岑威鈞，和浩楠，溫朗昇

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

防滲土工膜的缺陷特性與缺陷滲漏研究進展

岑威鈞，和浩楠，溫朗昇

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

詳細闡述土工膜用于防滲工程時出現(xiàn)缺陷的形式與測試方法、缺陷分析理論與計算模型、缺陷預(yù)防原則與措施、墊層屬性與接觸滲流、不同接觸和墊層條件下的缺陷滲漏量、缺陷滲漏影響因素等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的研究成果進行分析、歸納、總結(jié)和評價。總結(jié)表明，由于土工膜缺陷問題的復(fù)雜性和不確定性，現(xiàn)有研究以試驗研究為主，輔以一定的理論分析和數(shù)值模擬，各方法和理論得到的成果存在一定的差異性。為此，建議了與土工膜缺陷相關(guān)的可進一步研究的若干重點問題，促使設(shè)計和研究人員對土工膜缺陷問題盡早得以較為全面的認識和有效的控制。

土工膜；缺陷特性；測試方法；分析理論；缺陷滲漏；研究進展

土工膜是一類由高分子聚合物制成的新興工程防滲材料，具有防水性能好、厚度薄、施工速度快和造價優(yōu)勢明顯等特點，已廣泛應(yīng)用于土石壩、堤防、圍堰、庫盆、蓄水池、渠道、垃圾填埋場等防滲工程。國外曾對某工程28處20萬m2土工膜進行質(zhì)量檢測，結(jié)果表明平均每1萬m2中有26個漏水孔，其中15%為孔眼缺陷[1]。Nosko等[2]通過對300多處大約325萬m2的土工膜進行質(zhì)量檢測，發(fā)現(xiàn)大小為0.5～10 cm2的缺陷占總?cè)毕莸?5.8%，其中由下墊層石塊引起的頂破/刺破占缺陷總數(shù)的71.17%。雖然上述工程中土工膜缺陷數(shù)量較多，但土工膜承受的防滲水頭較小。然而在土工膜防滲土石壩中，尤其(較)高壩，土工膜的防滲水頭較大，因此土工膜的缺陷及整體防滲性能引起設(shè)計者的特別重視。據(jù)國際大壩委員會(ICOLD)2010年不完全統(tǒng)計，全球已有167座大型土石壩采用土工膜防滲[3]。土工膜既可作為新建壩的防滲體，也可以用于老壩的滲漏修復(fù)。目前，我國已有一些較高新建堆石壩，例如云南省53 m高的塘房廟堆石壩[4]、廣西區(qū)48 m高的田村堆石壩[5]、四川省56 m高的仁宗海堆石壩[6]等，均采用復(fù)合土工膜防滲，至今運行良好。對于老壩滲漏問題，我國也有不少土石壩工程成功使用土工膜進行修復(fù)，其中土工膜防滲水頭最大的為陜西省85 m高的石砭峪定向爆破堆石壩[7]。雖然土工膜具有明顯的防滲和價格優(yōu)勢，但幾十年來國內(nèi)壩工界依然未興起采用土工膜防滲的熱潮，尤其近些年來土工膜在新建高土石壩中的防滲應(yīng)用更是寥若晨星[8]。究其原因，筆者認為目前一些壩工設(shè)計師對土工膜這種新型防滲材料的各種力學和水力學等特性尚未深入掌握，“直觀感覺”就是土工膜容易破損和老化。關(guān)于土工膜的耐久性，已有研究表明[9-11]，在合適的保護下土工膜的使用壽命在100 a以上，具體研究細節(jié)將另文撰述。本文重點闡述工程界關(guān)注的土工膜缺陷屬性及缺陷引起的滲漏問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究成果，并指出現(xiàn)有研究存在的不足和需進一步研究的若干重點，期望能使大家對土工膜缺陷問題有較完整的認識，促使土工膜在高水頭防滲工程中得以廣泛應(yīng)用。

