土工膜是一种厚度薄、拉伸性能好

土工膜是一种厚度薄、拉伸性能好、防渗性能优

的土 工 合 成 材 料，在平原水库工程中被广泛采

用［1］，因此其膜体稳定性判别和渗漏量计算被众多

学者所关注［2］。研究表明土工膜理论服役年限可

达 100 a 以上［3］，但土工膜在施工和运行过程中不

可避免会存在破损和缺陷。岑威钧等［4］指出引起

土工膜出现缺陷的主要因素包括膜上荷载、垫层颗

粒形状和凸起程度。Nosko 等［5］用损伤检测系统对

325 万 m2

对土工膜防水层进行缺陷检测，表明土工膜

缺陷尺寸基本在 0．2 ～ 13．0 cm2

之间，其中 0．5 ～ 10．0

cm2

大小的缺陷占总缺陷的 85．8%。Giroud 等［6-8］建

已按照每 4 000 m2

出现1 个缺陷的分布概率进行图

供膜渗漏量估算。Barroso 等［9］发现缺陷渗漏量随

水头增大而增大，且小尺度试验得到的渗漏量大于

大、中型尺度试验结果。Giroud

［10］研究了缺陷形态

对渗漏量的影响，并给出形式简单的经验公式。

Touze-Foltz 等［11-13］和 Giroud 等［14］结合不同形态缺

新的经验公式，分别推导出有限长度下的缺陷渗漏

量计算公式。刘健等［15］结合大屯水库工程，指出缺

缺陷数量和水头高度是土工膜缺陷渗漏量的主要影响因素。刘英杰等［16］对不同类型的土工膜进行研究，

指出单层土工膜受缺陷尺寸的影响比复合土工膜显

著，复合土工膜的防渗效果更好。

本文依托珠江三角洲某土工膜防渗平原水库，

建立施工和运行过程水库渗流有限元模型，研究土

工膜缺陷尺寸、数量和位置对膜体稳定性和渗漏量

的影响，研究成果对类似工程具有参考意义。对库底土工膜防渗结构进行力学平衡分析时，

要确保土工膜处于稳定状态，应使其膜体作用力合

例为零。一般平原水库库盆土工膜受到的外力包括

库区储水施加的膜上库水压力、土工膜上混凝土铺

盖或保护层的压重、膜下地下水的顶托力、膜下气体

的顶托力和膜下土壤的支持力。若土工膜的受力处

于平衡状态，则有

F1 + F 2= F 3 + F4 + F5 ( 7)

式中: F1 为膜上固水压力; F2 为膜上混凝土铺盖或

保护层的压重;F3 为膜下地下水的顶力;F4 为膜

下气体的顶托力; F5 为膜下土壤的支持力。

当库内水位较高，膜上库水压力远大于膜下地

下水顶托力及气体顶托力时，土工膜下地层的支持

力可以平衡多余压力，维持土工膜的稳定。而当库

内水位较低时，库水压力也较小，膜上压力可能小于

膜下地下水及土层中气体对膜的顶托力，从而使

式(7) 不成立，导致库底土工模不稳定。由于地层

土壤承担的支持力大于或等于零，且能适应其他力

的变化而变化，故等式( 7) 可转化为以下不等式:

F1 + F2 ≥ F3 + F4 ( 8)

由于该工程坝基土多为黏性土，含气量较少，且

难以运移、聚集;此外，库底土壤没有能够自主产生

气体的条件，在渗流作用下纵使气体集结于膜下，但

因总量较少，难以形成较大的膜下压力，此时可忽略

膜下气体的顶托力。为了便于测量，将上述力等效

为压力水头，则有下式:

H1 + H2 ≥ H3 ( 9)

式中: H1 为膜上固水压力水头; H2 为膜上混凝土铺

盖或保护层压重对应的压力水头; H3 为膜下地下水

的压力水头。当满足式( 9) 时，可认为库底土公膜

稳定性满足要求。

2 工程实例

2．1 工程概况

某新建水库为平原水库，位于广东省珠江三角

洲地区，呈三角地块，水库东、西两侧均为河道。工

程等 别 为Ⅰ等，水 库 设 计、校核洪水标准分别为

100 a和 300 a 一样，建筑物级别为 1 级。水库未注入

式水库，正常蓄水位为 4．20 m，设计水位为 4. 30 m，死

水位为－1．00 m。水库采用悬挂式垂直防渗墙合全

库底铺设土工膜联合防渗形式。水库库底从下至上

依次布 置 碎 石 ( 厚 300 mm) 、长 丝 土 工 布 ( 规 格

200 g / m 2

) 、土工膜( 厚 0．5 mm 的 PE 膜) 、长丝土工

布( 规格 200 g /m2

) 、中粗砂( 厚 100mm) 及 C25 混凝

土( 厚 200 mm) 。本文重点研究不同土工膜缺陷工

况下库底土工膜的稳定性和缺陷处的渗漏量。