔试验，在研制的抗渗仪器上进行土工膜的渗透试验研究。1.土工合成材料与土体的界面特性界面特性试验就是在不同的垂直压力下测定不同材料之间的抵抗相互滑动的力学参数。试验时，将需要试验的材料制作成150mm×250mm的试样，用相应的夹具夹牢试样，放入试验仪器，见图1；在一定的垂直压力下拉拔试样，直至界面发生较大的相对位移，记录拉拔力与拉拔位移的关系曲线

4、，由此可整理得到材料间的力学参数。P夹具HDPE膜盖板拉力传感器土料拉力装置位移传感器混凝土块图1界面的摩擦性质试验装置示意图设拉力装置提供的拉力为T，则土工膜与相邻材料界面的剪应力τ可以用式(1)计算。T2LB(1)1河海大学土木工程学院。296式中：L——土工膜试样在土体中的长度；B——土工膜试样在土体中的宽度。1.1HDPE膜与粘土间的界面特性试验(1)不同压力下的拉拔位移与拉拔力间的试验关系曲线(见图2)。200剪应力/kPa180σ=500kPa160140350kPa200kP

5、a12010080100kPa6050kPa4020剪切位移0.01mm012621112283455006809691359174123152910图2土工膜与粘土界面剪应力与剪切位移关系图图2土工膜与粘土界面剪应力与剪切位移关系(2)HDPE膜与粘土间的界面特性参数(见图3)180抗剪强度/kPa160140120100c=33.4kPafi=13.8980604020法向应力/kPa00100200300400500600图3土工膜与粘土界面强度线图3土工膜与粘土界面强度线1.2HDPE膜与

6、砂、无纺土工布和无纺土工布与粘土等材料间的界面特性试验类似的试验可以得到不同材料间的界面特性参数，见表1。表1不同材料间的界面特性参数材料界面的凝聚力/kPa界面的摩檫角/(°)土工膜与砂31.4329.6土工膜与无纺土工布027.76无纺土工布与粘土15.5414.27无纺土工布与砂37.913.71.3各种材料间的界面特性试验分析在各种材料间的特性试验中，着重分析土工膜、土工布与粘土的界面特性和土工膜与土、土工膜与土工布的界面特性及相应的力学参数。(1)土工膜、土工布与土的界面特性。图4是土工

7、膜、土工布与粘土界面特性的对比图。由图4可见，土工膜、土工布与粘土297间有几乎相同的摩檫角，但土工膜与粘土界面有比土工布与粘土界面高得多的凝聚力；砂与土工膜界面特性也优于无纺土工布于砂间的界面特性。因此，土工膜与土的界面有比土工布与土的界面有更好的抗滑特性，这意味着在土石坝工程中土工膜直接与土接触更有助于土工膜自身的抗滑稳定性。180抗剪强度/kPa1601401201008060c=15.54kPafi=14.27c=33.4kPafi=13.894020法向应力/kPa00100200300

8、400500600图4土工膜、土工布与土界面强度线图4土工膜、土工布与土界面强度线(2)土工膜与土、土工膜与土工布的界面特性。图5是土工膜与土、土工膜与土工布的界面特性对比图。由图5可见，在法向应力较低的情况下土工膜与土之间有较高的抗滑特性，而在法向应力较高的情况下土工膜与土工布之间有较高的抗滑特性，分界点的法向应力约为100kPa；砂与他们间的界面也有相似的性质。在土石坝工程中，为了有效地保护土工膜而在其下设置土工布，不会在两者之间形成不利于抗滑的薄弱面。300抗剪强度/kPa2