1 土工膜缺陷特性及預(yù)防機理研究進展

1.1 缺陷特性及影響因素

土工膜缺陷包括細觀缺陷和宏觀缺陷2類。胡利文等[12]利用光學顯微鏡和電鏡分別對不同延伸率下土工膜的微結(jié)構(gòu)進行研究，探討了土工膜微觀破損機理，認為顆粒雜質(zhì)和材料塑性對土工膜破損有較大影響。對實際工程防滲應(yīng)用來說，土工膜的細觀缺陷一般不影響其宏觀防滲性能，可不考慮，重點關(guān)注宏觀缺陷(即土工膜的破損)。土工膜的宏觀缺陷主要包括拉破、頂破、刺破、液脹破壞等因局部受力變形過大引起的破損，以及因焊接或膠接質(zhì)量引起土工膜連接處的破損。后者的連接不完整性可以通過提高施工質(zhì)量加以避免或減小，前者破損具有不確定性，影響范圍大，因此是目前研究的重點，其中頂破、刺破、液脹破壞應(yīng)尤為關(guān)注。柔性的土工膜在實際防滲工程中需有下墊層的支撐。下墊層一般多選用一定顆粒級配的土石料(亦有采用低透水性黏土或GCL等)，要求其具備滲透性好，壓縮性小，抗壓強度高等特點。由于土石散粒料墊層表面在細觀上凹凸不平，在(較大)水壓力作用下土工膜會在墊層中某些突出顆?；虬伎犹幇l(fā)生局部變形。根據(jù)局部變形的大小，土工膜可能出現(xiàn)不同程度的局部損傷，乃至破壞，形成宏觀缺陷，使得土工膜失去完整的防滲功能。岑威鈞[13]從產(chǎn)品質(zhì)量、受力、施工、設(shè)計、運行等方面詳細闡述了土石壩中防滲土工膜各類宏觀缺陷形式及其產(chǎn)生原因，但未涉及定量評價分析。Brachman等[14-15]利用厚度小于0.2 mm的壓感紙在壓力作用下其微型色囊發(fā)生破裂并在壓感紙表面顯色的原理記錄土工膜與礫石之間的接觸方式，發(fā)現(xiàn)土工膜與土石料之間的接觸類型有：點式、邊式、面式、輪廓式及復(fù)合式接觸，其中點式接觸最常見，約占總數(shù)的40%，其次為邊式接觸。點式接觸主要是由于在膜上壓力作用下，膜下土石顆粒發(fā)生局部不均勻沉降，導致個別顆粒較大的礫石頂托土工膜，使土工膜在局部膜平面內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。當局部拉應(yīng)力足夠大時，土工膜將出現(xiàn)頂破或刺破的宏觀缺陷。

土工膜的頂破/刺破抵抗能力和下墊層顆粒形態(tài)有關(guān)。Stark等[16]通過PVC土工膜頂破/刺破試驗表明，臨界頂破高度越大土工膜越易破壞，因此土工膜墊層設(shè)計時應(yīng)具有較好的平整度，避免存在較大凸起的礫石顆粒，可有效預(yù)防土工膜頂破/刺破。此外，實際工程調(diào)查表明，土工膜破損還與自身特性和施工方法等有關(guān)。Narejo[17]對光面和糙面HDPE土工膜進行試驗研究，結(jié)果表明，不同廠家生產(chǎn)的光面土工膜的抗頂破能力相似，但糙面土工膜的抗頂破能力與加糙工藝有關(guān)；且糙面土工膜的抗頂破能力低于光面土工膜，在工程應(yīng)用中應(yīng)采用密度較大的土工膜。Stark等[18]用試驗方式測量施工機械和場地特征對垃圾填埋場中的土工膜作用力。試驗表明施工機械作用在土工膜上的力要大于計算土壓力(約大2～5倍，具體取決于上覆土層厚度和材料種類)和彈性理論解，且當土工膜上覆砂土厚度小于0.1 m時，土工膜發(fā)生破壞；隨著施工機械行駛速度增加，壓力值逐漸減小，并且砂土層的保護作用較粗礫石層明顯。由此可見，施工機械及其運行特性對預(yù)防土工膜出現(xiàn)缺陷也有重要影響。

1.2 缺陷測試方法

為定量評價土工膜抵抗頂破/刺破的能力，國外常用2類試驗進行模擬。一類是模擬土工膜現(xiàn)場工作條件，使用天然礫石墊層測量土工膜頂破/刺破抵抗能力；另一類采用人工頂破介質(zhì)，測量土工膜的頂破/刺破抵抗能力。第一類試驗方法的優(yōu)點是真實模擬土工膜的局部受力條件，但現(xiàn)場試驗條件不易精確復(fù)制，因此較難形成共性評價標準。第二類試驗方法一般在室內(nèi)實施，但目前還未建立不同形態(tài)的人工頂破介質(zhì)與天然土石料顆粒形態(tài)之間的關(guān)聯(lián)，因此試驗成果與實際情況有脫節(jié)。

在模擬現(xiàn)場條件時，Antoine等[19]提出了模擬現(xiàn)場條件礫石形態(tài)的人工礫石制備法。即利用圖像分析原理計算墊層中天然礫石的角度和鈍度，據(jù)此制作人工礫石墊層，模擬顆粒墊層條件下土工膜頂破/刺破抵抗能力。試驗結(jié)果表明，在相同的密度下人工礫石法得到的抗頂破強度偏小。Athanassopoulos等[20]對現(xiàn)場條件下尖銳大粒徑礫石墊層的土工膜頂破/刺破抵抗能力進行測試，發(fā)現(xiàn)土工膜除頂破/刺破外，還發(fā)生了不同程度的屈服現(xiàn)象。Hornsey等[21]利用激光掃描技術(shù)對散粒體墊層條件下土工膜應(yīng)變進行了測量。相比人工統(tǒng)計因墊層砂石顆粒造成土工膜壓痕的方法，該法能夠客觀描述土工膜在礫石作用下的真實受力變形狀態(tài)，預(yù)測現(xiàn)場條件下土工膜的頂破/刺破抵抗能力。

