平原水库堤坝胶接法施工土工膜水力性能研究
摘 要：
关键词:
HDPE 土工膜; 胶接法; 水力性能; 试验研究; 渗透系数；
王杰(1995—),女，硕士研究生，主要从事土石坝防渗技术研究。E-mail:wang1858628@163.com;
*张宪雷(1984—),男，高级工程师，博士，主要从事高土石坝膜防渗技术研究。E-mail:zxl01615@163.com;
基金：
国家自然科学基金项目(51609087,51609069);
引用：
王杰, 张宏洋, 张宪雷, 等. 平原水库堤坝胶接法施工土工膜水力性能研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(10): 100- 108.
WANG Jie, ZHANG Hongyang, ZHANG Xianlei, et al. Study on hydraulic performance of geomembrane applied by adhesive bonding method for dyke and dam of plain reservoir [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(10): 100- 108.
0 引 言
由高分子聚合物制成的土工膜因具有低渗透性、适应变形能力强、施工便捷和造价低等优点在水库大坝防渗工程中广泛应用，应用种类主要有聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)等塑料类土工膜和热塑性聚烯烃(TPO)橡胶类土工膜。我国水库大坝用土工膜防渗始于20世纪80年代，20世纪80年代至90年代上半叶，以PVC膜为主，其后以PE膜为主,PVC膜主要由聚氯乙烯和增塑剂高分子组成，种类繁多的增塑剂及含量的不同，致使其力学特性千差万别，物理性能的不确定性认识不够清晰是选择性改变的主要原因，但国外PVC膜在水利工程广泛应用,特别是近年来逐步在高坝建设中推广应用。受2001实施的《碾压式土石坝设计规范》规定“3级低坝经过论证可采用土工膜防渗体坝”限制，又2005年错误批判北京圆明园荷花池铺复合土工膜防渗事件影响,土工膜水库大坝防渗应用出现近十年的萎缩。近年来，随着国内研究学者对土工膜关键技术的深入研究和国内外不断进行技术交流，以及土工膜在国内的推广应用，我国水库大坝膜防渗技术步入健康、快速发展道路。
目前，国内大坝水库设计选用的土工膜绝大部分为PE/HDPE膜，由于此类厚度大于1 mm的膜硬度偏大，适应变形能力差，其厚度一般在1.0 mm以下。因膜厚度较薄，土工膜制品生产中易出现破损孔洞，施工过程中受颗粒垫层影响出现局部顶破，拼接过程中出现局部损坏等缺陷，这些缺陷是产生渗流的主要通道;刘凤茹等通过观测试验发现同类土工膜等效孔径下缺陷渗漏量与垫层材料的渗透系数有关，渗透系数大的缺陷渗漏量亦大；张继勋等对缺陷性土工膜库水位骤降情况下土石坝上游坝坡的稳定性进行了数值模拟计算分析，计算结果表明库水位高程降落至土工膜破损高程时，存在浸润线“突变”,稳定安全系数变小，对大坝安全造成隐患；平原水库缺陷土工膜库盘防渗在蓄水初期渗漏水量会挤占土工膜膜下非饱和土孔隙气体空间，易引起库区膜下气胀现象,当气胀变形达到一定值时可能进一步产生新的气胀顶破缺陷；岑威钧等对缺陷土工膜坝面防渗土石坝进行饱和-非饱和三维渗流场有限元数值仿真计算，计算结果表明土工膜缺陷渗漏仅对缺陷附近坝体局部渗流场分布影响较大，膜缺陷位置越低，缺陷渗漏量增加越明显，并使缺陷处膜后的坝体浸润线局部抬高；BARROSO等进行了三个不同尺度的土工膜缺陷渗漏试验，研究表明，随着水头的增加缺陷渗流量增大；为解决缺陷性渗漏问题，CARTAUD等在圆形缺陷土工膜下增设一层土工织物进行了缺陷渗漏试验研究和数值模拟计算，指出土工织物能够改变膜与土之间的接触渗漏。国内外研究学者对缺陷土工膜渗漏问题已取得了一些研究成果，大部分选用增强膜下排水能力措施，降低缺陷性渗漏存在的潜在安全风险，但尚未找到修补土工膜缺陷的有效方法。
