西霞院反調節(jié)水庫復合土工膜耐久性及其防滲安全分析

蘇暢 謝寶豐 張凱 洪羽 王磊

摘 要：西霞院反調節(jié)水庫工程屬國內首次大規(guī)模采用土工膜防滲的大型水庫工程，土工膜防滲面積大，其耐久性直接關系工程安全。在現(xiàn)場調查基礎上，對西霞院反調節(jié)水庫土石壩段土工膜相關監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面、系統(tǒng)、深入分析，結合室內試驗模擬不同影響因素下土工膜耐久性，采用有限元法分析土工膜缺陷部位和尺寸對土石壩滲流的影響，并采用線性加權法和層次分析法建立土工膜防滲安全評價指標體系對土工膜防滲安全性進行綜合評價。土工膜防滲安全性評價結果表明，復合土工膜防滲安全性為正常。

關鍵詞：復合土工膜;耐久性;防滲安全;西霞院反調節(jié)水庫

中圖分類號：TV641

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.026

引用格式：蘇暢，謝寶豐，張凱，等.西霞院反調節(jié)水庫復合土工膜耐久性及其防滲安全分析[J].人民黃河，2021，43（12）：131-134，138.

Abstract： Xixiayuan Anti-Regulating Reservoir Project is the first large-scale reservoir project using geomembrane for seepage control on the main stream of the Yellow River. The geomembrane has a large anti-seepage area and its durability is directly related to the safety of the project. Based on the field investigation， the monitoring data related to geomembrane of Xixiayuan Anti-Regulation Reservoir were comprehensively， systematically and deeply analyzed and the relationship between its dynamic change and external environmental factors was analyzed. Combined with the durability test of geomembrane under different factors simulated in the laboratory， the influence of different positions and sizes of geomembrane defects on the seepage of earth rock dam was analyzed by finite element method. The evaluation index system of geomembrane anti-seepage safety was established by using linear weighted method and analytic hierarchy process. Finally， suggestions for operation and management were given. The research has formed the technical theory with certain theoretical level and reference value， which provides successful experience for the further promotion and application of geomembrane in water conservancy projects.

Key words： composite geomembrane; durability; anti seepage safety; Xixiayuan Anti-Regulating Reservoir

復合土工膜作為防滲體在水庫工程中應用的安全問題一直受到工程技術人員和科研人員的重視[1-2]。我國已建的土工膜防滲土石壩壩高多在50 m以下，且均建在較小的河流上。在大江大河上建造土工膜防滲土石壩是一種挑戰(zhàn)，也是一次工程技術突破，在國內大型水庫中大規(guī)模采用土工膜作為防滲材料，西霞院反調節(jié)水庫尚屬首次。

在現(xiàn)場調查基礎上，對西霞院反調節(jié)水庫土石壩段土工膜相關監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面、系統(tǒng)、深入分析，模擬不同因素影響下土工膜耐久性，采用有限元法分析土工膜缺陷部位和不同尺寸對土石壩滲流的影響，并建立土工膜防滲安全評價指標體系對土工膜防滲安全性進行綜合評價。通過研究明晰該工程土工膜現(xiàn)狀，弄清影響土工膜耐久性的主要因素，以針對性采取維護保養(yǎng)措施。

1 工程概況

西霞院反調節(jié)水庫是一座以反調節(jié)為主，結合發(fā)電，兼顧供水、灌溉等綜合利用的大（2）型水庫，主體工程2004年1月10日開工， 2008年2月底全部完工， 2011年3月2日通過水利部主持的竣工驗收。

西霞院反調節(jié)水庫主要建筑物有土石壩、泄洪閘、排沙洞、排沙底孔、河床式電站廠房、壩后灌溉引水閘等。土石壩布置于混凝土壩段兩側，為復合土工膜斜墻砂礫石壩，壩頂設計高程137.80 m，最大壩高20.2 m，總長2 609.0 m，其中左側土石壩長1 725.5 m、右側土石壩長883.5 m。西霞院反調節(jié)水庫土石壩鋪設復合土工膜達12.8萬m2，壩坡上土工膜連接的縱縫、橫縫、鉚接縫長度超過3.5萬m，為我國大（2）型水利工程首次大規(guī)模使用復合土工膜（PE膜）。復合土工膜上部與壩頂防浪墻底部錨固，下部與大壩混凝土防滲墻頂部錨固，防滲墻設于上游壩腳，斜墻復合土工膜錨固于防滲墻頂部，見圖1。

原設計左側土石壩土工膜規(guī)格為（400 g/m2）/0.8 mm/（400 g/m2），即兩邊土工織物（土工布）單位面積質量為400 g/m2、中間防滲膜為厚度0.8 mm的高密度土工膜;右側土石壩土工膜規(guī)格為（400 g/m2）/0.6 mm/（400 g/m2）。工程所使用的復合土工膜主要控制指標見表1。