關(guān)于人工頂破介質(zhì)法，根據(jù)不同的試驗器材，又包含不同的類型。目前土工合成材料測試規(guī)范給出3種標準室內(nèi)試驗測試土工膜抵抗局部頂破/刺破的能力，即脹破試驗、CBR頂破試驗、刺破試驗。3種試驗采用的試樣、夾具以及頂桿的尺寸是固定的。Allen[22]開展“抗刺破和拉伸測試方法(FTMS 101C， Method 2065)”和“土工織物、土工膜及相關(guān)產(chǎn)品抗刺破指數(shù)測試方法(ASTM D 4833)”對比分析，發(fā)現(xiàn)2種試驗方法得到的頂破強度相差15%～35%。而實際工程中，墊層散粒體的顆粒大小、形狀、堆積和排列呈隨機分布，土工膜發(fā)生局部頂破/刺破的情形可能與上述標準試驗條件差異性較大。為盡可能地模擬現(xiàn)場礫石形態(tài)對土工膜頂破/刺破的影響，Lee等[23]與Sabir等[24]根據(jù)礫石的形狀分別制作頂破介質(zhì)，對土工膜(或土工織物)施加荷載，發(fā)現(xiàn)土工膜(或土工織物)頂破/刺破抵抗能力與施加荷載的頂破介質(zhì)有很大的相關(guān)性。因此，用室內(nèi)標準試驗測試土工膜局部頂破/刺破抵抗能力應(yīng)結(jié)合實際工程土工膜工作條件建立“標準化”土工膜缺陷室內(nèi)測試方法，為定量評價土工膜抵抗局部破損能力奠定基礎(chǔ)。

1.3 缺陷分析理論與計算模型

土工膜的破損是由于土工膜局部拉伸變形過大所致，因此土工膜防滲設(shè)計時常用土工膜拉伸試驗成果評價土工膜的允許變形能力。目前，土工膜缺陷的一些分析理論和計算模型大多是緊密依托試驗成果得到的。Ghosh[25]通過改進的CBR試驗研究了預(yù)加徑向應(yīng)變條件下土工織物頂破/刺破抵抗能力，并將其與寬條拉伸試驗得到的破壞應(yīng)變之間建立關(guān)系。試驗結(jié)果表明，寬條拉伸試驗破壞應(yīng)變比CBR試驗結(jié)果大得多。Lambert[26]通過不同類型土工膜水力頂破(液脹)試驗發(fā)現(xiàn)，土工膜在水力作用下根據(jù)自身變形能力有2種不同的破壞方式：頂破(接觸點上)和脹破(接觸點之間)；并分別建立雙軸拉伸試驗、靜力頂破試驗與水力脹破試驗之間的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，2種關(guān)系在脹破破壞下呈線性關(guān)系。

為了建立土工膜室內(nèi)頂破試驗結(jié)果與現(xiàn)場土工膜破壞之間的聯(lián)系，Wilson-Fahmy等[27]、Narejo等[28]和Koerner等[29]分別從理論和試驗方面研究HDPE土工膜的頂破抵抗能力。Wilson-Fahmy等[27]將試驗?zāi)Ｐ椭袌A形土工膜四周固定，膜中心受頂部為球形的光滑圓柱體支撐，逐漸增加作用在膜上的水壓至土工膜破損，建立了基于土工膜頂破理論的分析模型；根據(jù)變形后土工膜呈軸對稱懸鏈形的假定，采用薄膜拉伸理論計算土工膜頂破抵抗能力，得出土工膜抗頂破能力隨著土工膜厚度的增大呈線性增加，并且土工織物保護層的使用能使土工膜抗頂破能力顯著提高。Narejo等[28]分別利用截頂圓錐和礫石對土工膜進行長期和短期頂破/刺破模擬試驗，發(fā)現(xiàn)土工膜頂破/刺破抵抗能力隨著土工膜及土工織物保護層密度的增加而增加。同時試驗通過對比不同模擬條件(土工膜有否保護層、單個礫石與截頂圓錐、礫石層與單個礫石、靜水壓力與靜土壓力、長期荷載與短期荷載)下土工膜頂破/刺破強度，最終得出土工膜頂破/刺破強度經(jīng)驗計算公式。