受土工膜生产工艺影响，出厂制品幅宽不能满足库盘和坝面宽度需求，现场拼接是解决问题的主要技术手段，拼接质量关乎工程的成败。胶接法和焊接法是土工膜应用初期常用的两种拼接方法，孙秋菊等对PE和PVC膜的粘接方法进行较为深入细致的研究，并改进了两种土工膜的拼接技术及施工工艺；后期因限于化工技术水平和施工技术不精细等因素，胶接法逐渐被弃用，随着热焊机等焊接设备的不断改进，焊接法成为土工膜拼接的主要方法；虽然焊接法被推广应用，但焊接质量受焊接温度、焊机行进速度和土工膜厚度等因素影响，易造成焊缝处及其周边土工膜热力学损伤,物理力学性能衰减，如南水北调中线干渠0.3 mm厚PE焊接复合土工膜，接缝拉伸断裂强度仅为母材强度的27%;蒋学行等认为土工膜的缺陷更多产生在施工过程，主要是土工膜拼接时脱焊、虚焊等导致的缝状缺陷，以及施工人员或施工机械引起土工膜顶破和刺破的孔洞等。
一般HDPE膜硬度偏大，但膜厚度不大于0.5 mm仍具有柔韧性，因具有较好的抗化学腐蚀性能,在垃圾填埋场防渗结构中广泛应用,随着施工设备与施工技术的日臻成熟和市场推广，HDPE土工膜在部分水利工程库盘防渗和平原区蓄水池等堤坝上得到应用。为解决HDPE膜缺陷性渗漏问题，国内研发了一种HDPE土工膜专用胶(见图1),选用胶接法修补施工过程中因颗粒垫层顶胀破坏，避免焊接施工造成膜力学性能损伤，图2为胶接法施工现场。为揭示此类胶接法的水力性能，笔者针对胶接法拼接和修补顶胀破损土工膜方法的防渗效果，展开耐静水压的试验性研究。
图1 HDPE土工膜专用胶
图2 土工膜胶接法施工现场
1 试验条件
1.1 试验设备和原理
图3 YT070型土工膜防渗性能测试仪
左侧试验台面装置由下往上依次为高压仓、土工膜测试试样、多孔压力板、低压仓和溢流管，溢流管与右侧试验台试管架上的容量瓶相连接。高压仓内水压力依靠与水源相连接的高压泵提供，压力大小可根据试验需求设定，最大试验压力达2.5 MPa; 土工膜试样和多孔板隔断低压仓与高压仓内的压力连通，低压仓内注满水并密封，水头压力差作用下，土工膜渗漏水被压入注满水的低压仓后通过溢流管至量杯内收集，收集完毕后在电子天平上称量试验渗漏水质量。因土工膜渗透系数一般在10-13～10-11 cm/s, 要获得可称量的渗漏量，在渗透压力稳定条件下试验时间一般较长，为避免长时间水分蒸发造成试验数据不准确，容量瓶口用橡皮塞塞进，并安装两个同直径的进水和排气的针管。根据O型胶圈的密封效果，压力水头实际作用在测试试样面积为20 cm2。
1.2 试验方法
耐静水压的测试原理是试样在一定压力水差作用下可能会产生微小渗流，测定在规定水力压差下一定时间内通过试样的渗流量。试验步骤如下：
(1)制备并安装测试试样，试样安装前打开电源开关，启动高压仓注水，待水面溢出高压仓顶面后停止注水，试样安装时应紧贴水面，避免膜下存留空气，试样上部放置多孔压力板和低压仓底座并拧紧高强螺栓，确保高低压仓连接处密封不透水；(2)安装低压仓和溢流管，安装完毕后启动低压仓按钮，打开注水阀向低压仓内注水，待溢流管内水流均匀流出且低压仓内无气泡后停止注水，关闭注水阀；(3)仪器面板主界面选择耐静水压-定压定时试验模式，设定试验压力和试验时间，试验参数设定完成后启动试验；(4)待压力稳定后，将溢流管与容量瓶进水针管连接并记录收集渗漏水量起始时间；(5)试验完成后在电子天平上称量渗漏水质量，并记录试验数据；(6)启动控制面板泄压键对当前压力泄压，重新设定试验压力和试验时间等试验参数，设定完成后启动试验；(7)重复试验步骤(5)和(6)。