工程建設期在土石壩與左壩肩連接部位上游側布置了復合土工膜試驗區(qū)，共設5、10、15、20、30 a共5個試驗區(qū)，均采用規(guī)格為（400 g/m2）/0.8 mm/（400 g/m2）的土工膜，分別采用焊接和膠接方法連接，施工方式充分模擬土石壩現(xiàn)場條件。2013年在試驗區(qū)取樣5 a期復合土工膜，其縱向抗拉強度、橫向抗拉強度、縱向延伸率、CBR頂破強度、刺破強度等指標性能有所下降，降幅分別為26.7%、16.0%、2.0%、17.0%、21.4%，滲透系數(shù)滿足設計要求，復合土工膜耐久性能有所下降。2017年3月，西霞院反調節(jié)水庫竣工驗收后首次安全鑒定階段，鑒定專家組提出“本工程在國內大型工程中首次采用復合土工膜防滲，……并對土工膜的耐久性開展進一步的試驗分析和研究，必要時進行專題論證”。

2 監(jiān)測資料分析

2.1 應變監(jiān)測

為對土工膜材料在施工加載受力后產(chǎn)生的應變參數(shù)進行監(jiān)測，在A-A（樁號D0+295.58）、D-D（樁號D1+250）、F-F（樁號D2+550）斷面及混凝土壩段和土石壩壩段兩側接合處I-I（樁號D1+689.00）、H-H（樁號D2+272.00）斷面共5個斷面進行監(jiān)測，每個斷面分別布設8支橫向和4支縱向土工膜應變計。

從土工膜應變計測值變化過程線（見圖2，其中GS3_45應變計不能正常工作，無數(shù)據(jù)）可知，各測點測值呈現(xiàn)較明顯周期性變化，每年2月處于波峰、8月處于波谷，表明土工膜應變受外界氣溫影響較明顯，各斷面土工膜應變向負值絕對值增大方向發(fā)展，表明土工膜總體處于非受拉狀態(tài)，土工膜受力狀態(tài)良好。

2.3 滲壓監(jiān)測

大壩滲流監(jiān)測設有3個主監(jiān)測斷面和4個次監(jiān)測斷面，共埋設18支滲壓計，通過滲壓計監(jiān)測值分析土工膜防滲狀況。D-D斷面滲壓計測值變化過程線見圖3，土工膜下部131.00 m高程附近測點，自2007年運行至2018年8月，滲壓水頭在130.37～132.64 m之間變動，最高滲壓水頭僅高于埋設高程不足2 m，表明膜后滲壓水頭較低，土工膜防滲效果較好。

2.4 土工膜后氣壓監(jiān)測

為了解土工膜與土體結合處在初次蓄水過程中是否有氣壓頂托情況，在A-A、D-D、F-F、H-H、I-I斷面高程126.50、131.00 m分別布設土工膜氣壓計各2支，以監(jiān)測膜后氣壓變化情況。膜后氣壓隨氣溫的變化而變化，溫度升高時膜后氣壓降低，溫度降低時膜后氣壓升高，見圖4。

3 復合土工膜耐久性室內試驗

在自然環(huán)境條件下，受光照、溫度、荷載作用等因素影響，復合土工膜材料的分子結構將發(fā)生改變，力學性能逐漸降低，影響材料的耐久性。為探究影響復合土工膜材料耐久性的主要因素，按照工程現(xiàn)場工況條件，在實驗室內通過光輻射、溫度、微生物、濕度、淋雨等環(huán)境因素控制，模擬自然環(huán)境，采用高、低溫交變濕熱試驗箱對土工膜復合材料進行凍融循環(huán)加速老化試驗。在30、-20 ℃的循環(huán)溫度下，經(jīng)過7個完整周期，在干燥、潮濕及西霞院庫水浸泡3種狀態(tài)下，評價試樣光澤度、皺起程度、屈服抗拉強度、屈服伸長率、極限抗拉強度、極限延伸率、撕裂強度、滲透系數(shù)等。

室內土工膜耐久性試驗結果表明，復合土工膜材料縱向抗拉強度隨著時間的增加略有下降、極限延伸率未發(fā)現(xiàn)明顯趨勢性變化，滲透系數(shù)滿足設計要求;干燥狀態(tài)下復合土工膜縱向抗拉強度總體大于浸水狀態(tài)下復合土工膜縱向抗拉強度;土工膜焊接縫和膠結縫處抗拉強度未見明顯趨勢性變化;土工膜屈服強度和斷裂強度隨時間增加略有增大、屈服伸長率和斷裂伸長率未見明顯趨勢性變化。