Giroud等[30]建立了一個考慮土工膜與梯形頂破棒接觸面積、土工膜厚度及拉伸特性的土工膜頂破強度計算模型，并與已有試驗數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明，模型計算值最多低于試驗值20%，能夠滿足工程應(yīng)用精度要求。同時，Giroud基于室內(nèi)試驗建立了水壓條件下鋪設(shè)在均勻尺寸和形狀的礫石層上的土工膜頂破/刺破抵抗能力表達式，并將該表達式推廣應(yīng)用到現(xiàn)場條件。Tognon等[31]對比了顆粒作用下土工膜局部應(yīng)變的3種不同理論模型。結(jié)果表明拱伸長法和薄膜理論可以估算土工膜局部應(yīng)變的大小，拱伸長法具有較大的主觀性，而薄膜彎曲法可較客觀地描述土工膜在顆粒作用下的局部應(yīng)變分布。Stark等[16]為推廣Narejo等[28]提出的HDPE土工膜頂破/刺破強度經(jīng)驗計算公式，通過試驗研究PVC土工膜臨界頂破高度、頂破力及厚度之間的關(guān)系，將臨界頂破高度引入上述公式，在計算模型的基礎(chǔ)上提出PVC土工膜抵抗頂破/刺破的設(shè)計方法。Jiang等[32]基于Giroud提出的基本理論，考慮墊層顆粒的隨機性及無序性排列，建立土工膜局部發(fā)生頂破/刺破與膜上壓力和下墊層顆粒粒徑關(guān)系的概率模型。土工膜上壓力越大，墊層顆粒粒徑越大，土工膜發(fā)生頂破/刺破的概率越高。

1.4 保護層設(shè)計原則與措施

土工膜保護層是保證土工膜防滲工程(如土工膜防滲土石壩、垃圾填埋場等)長期運行的重要措施。Giroud[33]在1984年首次提出采用針刺無紡?fù)凉げ甲鳛橥凉つさ谋Ｗo層，討論了土工織物對土工膜出現(xiàn)缺陷的預(yù)防作用，但并未提出相應(yīng)的設(shè)計方法。Narejo[34]分別從運行過程中土工膜能否發(fā)生屈服及是否發(fā)生頂破總結(jié)了國際上現(xiàn)行的3種不同的土工膜保護原則：(a)“德國保護原則”，即要求顆粒穿刺試驗得到的土工膜局部應(yīng)變應(yīng)低至0.25%。(b)正常運行條件下土工膜不會產(chǎn)生屈服，要求土工膜能承受1.5～2倍的設(shè)計法向荷載(最少持續(xù)100 h)。采用性能穿刺試驗時土工膜若產(chǎn)生屈服跡象，則應(yīng)提高土工膜保護層的密度。(c)對于不會危害環(huán)境的次要或臨時的垃圾填埋場或其他一些防滲工程，可允許土工膜在使用過程中產(chǎn)生屈服。同樣采用性能穿刺試驗直到土工膜出現(xiàn)缺陷，此時應(yīng)選取合適的安全系數(shù)將穿刺失效壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場允許壓力值進行土工膜預(yù)防缺陷設(shè)計。

Hullings等[35]與Brachman等[36]分別利用標準試驗和天然礫石墊層對保護層的作用進行試驗研究，結(jié)果表明，采用無紡?fù)凉た椢锘蚣毶白霰Ｗo層時能有效防止土工膜發(fā)生頂破，并且提高土工織物的密度或增大土工膜的厚度明顯增強了土工膜的抗頂破能力。土工膜保護層種類有很多種，包括砂土、壓實黏土、橡膠輪胎顆粒、土工織物和復(fù)合層。關(guān)于其作用，Dickinson等[37]開展了專門的試驗研究，結(jié)果表明：150 mm厚的砂土保護層在250 kPa豎直壓力作用下保護能力最強，但考慮到砂土在水流作用下易流失的性質(zhì)，在堤壩等擋水工程中使用并不適合；50 mm厚的粗碎石在同等豎直壓力作用下與150 mm厚砂土具有同樣的保護作用；150 mm厚的壓實黏土和150 mm厚的橡膠輪胎顆?？蓪⑼凉つぞ植繎?yīng)變降低至可接受范圍內(nèi)；多層復(fù)合土工織物保護層可將土工膜短期應(yīng)變降低至3%以下。因此，對于防滲土工膜高土石壩，在保證壩坡穩(wěn)定的情況下可考慮采用一定厚度的粗碎石、橡膠輪胎顆?；蚨鄬訌?fù)合土工織物作為保護層，最優(yōu)厚度可根據(jù)實際水頭進行換算。