1.3 试验材料
试验材料选用厚度分别为0.3 mm和0.5 mm的HDPE土工膜，胶接材料选用主要成分为防水丁基胶的HDPE专用胶。图1所示专用胶分为桶装胶和胶带两种形式，桶装胶常温下呈半固态，使用时可采用电加热法使其处于塑性态，胶带形式胶呈软塑性状态，为防止胶带中的胶流失，内部设有薄层加筋棉布，土工膜母材及胶接法交接后的基本参数如表1所列，表1中力学性能数据采用单向拉伸窄条试验法获得，测试温度26±2 ℃。为保证胶接过程中试样间胶接材料厚度均一性，试验选用4 cm宽双面胶HDPE土工膜专用胶带。
2 试验方案及数据分析
2.1 试验方案
2.1.1 胀破修复试验方案
胶接法修补设计方案与顶胀破坏的等效孔洞有关，根据不同的等效孔径合理选择胶接尺寸，因此针对3个不同直径的渗漏孔洞，试验方案设计相应的修补胶直径。
修补胶直径与孔洞的直径差分别为6.5 mm、12.5 mm和20 mm, 修补胶厚1.7 mm; 为避免试验加压过程中高压水头脉动冲击胶体界面，修补胶上部土工膜的直径稍大于修补胶直径，设计直径分别为25 mm、65 mm和65 mm; 两种不同厚度HDPE土工膜的具体试验方案如表2所列，试验制样效果如图4所示。
图4 不同等效直径胀破修复土工膜
2.1.2 胶接法拼接水力性能试验
土工膜胶接法拼接要求胶结面平整度高，胶接面面积不仅满足防渗性能要求，而且应满足一定的强度要求。试验方案选用4.0 cm和8.0 cm两个宽度双面土工膜专用胶带制样，母材选用0.3 mm和0.5 mm厚土工膜，胶接制备后试样水力性能试验有效宽度为15 cm, 试验设计0.4 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa三组水头压力。
图5为0.5 mm厚胶接试样试验前后对比图，试验前平均胶接厚度1.7 mm, 试验最大压力加压至0.8 MPa后平均厚度1.6 mm, 厚度变化不大。
图5 胶接法拼接试样
2.2 试验数据分析
2.2.1 理论计算方法
试样透水性按照下式渗透系数或透水率计算,以3组试样的平均值作为样品的试验结果
式中，k为渗透系数(cm/s);t为测定时间(s);Ψ为透水率(m/s);V为时间t内的渗流量(cm3);A为试样有效渗流面积(cm2);h为试验压力ΔP下试样的厚度(cm);ΔP为试样两侧压力差，以标准大气压水柱高计(cm);η为水的粘滞系数比。
2.2.2 破损孔洞修复试验成果
两种不同厚度的HDPE土工膜设计胀破修复试验方案成果如表3和图6所示。
图6可以看出修补后土工膜渗漏量均大于完好的土工膜渗漏量，并且渗漏量随压力增加呈减小趋势；相同水头压力作用下，等效胀破孔径越小，渗漏量越大，此现象可能与修补胶面直径和等效孔径的比值有关。
修补后渗漏量包括去除孔口面积的土工膜渗漏量和修补孔口处的渗漏量，孔口处的渗漏量主要是沿修补胶水平面的渗漏量，为定量评价修补的防渗效果，需定量描述修补胶面水平渗漏关系。
设胀破孔的有效面积为A1,试样有效渗透面积为A0(200 cm2),同等条件下无胀破孔试样渗漏量和含胀破孔试样渗漏量分别记为V0和Vi,则修补后孔口渗漏量Vi′可按下式计算
根据表3、式2和式3可计算出修补后孔口渗漏量，渗漏量与试验压力水头的关系如图7所示。从图7中可以看出修补后土工膜孔口处渗漏量占比较大，特别是修补孔径越小，修补处渗漏量占比越大，并且随水头压力增大而减小。
图6 不同厚度HDPE膜破损修复渗漏量与压力关系
图7 HDPE膜破损修复孔口渗漏量与压力关系
2.2.3 胶接法拼接试验成果
胶接法拼接土工膜试样因拼接部位与试样其它部位的厚度不均一，为定量表征拼接处的渗透水力特性，采用透水率指标进行描述。
