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（1.聊城市河道工程管理处，山东聊城252000；2.济南大学，山东济南250022） 摘 要：大屯水库围坝坝基采用库底全铺土工膜的水平防渗方案，在地下水位、土工膜损伤、温度等因素的影响下，膜下非饱和土层气场会发生变化，产生土工膜气胀甚至胀破现象。为分析大屯水库气胀变形影响因素，将土工膜气胀受力变形简化为环向约束条件下的土工膜气胀变形，研制了环向约束条件下土工膜气胀变形试验设备，开展了土工膜气胀变形影响因素的试验研究。研究表明：试验设备的孔径、加载速率、土工膜厚度是影响土工膜气胀变形的主要因素，土工膜损伤、温度也对土工膜气胀变形产生一定的影响。 关键词：土工膜；气胀；影响因素；损伤；温度；大屯水库 大屯水库是南水北调东线一期工程鲁北段的一座平原调蓄水库，位于山东省德州市武城县，距离德州市德成区25 km，设计最高蓄水位为29.8 m，最大库容为5 209万m3。库区大致呈四边形，围坝为均质土坝，最大坝高14.15 m，坝轴线总长8 914 m。库区浅层地层中没有相对不透水的隔水层，因此围坝坝基防渗放弃了截渗墙方案，而采用库底全铺土工膜的水平防渗方案（库盘防渗）。其库底防渗方案为膜、布单独铺设的分离式复合土工膜（两布一膜），即底层先铺设一层土工布，然后铺设一层PE膜，最后再上铺一层土工布。 Cao X.S.等［1］、李旺林等［2］的研究表明，在采用土工膜库盘防渗的平原水库中，受地下水位上升、库水位的快速下降、围坝填筑以及土工膜的缺陷渗漏等因素影响，土工膜下的非饱和土中孔隙气体在膜下聚集，当膜下压力大于膜上压力时就会产生气胀现象。大屯水库铺膜的面积较大（超过5 km2），由于铺膜时一般是在旱季进行或者通过人工降低地下水位，因此铺膜结束后膜下非饱和土中会封存一部分气体，在地下水位、土工膜损伤、温度等因素的影响下，土工膜可能产生气胀甚至胀破现象。气胀现象会严重影响水库的正常运行，为此需要分析土工膜气胀变形情况及影响因素，为平原水库土工膜水平防渗方案选择提供参考。 1 气胀试验及结果1.1 试验设备 为测定大屯水库土工膜气胀变形影响因素，根据平原水库土工膜气胀变形的特点和规律，将土工膜气胀现象简化成环向约束条件下的土工膜气胀变形，研制了一套4种不同孔径（80、180、380、580 mm）的土工膜气胀变形试验设备（见图1），设备采用有机玻璃制成。  图1 土工膜环向约束气胀变形试验设备（孔径180 mm） 试验设备由气胀装置、加压系统和测控系统三部分组成。气胀装置由膜下容器和约束法兰组成，膜下容器为圆柱形，顶部带有气孔；加压系统为可以调节加载速率的气泵；测控系统由顶部冠顶高度测量装置和测定容器内气压的精密气压表组成，其中冠顶高度测量装置采用激光位移传感器，直接测出鼓胀变形的冠顶高度。 试验假定土工膜气胀变形呈球形，膜受压均匀。试验前，利用法兰将土工膜样品固定在设备上，为防止漏气，在膜下容器上设有卡槽，卡槽内安装橡皮密封圈。试验过程中，利用气泵向设备内供气，实现土工膜的环向约束气胀变形，通过进气口处的精密气压表测量设备内部的气压。土工膜破坏时的冠顶高度由冠顶高度测量装置测量。 1.2 试验方案 影响大屯水库土工膜气胀变形的因素较多，本文主要通过试验分析设备孔径、加载速率、土工膜厚度三个因素对土工膜气胀变形的影响。 为研究设备孔径对土工膜气胀变形的影响，采用厚度为0.35 mm的无损伤聚乙烯土工膜分别在孔径80、180、380、580 mm的设备上进行试验。试验采用连续均匀加压方式加压，直到土工膜胀破，停止加压。 为研究加载速率对气胀变形的影响，试验采用厚度为0.35 mm的无损伤聚乙烯土工膜，在孔径为180 mm的设备上进行。试验分别采用3种不同的加载速率，在加载方式上，先预加荷到设定值，然后按照设定的加载速率和气压进行加荷，直到试样破坏。 为研究土工膜厚度对气胀变形的影响，试验分别采用0.10、0.30、0.35、0.60 mm这4种不同厚度的无损伤聚乙烯土工膜，并采用连续均匀加压方式加压，在孔径为180 mm的设备上进行。试验所采用的土工膜基本力学参数见表1。 表1 土工膜常用试验指标  样品类型厚度／mm密度／（g·m-2）拉伸强度／MPa延伸率／%一0.10 120 16.52 615二0.30 390 19.98 630三0.35 455 20.74 644四0.60 780 22.44 666 以上所有试验均在常温下进行，利用摄像机记录气压表变化以及气胀变形的整个过程。 1.3 试验结果分析 1.3.1 孔径影响 本研究进行了不同孔径的土工膜气胀试验，并结合束一鸣等［3］对同一种土工膜小孔径的试验成果，绘制了土工膜胀破强度与孔径的关系曲线（见图2）。  图2 土工膜（0.35 mm厚）胀破强度与设备孔径的关系 由于在不同孔径的仪器上土工膜受力面积不同，因此在膜的厚度相同、仪器内的气压大小相同时，大孔径仪器上土工膜的张曲变形率小，膜所受的内力大，使得大孔径设备能够在较小的压力下发生胀破，胀破冠顶高度也远大于小孔径设备，其鼓胀变形更为明显。