1.5 需進一步研究的問題

防滲土工膜是一類柔性薄膜材料，工程中使用的厚度多在0.5～3 mm，其抵抗頂破、刺破和脹破等各種缺陷產(chǎn)生的能力有限。工程實踐表明，進行土工膜防滲應(yīng)用時其缺陷是幾乎不可避免的。因此，工程設(shè)計中應(yīng)考慮采用“缺陷存在及可控”的設(shè)計理念，而不是一味地擔心甚至害怕土工膜缺陷的出現(xiàn)而抵制采用土工膜進行防滲。由于土工膜缺陷問題的復(fù)雜性，目前有關(guān)土工膜破損的研究大多基于現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模擬試驗，且國內(nèi)外學者之間的成果有一定差異性，尚未形成系統(tǒng)公認的研究成果及理論。為此，宜重點考慮對如下問題開展進一步研究：(a)定量評價土工膜發(fā)生頂破、刺破和脹破時的核心影響因素，確立主次；(b)建立考慮核心影響因素的土工膜局部變形特性的測試方法，定量建立土工膜破損的顆粒接觸特性參數(shù)；(c)盡早建立“標準化”土工膜缺陷的現(xiàn)場模擬試驗，使各家研究成果有可比和借鑒的基礎(chǔ)；(d)在室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗基礎(chǔ)上，建立土工膜缺陷的計算方法和預(yù)測模型；(e)研究預(yù)防和避免土工膜出現(xiàn)宏觀缺陷的有效保護措施，使土工膜缺陷處于可控之中。

2 土工膜缺陷滲漏(滲流)研究進展

2.1 墊層屬性與接觸滲流

完好無損的土工膜滲透系數(shù)一般為10-11～10-13cm/s，透水性微小。土工膜的細觀缺陷多為生產(chǎn)過程中母材不均一性導致的細微孔眼，滲漏量微小，不會對工程安全造成影響。即使對于土工膜防滲土石壩等(較)高水頭防滲工程，也無需關(guān)注土工膜的細觀缺陷滲漏，而應(yīng)重點考慮土工膜宏觀缺陷引起的滲漏。防滲土工膜下墊層的設(shè)計通常包含2種不同的設(shè)計理念。一種是下墊層采用黏土、GCL等低透水性材料，與土工膜一起形成復(fù)合防滲層，以限制已有缺陷導致的缺陷滲漏；另一種是采用砂礫石等透水性較強的材料作為墊層，一旦土工膜出現(xiàn)破損滲漏，立刻將水排出，以降低膜后滲透壓力。

土工膜與低滲透性土組成復(fù)合防滲層時，通過土工膜缺陷的水流會先在土工膜與下墊層間形成接觸滲流，然后再滲透到下墊層中。Chai等[38]開展大尺度、相對長期條件下土工膜缺陷滲漏試驗，通過測量土工膜與下墊層之間的離子濃度，證實接觸滲流的真實存在；Giroud等[39-40]指出膜土接觸條件的好壞是影響土工膜缺陷滲漏量的重要指標，由此提出不同接觸條件下的滲漏量經(jīng)驗公式。為了簡化接觸條件，Rowe等[41-42]假設(shè)土工膜與下墊層間的接觸厚度均勻一致，分別提出了圓形缺陷(軸對稱條件)、褶皺并含缺陷(二維缺陷條件)條件下的滲漏量解析公式。實際工程條件下，土工膜表面的粗糙度[43-44]不一，日照等原因引起溫度變化導致的土工膜膨脹性能亦有差別，下墊層土石顆粒分布導致的突起或凹坑也有所不同，這些均使得土工膜與下墊層間的接觸厚度并不均勻。Touze-Foltz等[45]和Cartaud等[46]通過修正均勻接觸厚度下的解析公式，提出非均勻接觸厚度下滲漏量計算的解析方法，并對接觸厚度是否均勻分布進行敏感性分析。指出忽視接觸層的非均勻性會得到較大的滲漏量，考慮真實分布的水力傳導率是非常重要的。并借鑒裂隙巖體開裂測量的方法，在室內(nèi)試驗條件下得到準確的接觸層空間分布及接觸滲流流量，同時采用數(shù)值模擬方法計算非均勻界面厚度下的接觸滲流量。分析結(jié)果表明，液體在土工膜和下墊層接觸界面不均勻間隙中形成流管，并且試驗與數(shù)值模擬得到的接觸滲流具有相似的水力特征。Mendes等[47]對缺陷土工膜與復(fù)合墊層(GCL和壓實黏土)之間的接觸滲漏進行了專門的試驗研究和數(shù)值模擬驗證。結(jié)果表明，不同類型的GCL對接觸層的透水率影響不大，但是接觸特性對缺陷滲漏徑向作用范圍影響很大，試驗達到“穩(wěn)定”狀態(tài)后接觸滲漏量隨時間不再發(fā)生明顯變化。Giroud等[48]基于土工膜-低滲透土復(fù)合墊層條件下土工膜缺陷滲漏公式并結(jié)合理論分析，提出了GCL墊層條件下接觸浸濕比(浸濕面積與總面積的比值)計算公式。計算結(jié)果表明，由土工膜缺陷滲漏導致的GCL濕化時間短(一般幾天內(nèi))、濕化面積小，且GCL浸濕面積由歷史最高水頭控制。

