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土石壩是世界上**古老的壩型之一,有著悠久的建造歷史。據(jù)統(tǒng)計,全世界超過15m的土石壩共有29000余座,僅在中國就有15000余座。土石壩具有對地基要求較寬松,施工簡單方便,適應(yīng)性強,抗震性能良好,工作可靠、壽命長、管理簡便等優(yōu)點,是世界上應(yīng)用**廣的壩型。由于土石壩的筑壩材料絕大部分是當(dāng)?shù)赝亮�、石料、砂礫料或土石混合料,其滲透系數(shù)都較大。因此,土石壩的防滲結(jié)構(gòu)就成為工程設(shè)計和施工的重點,土石壩防滲措施的研究也就成為了重要的研究課題之一。 土工膜作為一種新型的防滲體,和傳統(tǒng)的土石壩防滲體(粘土心墻、混凝土面板、瀝青混凝土防滲體等)比較,有其自身的優(yōu)點。但是隨著土工膜的不斷推廣應(yīng)用,也出現(xiàn)了一些工程問題。這主要是我們對土工膜的一些工程特性還不是很清楚。為了更加深入地了解土工膜的工程特性,為土工膜的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。本文采用試驗研究、數(shù)值計算和理論分析三種方法對土石壩壩體、壩基和水庫庫區(qū)土工膜防滲體力學(xué)特性和滲透系數(shù)進(jìn)行了研究。 試驗研究包括兩項內(nèi)容：(1)采用TZY-1型土工合成材料綜合測定儀測定了復(fù)合土工膜與粗粒料墊層結(jié)構(gòu)面的摩擦角和粘聚力,復(fù)合土工膜與干燥的粗粒料、含水率3%、6%和8.5%的粗粒料墊層結(jié)構(gòu)面之間的摩擦角平均值和粘聚力平均值為別為26.7°、15.9kPa；27.59°、16.76kPa；28.87°、23.95kPa；32.32°、26.14kPa;且摩擦角和粘聚力都隨粗粒料含水量的增大而增大。(2)采用自行研制的非散粒體材料摩擦角測定儀測定復(fù)合土工膜與粗粒料墊層結(jié)構(gòu)面之間的摩擦角,復(fù)合土工膜與干燥的、含水量3%、6%和8.5%的粗粒料的摩擦角分別為30.4°、31.5°、32.5°、34.3°。同樣可以得到摩擦角隨粗粒料含水量的增大而增大的規(guī)律。 在工程應(yīng)用中,當(dāng)采用摩擦角和粘聚力進(jìn)行計算時,根據(jù)粗粒料含水率的不同,摩擦角可以在26.5°-32°之間取值,粘聚力可以在15.9kPa-26.14kPa之間取值；當(dāng)只采用摩擦角時,可在30.4°-34.3°之間取值。當(dāng)然摩擦角和粘聚力的取值,需要根據(jù)復(fù)合土工膜的特性和粗粒料的性質(zhì)、剪切條件等進(jìn)行綜合考慮,使試驗方法盡可能與實際情況相符合。 數(shù)值計算包括：(1)采用有限差分方法研究復(fù)合土工膜心墻土石壩的力學(xué)特性。為了探討復(fù)合土工膜在壩體中的應(yīng)力變形規(guī)律,結(jié)合新疆呼圖壁河復(fù)合土工膜心墻堆石壩,采用三維土工格柵單元模擬復(fù)合土工膜與壩體結(jié)構(gòu)面的相互作用,討論了三維土工格柵單元的9大參數(shù),選取其中必要的5大參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算,得出了壩體和復(fù)合土工膜在施工完建期、蓄水期、蓄水期加8度地震工況下的應(yīng)力變形規(guī)律。計算結(jié)果顯示,復(fù)合土工膜在端部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。 (2)采用有限元方法研究復(fù)合土工膜斜墻土石壩的力學(xué)特性。利用第三章的試驗結(jié)果,選取合適的摩擦系數(shù),采用庫侖摩擦(coulomb friction)模型模擬復(fù)合土工膜與粗粒料墊層結(jié)構(gòu)面的摩擦特性,然后結(jié)合一座復(fù)合土工膜防滲斜墻土石壩,采有限元計算方法,分析復(fù)合土工膜土石壩這種新型壩型的力學(xué)特性和變形規(guī)律。 (3)采用有限元方法研究土石壩復(fù)合土工膜防滲斜墻的抗滑穩(wěn)定性。在分析復(fù)合土工膜防滲體抗滑穩(wěn)定機理的基礎(chǔ)之上,結(jié)合實際工程,進(jìn)行復(fù)合土工膜防滲體的抗滑穩(wěn)定計算。在計算中討論了滲流計算的三種邊界條件,針對復(fù)合土工膜斜墻壩這種新型的壩體,給出了符合這種壩型的滲流邊界條件,并計算了復(fù)合土工膜壩的孔隙水壓力,**后分析計算了壩體復(fù)合土工膜防滲體的抗滑穩(wěn)定。從計算結(jié)果可以得出,土石壩復(fù)合土工膜防滲體斜墻的臨界滑動面近似為一個平面,該平面為壩體墊層與復(fù)合土工膜上界面的接觸面。 理論分析包括庫區(qū)局部土工膜防滲體的抗裂研究和大面積土工膜防滲體的滲漏估算研究。對于庫區(qū)局部土工膜防滲體的抗裂研究,首先分析了庫區(qū)局部土工膜防滲體的抗裂機理,將土工膜的撕裂狀態(tài)分為兩種情況：土工膜未被架空狀態(tài)的撕裂狀態(tài)和土工膜被架空狀態(tài)的撕裂狀態(tài)。分析兩種狀態(tài)下土工膜的受力情況,分別推導(dǎo)出符合兩種狀態(tài)的微分控制方程,同時分析了兩種狀態(tài)下撕裂強度的影響因素,得出了兩個**主要的影響因素：土工膜本身的強度和墊層料的特性。兩種土工膜抗裂力學(xué)模型的提出,有利于工程人員評價庫盤土工膜防滲體的抗裂性能。 對于大面積土工膜防滲體滲透系數(shù)的研究,首先將土工膜防滲體的滲透量分為土工膜的滲透量和滲漏量,并分析了大面積土工膜防滲體的滲透機理,提出了大面積土工膜防滲體滲漏量和滲透系數(shù)的計算方法,即利用區(qū)域水量平衡原理計算滲漏量,然后采用達(dá)西定律計算滲透系數(shù),并結(jié)合工程實例,計算了土工膜破損孔洞影響下的土工膜防滲體的滲漏量和滲透系數(shù)。由于破損孔洞的影響,土工膜的滲透系數(shù)從**初的10-12cm/s～10-13cm/s下降為10-7cm/s～10-8cm/s,相對而言(鋪設(shè)土工膜防滲體之前庫盤的滲透系數(shù)為5.41×10-3cm/s～1.16×10-2cm/s),土工膜防滲體大大改善了庫盤的滲漏問題。 在實際的工程計算中,庫盤大面積土工膜防滲體的滲透系數(shù)可在10-8cm/s-10-7cm/s之間取值,來計算土工膜防滲體的滲漏量,評價庫盤大面積土工膜防滲體的防滲效果。