HDPE土工膜缺陷渗漏问题若干研究

埋设在土石坝中的土工膜的缺陷渗漏量与缺陷类型和大小、下垫层的渗透性及接触条件密切相关。若土工膜缺陷孔洞两侧均无渗流限制，缺陷渗流可视为自由出流，渗漏量可按公式计算。实际工程中可视为无限制出流的情况很少。通过试验研究认为，如果下垫层的渗透系数大于10－1cm/s，则缺陷处的渗漏仍可认为是无限制自由出流。通过经验公式推导得出当下垫层的渗透系数大于104～105倍土工膜渗透系数时，下垫层对土工膜缺陷渗流的影响可以忽略，此时的缺陷渗漏量仍可按公式计算。

在土工膜防渗工程中，土工膜一旦有了缺陷，其凸显的危害是缺陷渗漏问题。我国于20世纪60年代中期开始土工膜的防渗应用，当时主要用于渠道、堤防等低水头水利工程，工程设计主要依靠主观认识和国外的实例经验。虽然人们早已注意到土工膜的缺陷渗漏问题，但由于其问题的复杂性，几乎没有相关研究一般认为，对于因产品质量不均一性导致的土工膜细观缺陷，因其孔径明显小于土工膜厚度，渗漏量可由公式计算。由于这类缺陷渗漏量是非 常微小的，因此不会对土石坝安全造成影响，设计时不需要考虑。因产品质量、设计、施工及运行等原因导致的土工膜的各类宏观缺陷形状比较随机，除了明显的缝状缺陷外，缺陷尺寸一般可用面积等效的圆形缺陷的孔径来表征，称为等效孔径。由于绝大多数土工膜宏观缺陷的等效孔径明显大于土工膜厚度，因此其渗漏情况需引起重视。

目前，因暂时无法彻底认识和解决土工膜缺陷渗漏问题，土工膜防渗设计时倾向于土工膜的下垫层设计可能需要参照面板堆石坝的垫层设计思想，要求垫层起到辅助防渗(限渗)的作用，与土工膜共同形成所谓的复合防渗层。这种复合防渗层在水压力的作用下，一方面在土工膜与下垫层之间形成接触渗流，另一方面，渗透水流向下垫层扩散。对于后者，定律在流线简化假设的基础上给出了复合防渗层渗漏的解析解土工膜缺陷相关的渗漏量计算、渗漏液迁移及工程设计等问题进行了大量研究，尤其对于渗漏量的计算，通过理论分析和一些近似处理推导了土工膜与下垫层接触良好和接触不良时缺陷渗漏量的简化半经验计算公式。这些研究大多针对低水头情况，如垃圾填埋场渗漏液问题。计算表明，上述几种方法计算得到的渗漏量差异很大，尤其单膜的渗漏量远大于复合防渗层的渗漏值。

美国奥斯汀大学进行了水头从0.3～60m的大跨度土工膜缺陷渗漏试验，期望将研究成果用于大坝等高水头防渗工程中。试验表明，随着水头增大，渗漏量增大;膜与垫层的接触性质对渗漏结果影响很大。高水头下膜与土的接触性质会有所改善，但土体承受的水力梯度也会增大。由于试验仪器直径只有15cm，垫层模拟厚度只有20cm，因此仪器对试验成果产生了明显的边界干扰效应，研究成果是否可用于高水头防渗工程值得商榷。对在含圆形缺陷的土工膜下增设1层土工织物进行了缺陷渗漏试验研究及数值模拟，指出土工织物改变了原先膜与下垫层土体的接触条件，影响了膜土之间的接触渗漏。进行了3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。膜上施加的法向荷载(非水压力)能较明显地限制土工膜的缺陷渗漏。与大、中尺度的试验相比，小尺度试验测得的渗漏量偏大，可以作为现场类似情况的上限值。对土工膜含有2个相邻的正方形缺陷孔时膜下复合垫层的渗流行为进行数值分析，从缺陷的间距、施加的水头、缺陷尺寸及膜土接触特性等方面对结果进行敏感性分析，并与相同面积的单个缺陷孔的结果进行比较。研究表明，双缺陷孔的交叉效应并未明显减小渗漏量，缺陷下的渗漏区域近似呈“8”字形或椭圆形，双缺陷时的渗漏量和膜下渗流区域与单个等面积缺陷时的结果差异随着2个缺陷的间距增大而增大。

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