2.2 不同接觸和墊層條件下的缺陷滲流量

通過土工膜缺陷的滲透水流在形成接觸滲流的同時，也在向下墊層擴散。向下墊層擴散的滲漏量與缺陷性態(tài)(類型、大小、數(shù)量等)、下墊層性質(zhì)及接觸條件等緊密相關(guān)。Giroud等[49-51]先后針對圓形缺陷和無限長缺陷滲漏量開展研究，提出能夠滿足工程計算精度要求且形式簡單的經(jīng)驗公式。假設(shè)在嚴格的施工質(zhì)量保證體系下，由施工等原因造成的土工膜缺陷大小約為3.14×10-2～1 cm2；當下墊層滲透系數(shù)大于104～105倍土工膜滲透系數(shù)時可忽略下墊層對缺陷滲流的影響，此時滲漏量應(yīng)按自由出流條件下的Bernoulli公式進行計算。Touze-Foltz等[52]指出在保證施工質(zhì)量條件下設(shè)置GCL時，由于接觸特性導致的滲漏量明顯小于“良好”接觸條件下的土工膜缺陷滲漏量，因此將此接觸定義為“更優(yōu)”的接觸條件；通過對Giroud提出的經(jīng)驗公式和Rowe及Touze-Foltz提出的解析公式對比計算可知，圓形缺陷經(jīng)驗公式得到的滲漏量在接觸“良好”和“不良”的情況下與解析公式滲漏量相近；而對其他缺陷類型和“更優(yōu)”的接觸條件，經(jīng)驗公式滲漏量卻與解析公式滲漏量有較大差距；并且Colucci等[53]及Nosko等[2]通過電學探測法發(fā)現(xiàn)，土工膜缺陷大小要比Giroud等[51]的推薦值大得多。基于以上原因，Touze-Foltz等[54-56]和Giroud等[57-59]通過大量的算例，采用界面?zhèn)鲗柿炕凉つづc下墊層的接觸方式，提出不同缺陷類型(小圓形缺陷、無限長度的缺陷縫、受損的褶皺、缺陷縫寬度)和接觸條件(優(yōu)、良、不良)下的復(fù)合防滲層缺陷滲漏量計算經(jīng)驗公式。同時，將2～20 mm小孔計算公式推廣到0.1～0.6 m的大孔缺陷滲漏計算經(jīng)驗公式，并將無限長度的缺陷縫經(jīng)驗公式與圓形缺陷的經(jīng)驗公式相結(jié)合，得到有限長度下的滲流量表達式；通過對有限長度下的缺陷縫進行敏感性分析，得出如下結(jié)論：窄型缺陷、有限長缺陷縫的兩端滲漏量占總滲漏量的比例很大，計算中不能忽略。

土工膜和土工墊層組成的復(fù)合墊層系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于土工膜防滲工程中。使用復(fù)合墊層可結(jié)合2種不同材料的各自優(yōu)點(水力、物理和耐久性等)，因此可極大程度地降低土工膜含有缺陷時的滲漏量。Giroud等[58-60]利用經(jīng)驗公式對下墊層材料是否會由于土工膜缺陷滲漏而飽和從而影響滲漏液擴散的問題進行研究，并通過在低滲透下墊層經(jīng)驗公式和Bernoulli公式間插值得到半透水(即滲透系數(shù)介于Giroud提出的低滲透墊層和Bernoulli公式完全透水墊層滲透系數(shù)之間)墊層條件下的經(jīng)驗公式。計算結(jié)果表明：當土工膜布置在透水性材料中間、上覆材料滲透系數(shù)趨于無窮時，滲漏擴散速率與Bernoulli公式的計算結(jié)果接近，但總體而言要比Bernoulli公式的計算結(jié)果小(與上覆材料滲透系數(shù)有關(guān))；當下墊層由于土工膜缺陷滲漏導致缺陷周圍的下墊層存在液體而達到飽和時，通過缺陷的水頭損失會隨之減小，滲漏擴散速率也會減小。Giroud等[61]根據(jù)水化時間和液體遷移速率2種不同方式提出一維和軸對稱條件下土工膜封閉膨潤土缺陷滲漏解析法。結(jié)果顯示，由土工膜缺陷滲漏導致GCL剪切強度下降所需的時間很長。與黏土層或GCL相比，土工膜封閉膨潤土中滲漏擴散速率更小，滲漏量更小。Abuel-Naga等[62]基于數(shù)值模型試驗推導了GM/GCL復(fù)合墊層不同缺陷類型下土工膜缺陷滲漏經(jīng)驗公式。此外，Giroud等[63]得到了關(guān)于滲濾液搜集層的流動滲漏量解析解法和圖解法，并建立土工膜缺陷滲漏量與滲濾液最大水頭之間的關(guān)系，以及缺陷隨機分布條件下浸濕面積和膜下搜集層滲中濾液的平均高度計算公式。