由图2可见，随着孔径的增大，土工膜的胀破强度急剧下降，当设备孔径超过180 mm后，土工膜的胀破强度的降幅逐渐减小。另外，设备孔径为180 mm的胀破冠顶高度为45.5 mm，是设备孔径为80 mm的胀破冠顶高度的2.16倍；设备孔径为380 mm的胀破冠顶高度为87.6 mm，是设备孔径为180 mm的胀破冠顶高度的1.92倍；设备孔径为580 mm的胀破冠顶高度为116.5 mm，是设备孔径为380 mm的胀破冠顶高度的1.33倍。这表明胀破高度随着孔径逐渐增大，但增幅逐渐减小。 在环向约束条件下，胀破强度随着设备孔径的增大而减小，胀破冠顶高度随着设备孔径的增大而增大，但胀破冠顶高度的增幅和胀破强度的减幅均在减小。考虑到小孔径对土工膜胀破强度的影响较大，结合图2所示土工膜胀破强度随试验孔径的变化规律，在大屯水库土工膜试验选型时，推荐采用孔径为180 mm试验设备为标准试验设备。 1.3.2 加载速率影响 试验采用1、2、3 kPa／s三种加载速率，在不同的加载速率下，土工膜的形变速度不同，从而对土工膜产生不同的作用，致使土工膜的鼓胀变形也存在差异。当加载速率为1、2、3 kPa／s时，土工膜的胀破强度分别为0.070、0.075、0.085 MPa，胀破冠顶高度分别为44.0、46.5、48.0 mm。这表明在不同加载速率条件下，土工膜的胀破强度不同，且随着加载速率的增大，土工膜胀破冠顶高度与胀破强度均逐渐增大。在进行土工膜选型试验时，应根据大屯水库地下水位的实际变化情况选取相应的试验加载速率。 1.3.3 土工膜厚度影响 图3为土工膜胀破强度、胀破冠顶高度与土工膜厚度的关系。由图3可见，胀破强度与胀破冠顶高度的数据点分别分布在两条斜率不同的直线上，这表明胀破强度和胀破冠顶高度均与膜厚成近似的线性关系，且随着土工膜厚度的增加，膜的胀破冠顶高度与强度均增大。因此，应结合大屯水库的库底非饱和土气场分布情况和可能产生气胀压力的大小，选择大屯水库土工膜的厚度。  图3 土工膜厚度与胀破强度和胀破冠顶高度的关系 2 其他影响因素分析2.1 土工膜损伤 土工膜在运输和现场施工的过程中，尤其是大范围地使用土工膜时，发生土工膜的小孔损伤、折痕损伤、划痕等是无法避免的，这些损伤会直接影响土工膜的受力特性。对于有孔损伤的土工膜，在气胀作用下，若膜上的孔很大，则气体全从孔中溢出，不会发生大的变形；若膜上的孔比较小，则在气压作用下土工膜会逐渐发生变形，但由于孔的存在，压力过大时气体就会从孔中迅速流出，因此土工膜胀破强度以及胀破冠顶高度会减小。对于有折痕损伤的土工膜，在折痕处容易引起应力集中，导致其最先破坏，从而导致土工膜的胀破强度与胀破冠顶高度都减小。对于有划痕的土工膜，在划痕处土工膜的厚度减小，此外划痕的存在也使得该处出现应力集中，导致划痕处优先屈服，从而降低胀破强度、减小胀破冠顶高度。因此，在水库土工膜的施工和运输过程中，应尽量避免土工膜产生损伤，确保土工膜质量。 2.2 温 度 土工膜作为黏弹性材料，温度对它的物理性能影响较大，其各项物理及力学性能因温度的变化而变化。温度的升高与降低会引起土工膜的热胀冷缩变形，同时膜的厚度也发生变化。另外有研究表明，土工膜的屈服应力与温度成负线性相关［4-5］，温度降低时会引起膜的收缩，从而导致膜的弹性模量和抗拉强度增大。在环向约束的作用下，土工膜的四周被约束不能自由变形，这会使土工膜产生温度应力［6］，在气胀作用下，温度应力的产生会加剧土工膜的胀破，导致胀破强度降低。因此，大屯水库施工阶段铺设土工膜时，考虑施工温度和库区常年温度变化，应预留一定的胀缩长度。 3 结 论（1）在环向约束条件下，土工膜的胀破冠顶高度随着设备孔径增大而增大，但增幅逐渐减小；胀破强度随着孔径的增大而减小，但降幅逐渐减小。 （2）加载速率对土工膜的气胀强度和胀破冠顶高度均有影响，随着加载速率的增大，土工膜的胀破强度和胀破冠顶高度均增大。 （3）土工膜的胀破强度、胀破冠顶高度均与厚度成近似的线性关系，随着厚度的增加而增加，但胀破冠顶高度增加的幅度相对较小。 （4）土工膜存在损伤会减小土工膜的胀破强度和胀破冠顶高度。在环向约束作用下，温度降低会使膜产生温度应力，加剧土工膜的胀破，降低土工膜的胀破强度。 参考文献： ［1］ CAO X S，YUAN J P，HEG L，etal.In Situ Test and Analysis Method of Air Bulging Under Geomembranes in A Shallow-lined Reservoir［J］.Geotextiles and Geomembranes，2015，43（1）：24-34. ［2］ 李旺林，李志强，魏晓燕，等.土工膜缺陷渗漏引起的气胀研究［J］.岩土工程学报，2013，35（6）：1161-1165. ［3］ 束一鸣，叶乃虎.LDPE土工膜液胀极限荷载的工程仿真实验［J］.