表4为依据公式(3)计算求得胶接法拼接土工膜试样的透水率，从表4中可以看出胶接拼接宽度越大透水率越小，相同拼接宽度条件下两个试样的透水率随压力升高而增大；同等试验压力和拼接宽度条件下膜的厚度较薄者透水率较小，表明膜厚度越小胶接拼接后的抗渗性能较好。
因此，胶接法拼接施工可根据工程实际情况尽可能增加胶接宽度，以满足作用水头防渗要求和垫层颗粒状况合理选择土工膜的厚度。
3 试验成果分析
3.1 破损孔洞修补试验成果分析
由破损孔洞修补水力性能试验数据初步分析可知修补土工膜渗漏量集中在孔洞胶补位置，主要为胶接面沿胶面的水平方向。
为揭示该部位水力性质的影响因素及相关关系，构建水力数值计算模型(见图8),设破损孔洞等效半径为r,修补胶面半径为R,胶面厚度为W,则水力等效作用面的半径为(R+r)/2,渗径为R-r。
图8 胶补修复孔洞水力计算模型
依据渗透系数计算理论，胶接修复孔洞处的计算渗透系数可按下式表达
其中
式中，R为修补胶半径(cm);r为胀破孔等效半径(cm);W为修补胶厚度(cm)。
由上述推理公式可知，假定胶面厚度不变的前提条件下，渗透系数k与r/R、ΔP和V/t有关，而r/R、ΔP和V/t三者之间存在水力关系，如假定压力水头恒定不变，根据水力特性试验可确定r/R与V/t拟合关系曲线，同样若假定r/R不变，可由试验数据得到ΔP和V/t关系表达式。
图9和图10分别为三组不同r/R值恒定条件下渗透系数与压力关系曲线，三组不同压力ΔP恒定条件下渗透系数与r/R关系曲线。由图中可以看出r/R值不变条件下，压力越大，渗透系数越小，表明增大胶接面处的压力胶接面处防渗效果更好；压力条件不变条件下，r/R值越大渗透系数越小。渗透系数与r/R和ΔP呈非线性变化。
图9 不同r/R条件下渗透系数与压力关系曲线
图10 不同压力条件下渗透系数与r/R关系曲线
因此，为达到较好的防渗修补效果，应根据顶胀破坏孔洞的等效直径和工程运行期的压力水头实际情况，分析确定修补胶面的大小，达到较好的防渗修补效果，降低工程造价，节约成本。
3.2 胶接法拼接部位成果分析
胶接拼接处试验数据分析结果表明，胶接面的宽度与单位时间内的渗漏量有关，胶接宽度越大，防渗效果越理想。虽然胶接法施工土工膜降低了完好土工膜的抗渗性能，但从渗透性分类看，仍属于弱透水性，能够满足平原区堤坝水库的防渗要求。
另外，胶接法施工土工膜在拼接处的剥离力学强度与母材相比差别较大，胶接宽度尺寸的确定还应考虑其力学特性是否满足适应垫层变形要求。
4 结 论
平原区水库堤坝用土工膜厚度一般不大于0.8 mm, 大部分工程选用HDPE/PE复合膜，胶接法可用于相邻膜幅间拼接和单一膜幅内局部破损孔洞修复，针对胶接法施工土工膜的水力性能是否满足工程防渗性能要求，笔者展开试验性研究，主要得到以下结论：
(1)胶接法拼接施工土工膜水力性能相对母材有不同程度的衰减，但渗透系数在10-9～10-8 cm·s-1,仍属于弱透水材料，其水力特性基本满足平原区水库堤坝低水头抗渗要求；
(2)土工膜胶接法修补后的水力性能与水头压力、破损孔洞等效半径与修补胶面半径的比值有关，研究成果可为修补方案提供有力支撑。
综上，胶接法精细化施工HDPE膜能够避免焊接施工拼接过程中造成的膜材力学性能损伤，胶接膜的水力性能基本满足平原区水库堤坝低水头防渗要求。
5 展 望
试验方案仅对胶接初期土工膜的水力特性展开试验研究，其抗老化特性有待进一步深入研究，以期满足防渗土工膜服役周期。
限于实验室条件，试验过程未考虑温度因素对土工膜、土工膜粘结胶等高分子材料的影响，仅考虑了温度对水的粘滞性影响，可采用恒定温度水环境的试验方法展开研究。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也 道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