2.3 缺陷滲漏影響因素

土工膜的缺陷滲漏行為除受墊層特性及接觸條件影響外，還與作用水頭、膜上荷載、缺陷大小和數(shù)量、缺陷形狀、保護的織物等因素密切相關(guān)。Walton等[64]對缺陷土工膜進行了室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬計算，結(jié)果顯示當土工膜厚度大于缺陷大小時，在有效應(yīng)力作用下缺陷呈現(xiàn)閉合趨勢，使?jié)B漏量減小。Chai等[38]發(fā)現(xiàn)采用復(fù)合防滲層時，膜上施加的法向荷載(非水壓力)能較明顯地限制土工膜的缺陷滲漏。Barroso等[65]進行了3個不同尺度的土工膜缺陷滲漏試驗。研究表明，隨著水頭增加，缺陷滲流量增加。膜上施加的法向荷載(非水壓力)能較明顯地限制土工膜的缺陷滲漏。與大、中型尺度的試驗相比，小尺度試驗測得的滲漏量偏大，可以作為現(xiàn)場類似情況的上界值。

以上研究大多針對低水頭情況，如垃圾填埋場滲濾液問題，而土工膜應(yīng)用于土石壩工程時，其所承受水壓力大幅度提高。Weber等[66-68]開展了0.3～60 m大跨度水頭下的土工膜缺陷滲漏試驗，期望將研究成果應(yīng)用到高水頭防滲工程中。試驗再次驗證膜與土的接觸條件對缺陷滲流有很大影響，同時發(fā)現(xiàn)高水頭下缺陷滲漏量也隨之增大，但對接觸性質(zhì)的改善作用更為明顯；當土工膜與GCL組成復(fù)合防滲層時，Bernoulli孔流方程和Rowe等[42]提出的解析模型對滲漏量有較好的預(yù)測作用，但后者對界面透水率的選擇依賴性較高。

Saidi等[69]對土工膜含有2個相鄰的正方形缺陷孔時復(fù)合墊層的滲流行為進行數(shù)值模擬，從缺陷的間距、施加的水頭、缺陷尺寸及膜土接觸特性對結(jié)果進行敏感性分析，并與2個不發(fā)生相互作用的缺陷孔及以同等大小缺陷孔作為邊界的長形缺陷的結(jié)果進行比較。研究表明：雙缺陷孔的交叉效應(yīng)并未明顯減小滲漏量，缺陷下的滲漏區(qū)域近似呈“8”字形或橢圓形；一般而言，雙缺陷時的流量和膜下滲漏區(qū)域小于缺陷縫時的流量和膜下滲漏區(qū)域，二者僅在缺陷距離較近時大致相同，且二者差異隨著2個缺陷的間距增加而增加。Foose等[70]分別采用三維模型模擬缺陷滲孔的滲漏量和二維模型模擬缺陷縫的滲漏量。通過將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗公式解及解析公式解對比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有經(jīng)驗公式及解析公式都存在一定的適用性，不同方法計算得到的結(jié)果差異很大；基于數(shù)值模擬計算結(jié)果，給出了現(xiàn)有經(jīng)驗公式及解析公式的不同適用范圍。

Cartaud等[71]對土工膜含有缺陷時土工織物作為界面保護時的滲流量開展了1 m尺度下的室內(nèi)試驗研究，試驗反映了真實場地條件下不同壓力作用時3種不同的土工織物保護下的缺陷滲流量。土工織物的水力特性不僅依賴于厚度，還依賴于織物的預(yù)水化和非飽和特性。當復(fù)合墊層中含有土工織物時采用標準試驗測試手段得到的滲流量并不可靠。Bouazza等[72]建立了孔型缺陷條件下通過GM/GCL復(fù)合墊層的滲漏氣體理論模型。當GCL含水量高于臨界含水量時，理論模型預(yù)測值與試驗值高度吻合；但是在低含水量條件下，預(yù)測值要高于試驗值，這是由于GCL低含水量時受GCL滲氣系數(shù)和交界面滲氣系數(shù)比值控制所致。