4 土工膜缺陷對土石壩滲流影響及安全性評價

4.1 土工膜缺陷對土石壩滲流的影響

采用有限元法，結合工程實際建立二維數(shù)值模型[3-8]，從土工膜缺陷尺寸、位置角度進行仿真分析，研究土工膜缺陷對土石壩滲流場的影響。

為便于計算，土工膜按滲透系數(shù)等效放大的原則將厚度放大100倍進行模擬。模型上下游各截取一倍壩高，將防滲墻底部以下7.2 m作為底部邊界。模型離散后，節(jié)點數(shù)為7 652，單元數(shù)為14 872。計算時，模型底部和上下游邊界均設為不透水邊界，正常蓄水位以下上游壩坡設為已知水頭邊界，下游壩坡設為出逸邊界。有限元計算網(wǎng)格如圖5所示。

壩基與壩體各材料分區(qū)滲透系數(shù)見表3。缺陷破損處滲透系數(shù)應為無限大，考慮土工膜滲透系數(shù)較小，將其滲透系數(shù)取為100 m/s。

模擬結果表明，缺陷滲漏對缺陷附近滲流場影響明顯，隨著水頭與缺陷尺寸的增大，壩體各滲流要素如滲流坡降、單寬滲流量等逐漸增大，壩基防滲墻底部滲流坡降、單寬滲流量等逐漸減小;當缺陷尺寸小于0.2 m時，下部缺陷對壩體與壩基防滲墻底部滲流要素影響最大，中部缺陷影響次之，上部缺陷影響最小;當缺陷尺寸達到0.2 m時，中部缺陷對壩體與壩基防滲墻底部滲流要素影響最大，下部缺陷影響次之，上部缺陷影響最小。

4.2 土工膜防滲安全性評價

采用層次分析法，構建土工膜防滲安全評價指標體系并對土工膜防滲安全性進行評價，評價指標體系由目標層、準則層、指標層構成。準則層包括設計復查、施工復查、運行狀況3個準則。設計復查包括土工膜規(guī)格型號、墊層與保護層、夾具效應3個指標，施工復查包括墊層與保護層施工工藝與質量、土工膜拼接質量、施工人員素質與技術水平3個指標，運行狀況包括土工膜老化程度、護坡狀況、土工膜實測性態(tài)（滲流、應變、錨固附近的接縫開度、壩體位移等）3個指標。

采用4級等區(qū)間劃分的方法對土石壩防滲安全性進行分級。根據(jù)評價指標值對土工膜防滲安全性的影響程度進行排序，將指標分為4個等級，一級[0，2）、二級[2，4）、三級[4，6）、四級[6，8]分別對應正常（土工膜無缺陷滲漏，工作性態(tài)正常）、基本正常（局部存在滲漏異常，但不影響土工膜防滲安全性）、輕度異常（局部存在滲漏異常，對土工膜防滲安全性產(chǎn)生一定影響）、重度異常（壩體大面積滲漏，土工膜防滲性能基本失效）。同時采用線性加權法對土石壩防滲安全性進行綜合評價，評價值歸一化處理后[0，0.25）、[0.25，0.50）、[0.50，0.75）、[0.75，1.00]對應防滲安全性等級分別為正常、基本正常、輕度異常、重度異常。

為了對土工膜防滲安全性進行評價，邀請從事土石壩防滲土工膜研究的6位副高級及以上職稱專家，根據(jù)土石壩設計、施工以及運行狀況對各指標進行打分，同時根據(jù)各指標對土工膜防滲安全性評價結果的影響程度將土工膜的實測性態(tài)與老化程度確定為關鍵指標，采用層次分析法確定各評價指標的權重值。采用層次分析法計算的該工程防滲土工膜防滲安全性綜合評價值為0.073，對評價值進行歸一化處理，歸一化值為0.246，屬于正常。土石壩防滲土工膜安全性準則層評價結果見表4。

5 運行管理建議

后續(xù)土工膜防滲安全性監(jiān)測應采取同一監(jiān)測手段，以排除試驗差異對結果的干擾，提高試驗結果的可靠性。日常巡視檢查中重點關注上游護坡和閘壩結合部位的運行狀況，若發(fā)現(xiàn)上游護坡混凝土破損應及時修復并做好下部墊層料的補充和平整，閘壩結合部位應結合監(jiān)測資料，重點關注變形及滲壓計測值的變化。運行中若發(fā)現(xiàn)膜后滲壓計測值顯著上升，以“前堵后排”為原則進行處置，迅速降低庫水位的同時，在下游壩坡或壩腳采用土工織物、砂礫石做反濾，集中滲水后排出，查明土工膜破損部位和范圍后擇機修復。

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【責任編輯 呂艷梅】