土工膜对平原水库的影响

随着社会经济的快速发展和城市化进程的推进，农业、工业和居民生活都面临着对水资源需求提出更高要求，但各地水资源总量差异仍较大，需加强开展水资源开发、储存和利用工作，解决缺水问题[1、2]。部分平原地区工农业产业相对发达发达国家对水资源需求量大，但水资源量相对稀缺。为提高水资源利用率，这些地区修修建了大量的坝式半填半挖平原水库，为工农业发展蓄水[3-5]。为了为减少农用地占用，平原水库选址条件较差，多在洼地、荒地或半荒地，甚至就选择平原古河道而言，该地区坝基条件较差，多为新沉积的松散透水的欠固结土较大时，可能引起坝基失稳、地震液化、大坝渗漏等问题[6, 7]。一旦水库渗漏渗漏将导致大坝周围土壤盐碱化、土地沼泽化、周围建筑物地基软化沉降，严重影响大坝安全。所有 [8, 9]。为减少水库渗漏，常规蓄水型水库通常采用帷幕灌浆[10]、粘土心墙[11]和混凝土土质防渗墙等防渗技术[12, 13]，但平原水库横向占用面积大，地下没有完整统一的相对隔水层。部分库区甚至存在老井 [14] ，传统的垂直防渗技术无法完美解决平原水库的渗漏问题。为解决平原库区渗漏问题，可采用复合土工膜结合土工膜布平铺在库板上作为防渗层来实现水平仓板的防渗[15]。土工膜布组合形成的卧式库板防渗层具有防渗效果好等诸多优点多变性、对场地地形的适应性、施工方便、工程造价低[16]，可实现库区大面积水平渗流控制。水平库板结合土工膜布的防渗方案虽然可以明显降低平原水库渗流的影响，但在平原水域水库建设及后期运行过程中，由于库区及围坝的沉降位移，局部缺陷渗漏或周围降雨入渗等原因可能导致土工膜下方形成封闭气场，导致封闭气场上方的土工膜和土工布产生胀形变形现象[17-20]。如果土工膜下没有有效的排水排气措施，当土工膜上的荷载小于土工膜下的孔时间隙气体或液体压力会使该区域的土工膜（布）鼓胀变形，严重时会引起鼓胀破裂。破坏并影响整个防渗系统的安全[21]。土工膜（布）的鼓胀破损会影响素库板的防渗效果，因此需要对鼓胀变形研究了力学性能和失效机理。土工膜的力学性能不仅受材料本身损伤的影响[22]，它还受到材料老化[23]、温度[24、25]和材料复合工艺[26]等诸多因素的影响。为了合理反映

土工膜（布）在鼓胀变形的受力状态，需要对其产生鼓胀变形的原因进行分析。根据非饱和土力学理论，非饱和土中水相和气相存在不同分布形态，主要包括水封闭、气封闭和双开敞三种[27]。当土层中饱和度较低且地下水埋藏较深时，膜下主要以孔隙气体集聚为主，此时土工膜和土工布鼓胀变形研究可以简化为气压力造成的鼓胀问题，即气胀问题；但是在饱和度较高且地下水上升高度较高的情况，土工膜下方既有气体又有液体，土层中呈现水-气两相流，土工膜下方孔隙压力的上升既含有气体集聚造成的膨胀挤压，也有液体上升造成的挤压，此时膜下为气水混合物，可简化为液体导致的鼓胀问题，即液压鼓胀问题；无论是气胀问题还是液压鼓胀问题，均可归结为鼓胀变形问题。由于气体相对液体的高压缩性、两种压力介质加载平台的不同以及膜布材料变形过程的不均匀性，导致土工膜的气胀试验结果与液压鼓胀试验结果存在一定差异[28, 29]。前人的研究从气胀试验或液压鼓胀试验分开研究土工膜的鼓胀破坏问题，未对两种压力介质的鼓胀破坏效果进行对比分析，目前的研究也未对单土工布或膜布组合情况进行气胀分析试验。因此，鉴于不同压力介质下膜布材料破坏性质的差异，需要补充完善土工膜（布）在气胀和液压鼓胀条件下的对比试验研究。为了更合理的反映不同压力介质下膜布鼓胀的实际情况，需要对鼓胀试验工作平台进行改造，实现同一平台的气压和液压加载，以减少不同平台造成的结果误差。此外，土工膜和土工布作为一种高分子柔性复合材料，其力学特性和破坏特征会因试验加载速率的不同而产生影响，随着加载速率的改变，土工膜鼓胀变形时的强度和形态也会有所变化[30]，因此需要在试验中采取不同的速率了解其力学性能和破坏特征。本文根据土工膜（布）气胀破坏与液压鼓胀破坏的实际情况，研究土工膜布材料在不同压力介质鼓胀试验时的破坏形态和破坏过程，总结土工膜布材料在试验时的差异及相关规律，分析加载速率对土工膜布鼓胀变形的影响。通过以上研究分析，有助于充分理解土工膜（布）在不同压力介质和不同加载速率下的破坏形态、破坏机理以及力学性能之间的差异，对于土工膜（布）鼓胀力学性能检测方式的改进具有指导意义，可为工程上平原水库的防渗材料设计和改进提供理论和技术参考。