防渗土工膜工程特性的探讨

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1、河海大学学报JOURNALOFHOHAlUNIVERSITY防渗土工膜工程特性的探讨（水力发电工程系〉摘要根据土石坝防渗土工膜受力变形的理论分析成果.结合组合式土工膜在不同粘着牢度及人工加速老化等不同悄况下的拉伸试验结果•深入探讨了组合式上工膜的一些工程特性，提岀极限伸长率对于膜本身的安全比拉伸强度更为重要的旣念以及组合膜获取最大极限伸长率的方法，并得岀了.一些具有工程实用价值的结论•关键词坯当组合土工膜;粘着丰度，极限伸长率；控制开关燃：紅才理粥中图法分类号^641,TV4471前言80年代以来.我国已有许多土石坝和土石围堰采用土工膜作为主要防渗体•一些险坝病库也

2、采用土工膜及土工织物进行防渗加固•处理・取得了显著的经济效益・目前国内土工膜的最大防渗水头已达50m.单个水库的土工膜铺设面积最大已达50万土工膜将继粘性土料.钢筋混凝土面板之后成为土石坝的第三大防渗材料・目前国内土石坝工程采用的土工膜绝大多数为高分子聚合材料.主要有两大类•即塑料与氯丁橡胶・型式有单一的膜・还有加入织物层的组合膜.同为塑料材质•由于生产工艺不同又可分为吹塑型、格出型、涂刮型等.不同条件下的一些拉伸持性进行探讨•以期得岀一些具有实用价值的结论・土工膜作为土石坝的防渗体.常设置在上游坝面或坝体中央.其受力形式有以下几种.2・1宏观拉伸土工膜的周边固定于

3、河床与岸坡上•顶部埋監在坝顶.一方面.坝体受水荷载后将向下游方向位移.而使土工膜发生挠曲；另一方面.两岸坝体向河心的位移将带动土工膜产生拉伸.所以.坝体中土工膜的拉神变形是不可避免的.其值可在土石坝的有限元分析计算中得到.若在膜单元与堆石体单元之间不设摩擦单元•则可得到土工膜在坝体中拉伸变形的最保守值.由土工膜的应力应变关系可求得土工膜内的拉力值、尽管土石坝的水平位移与竖向位移的最大值一般位于坝体的中上部.但膜单元两端结点的相对位移录大值则往往发生在坝体•肖下明.刘人转弄谷M了试幹:J・fV・收締I】期，1992-04-23的底部，这是由于底端结点被约束的缘故.有些

4、腹单元两端结点在坝休位移过程中互相靠近.表示该处土工膜发生局部褶皱变形.其内自然不会岀现拉力.有限元分析计算表明.膜单元抗拉劲度仅对膜本身的应力变形发挥影响.而对坝体的位移则制约甚微.2.2局部张拉若土工膜下面的垫层为砾卵石.则受水荷载后.土工膜将被顶入卵石之间的孔隙中$若土工膜下游面接蝕的土层产生裂缝.则土工膜也将被水荷载顶入裂缝中.这两种情况都将使土工膜产生局部张拉.2I.土工•朕内拉力$3.水压力S1土工2.2.1砾卵石垫层情况假设受顶压后的土工膜近似成为球面的一部分.如图1所示.则膜內所受拉力T为T=£（厂+r2）式中P—球形膜所受的径向均布水压力；F，/—

5、—该球面的半径与矢高.从式（1）可知.一旦变形的球面形成以后.随着膜的变形增大.即f增大尸减小♦膜内拉力T随之变小.直至达到平衡.当外荷载P与孔隙尺寸一定时.r的大小取决于土工膜的变形模量.由此可推断，在孔隙尺寸一定的情况下.若两膜受水顶压种土工膜的拉伸强度接近.而伸长率不同时.则伸长率大的土工膜能承受较大后的变彩、愛力示意的水荷载.2.2.2履下土层出观裂缝的情况假设在狭长缝隙间受顶压的土工膜近似成为鬪筒壁的一部分•如图1所示.则膜内所受拉力T为T=yr（2）式中p——圆瓠形膜所受的径向均布水压力）r——圆弧膜的曲率半径.从式（2）可知.当p一定•膜的变形逐渐增大

6、即曲率半径r逐渐减小时•膜内的拉力T随之线性地滅小.由此推出的结论与2.2.1所述相同.2.2.3半仪验公丈前苏联应用薄膜理论结合试验得岀的砂卵石垫层上受顶压后膜内拉应力的公式直接反映了土工膜的弹性模量的彬响，其形式如下，a=0.0347K,/a（^—IkPa）,E—设计温度下膜的弹性模量（9&JkPa）；p—膜承受的水压力（9.d与膜接触的砂卵石It大粒径（mm）,C为膜的厚度（mm）.从式（3〉中可知.莎较小时.膜在额粒孔隙内的形状改变较大，在相同的水荷

7、载作用下.膜内产生的应力就小.2.2.A薄膜理论公式由薄膜理论宜接推得的正方形边界上与长条缝边界上的膜受力表达式•分别为T=0.I22m//T⑷T=0・20伽//T(5)式中T—单位宽度膜的拉力(kN/m)；e—拉应变$p—水压力荷载(kPa)；sb—正方形膜的边长与长条缝的宽度(m)・从式<4).<5)可见.当p、么或6—定时•膜的拉应变较大时.膜内拉力则较小.即膜的拉伸强度相近时.变形模凰小的膜获得较小的膜内拉应力・2.3摩擦剪切土工膜与其相接触的土、砾卵石之间的抗剪强度可用摩擦角卩表示，与粘性土接蝕时还有凝聚力存在.当土工膜设在砂砾坝盖的中央时，水库蓄水运