2.4 需進一步研究的問題

土工膜的缺陷滲漏問題，對于不同的防滲對象來說其研究的側(cè)重點有差別。對于垃圾填埋場，土工膜一旦出現(xiàn)缺陷，垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的化學滲漏液可能對周邊土體造成環(huán)境危害。而對于水利工程中的渠道、堤壩等，重點在于考察缺陷滲漏是否會引起工程的滲透安全問題，缺陷滲漏量只要在可控范圍內(nèi)即可。另外，不同防滲工程中土工膜承受的水頭不同，水頭的大小對土工膜防護對象的安全性及缺陷滲漏量的影響很大。現(xiàn)有研究大多是在試驗基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析得到單個缺陷時的滲漏量估算方法，不同方法的計算結(jié)果差異很大，且對于土工膜缺陷滲漏的研究成果大多是在低水頭條件下得到的，未能在高水頭條件下進行系統(tǒng)驗證。對于土工膜防滲土石壩之類的高水頭擋水建筑物，已有成果能否直接借鑒應(yīng)用還有待于進一步論證。為此，針對土工膜缺陷滲漏問題，可考慮開展如下研究：(a)進一步研究低透水性和(半)透水性墊層對缺陷滲漏的影響，同時研究不同的膜上荷載(非水壓力)和作用水頭對缺陷滲漏的定量影響；(b)研究高水頭下的缺陷滲漏特性，驗證與評價現(xiàn)有試驗成果和計算方法的適用條件；(c)開展多缺陷時的滲漏交叉效應(yīng)，獲得缺陷影響范圍；(d)開展高水頭下缺陷滲流、缺陷擴展、膜后結(jié)構(gòu)受力變形整體耦合研究，從本質(zhì)上搞清楚土工膜缺陷的演化規(guī)律、缺陷滲漏特性及耦合效應(yīng)。

3 結(jié) 語

土工膜作為性能優(yōu)越的新型防滲材料，已廣泛用于堤壩、庫盆、垃圾填埋場等許多水利工程和環(huán)境工程中。實際工程土工膜防滲應(yīng)用時，土工膜出現(xiàn)缺陷是難以避免的。通過對土工膜缺陷系列相關(guān)問題開展國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究成果的闡述和評價，可以得出如下結(jié)論：(a)除焊接(或膠接)缺陷外，土工膜的宏觀缺陷主要包括頂破、刺破、脹破等因局部拉伸變形(應(yīng)變)過大引起的破損；(b)土工膜的缺陷產(chǎn)生受膜上壓力、墊層顆粒形狀及凸起程度等因素影響，設(shè)置保護層可有效預(yù)防和控制土工膜出現(xiàn)缺陷的概率；(c)土工膜缺陷滲流包括接觸滲流和膜下擴散滲流，墊層屬性及與土工膜的接觸條件對缺陷滲漏量影響很大；(d)土工膜的缺陷滲流還與作用水頭、膜上荷載、缺陷大小和數(shù)量、缺陷形狀、保護的織物等因素密切相關(guān)。由于土工膜缺陷問題的復(fù)雜性和不確定性，建議了今后進一步圍繞土工膜缺陷的若干重點研究問題，期待對土工膜缺陷及相關(guān)屬性有更深入全面的認識和掌握?？紤]到土工膜缺陷研究目前主要還停留在試驗和半理論、半經(jīng)驗分析的現(xiàn)狀，實際工程防滲應(yīng)用時土工膜的缺陷數(shù)量、缺陷大小及缺陷引發(fā)概率尚未完全清楚，為此提出現(xiàn)階段考慮土工膜“缺陷存在及可控”的防滲設(shè)計理念，使土工膜能廣泛用于土石壩等高水頭防滲工程中。

致謝：本文曾受顧淦臣教授和沈長松教授的指導，在此深表感謝！

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Research progress on defect property and defect-induced leakage of impermeable geomembrane

CEN Weijun，HE Haonan，WEN Langsheng

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China)

In this paper，research on defects of geomembrane (GM) used in practical engineering in China and abroad is summarized and evaluated from the aspects of geomembrane defect types and test methods，theory of defect analysis and defect calculation model，principles and measures of defect prevention，cushion layer properties and interface flow，the rate of leakage under different contact conditions and cushion layers，and factors of leakage induced by geomembrane defects. Analysis shows that，due to the complexity and uncertainty of geomembrane defects，current research is mainly based on experiments，accompanied by theoretical analysis and numerical simulation，producing different results from the theoretical results. Some key problems related to geomembrane defects that require further research are put forward so that an overall recognition and effective control of geomembrane defects can be realized as early as possible.

geomembrane； defect property； test method； analytical theory； defect-induced leakage； research progress

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.01.006

2016-10-18

江蘇省自然科學基金(BK20141418);國家自然科學基金(51679073);江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目(YS11001)

岑威鈞(1977—)，男，浙江慈溪人，副教授，博士，主要從事水工滲流分析與控制及土石壩抗震研究。E-mail：hhucwj@163.com

TV441

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1000-1980(2017)01-0036-09