水利水电科技进展，2013，23（5）：1-3. ［4］ AYA T，NAKAYARNA T.Influence of Environmental Temperature on Yield Stress of Polymer［J］.JSME International Journal（Senes A），1997，40（3）：343-348. ［5］ MERAH N，SAGHIR F，KHAN Z，etal.Effect of Temperature on Tensile Properties of HDPE Pipe Material［J］.Plast，Rubber，Composites，2006，35：226-230. ［6］ IMAIZUMI S，KAWAMATA K，TSUBOI M.Study on Thermal Stress Within the Geomembrane Liner Induced by Temperature Decrease［C］／／Proceedings of the 7th International Landfill Symposium.Sardinia：CISA，1999：115-122. 【责任编辑 马广州】 Influencing Factors Analysis of Geomembrane Air Expansion Deformation of Datun Reservoir ZHAO Kun1，ZHAO Tiebin1，LI Wanglin2，XU Fang2 Abstract：A horizontal seepage control scheme in Datun Reservoir is completely lined with geomembranes.The gas field in unsaturated soil will be changed by the factors such as the groundwater level，geomembrane defects and temperature and then the phenomenon of air expansion and even burst will be happened.In order to analyze the influencing factors of geomembrane air expansion deformation of Datun Reservoir，the forced deformation of geomembrane air expansion was simplified as geomembrane air expansion deformation under the ring-restrained conditions，a test apparatus was developed and some tests were conducted to study the influencing factors of geomembrane air expansion deformation.Some other influencing factors on geomembrane air expansion deformation were analyzed subsequently.The results oftests and analysis show that the test apparatus，loading rate and geomembrane thickness are the major factors that will influence the degree of geomembrane air expansion deformation and geomembrane defect and temperature also have an effect on the geomembrane air expansion deformation. Key words：geomembrane；air expansion；influence factors；defects；temperature；Datun Reservoir 中图分类号：TV441 文献标志码：：A doi：10.3969／j.issn.1000-1379.2017.08.025 收稿日期：2017-04-14 基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2014EFM023）；山东省科技计划项目（2013GSF11606）；水利部公益性行业科研专项（201401024）。 作者简介：赵坤（1969—），男，山东高唐人，高级工程师，研究方向为水利工程施工、监理及河道工程管理。 通信作者：李旺林（1964—），男，山东成武人，研究员，教授，研究方向为岩土工程、水工结构工程。 E-mail：cswlw＠163.com |
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