土工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種水庫膜下氣脹的分析方法，尤其設(shè)及一種±工膜防滲的平原水庫 膜下氣脹的一維分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在水庫建設(shè)施工時(shí)為了防止?jié)B漏，會(huì)采用±工膜襯墊，為方便施工一般選擇地下 水位較低的干旱季節(jié)進(jìn)行鋪膜。世界各地的沖積平原地區(qū)建設(shè)有許多±工膜防滲水庫，如 美國，奧地利，新西蘭，法國，中國。在中國，該類地區(qū)地質(zhì)的特點(diǎn)是普遍分布有透水性較強(qiáng) 的粉砂壤±、砂壤±和裂隙粘±等地層，該導(dǎo)致整個(gè)水庫的滲漏量較大。于是提出了全盤鋪 設(shè)±工膜的防滲方案，W有效地解決平原水庫的滲漏和滲透問題。上工膜是大面積柔軟的 一種或多種±工合成材料，它的低滲透特性常被用作液體或氣體庫的防滲襯擱。庫盤鋪設(shè) ±工膜理論上可很好地解決了庫區(qū)內(nèi)無隔水層導(dǎo)致的水庫滲漏問題，但該種水庫仍會(huì)出現(xiàn) 膜下氣脹并引發(fā)新的滲漏問題。
[0003] 采用±工膜防滲的平原水庫存在膜下氣脹可能導(dǎo)致新的滲漏，而且現(xiàn)有技術(shù)無法 確定該種滲漏的可能性。中國昆明市金殿水庫主蓄水區(qū)采用復(fù)合±工膜全封閉鋪設(shè)防滲處 理，水庫投入運(yùn)行后，防滲效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但防滲體局部±工膜出現(xiàn)了 "氣脹"與"滲漏" 現(xiàn)象。新疆勝利水庫自第1次蓄水后，滲透量和滲透系數(shù)都有所增大。
[0004] ±工膜防滲的平原水庫是否存在氣脹問題W及膜下氣壓具體大小決定了是否要 增加排氣措施，但是關(guān)于膜下氣脹問題的研究至今尚屬少見，工程技術(shù)人員對(duì)此認(rèn)識(shí)嚴(yán)重 不足，如勝利水庫的地下水位埋深15?30m，夾山子水庫的地下水位埋深30m?50m、地基 為砂堿層，均未布置膜下排氣排水系統(tǒng)。
[0005] 采用±工膜防滲的平原水庫膜下氣脹與非飽和±性狀相關(guān)，其原因是±工膜隔絕 了非飽和±孔隙氣與大氣的聯(lián)系。對(duì)±進(jìn)行開挖及壓實(shí)作用可形成非飽和±，壓實(shí)±的初 始飽和度約80%，非飽和±是由固體±顆粒，孔隙水，孔隙氣=相組成的，其中孔隙氣的成 分與大氣相同。當(dāng)±體含水量增大表明孔隙水增加，孔隙水?dāng)D壓孔隙氣。如孔隙氣連通大 氣時(shí)，孔隙氣排出±體，孔隙氣壓不變；如孔隙氣與大氣不連通，孔隙氣壓增大。增大的孔隙 氣壓力，反過來也會(huì)抑制孔隙水繼續(xù)增大。另外，當(dāng)±體受到壓縮，±中封閉孔隙的體積減 小時(shí)，孔隙水、孔隙氣均會(huì)增加，形成超孔隙水壓力和超孔隙氣壓力。
[0006] 上述膜下氣脹形成必須具備S個(gè)條件；（1)物質(zhì)條件。當(dāng)?shù)叵滤槐容^深時(shí)，地下 水位W上的上層即為非飽和上。非飽和上孔隙中存在孔隙氣體，該是產(chǎn)生膜下氣脹的首要 條件；（2)邊界條件；庫盤鋪膜后，膜下孔隙氣體基本處于封閉狀態(tài)；平原水庫平面面積大， 使研究區(qū)域長、寬與庫區(qū)非飽和±厚度比很大，側(cè)向排氣排水路徑很長，不容易排氣；（3) 誘發(fā)條件；±體孔隙內(nèi)氣受到壓縮，孔隙氣體積減小。地下水位上升，或者±體壓縮，導(dǎo)致孔 隙氣體積減小引發(fā)孔隙壓力增加，形成氣壓梯度促進(jìn)孔隙氣的運(yùn)移、聚集，進(jìn)而產(chǎn)生膜下氣 脹。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)±工膜防滲的水庫由于膜下氣脹可能導(dǎo)致滲漏的問題，本發(fā)明提供 了一種±工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，該方法基于非飽和±力原理，可 W判斷±工膜防滲的平原水庫是否產(chǎn)生膜下氣脹。
[000引本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0009] 一種±工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，包括W下步驟：
[0010] 第一步，針對(duì)不同工況，計(jì)算±工膜防滲的平原水庫膜下非飽和±孔隙氣壓；
[0011] 第二步，根據(jù)膜下氣壓和±工膜的膜上荷載關(guān)系判斷是否產(chǎn)生膜下氣脹，當(dāng)膜下 氣壓高于膜上荷載時(shí)，則產(chǎn)生膜下氣脹，當(dāng)膜下氣壓低于膜上荷載時(shí)，則不產(chǎn)生膜下氣脹。
[0012] 作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，針對(duì)地下水位上升的工況，用式（8)計(jì)算分析±工 膜防滲的平原水庫膜下非飽和±孔隙氣壓值：
[001 引
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種土工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，其特征在于，包括以下步 驟： 第一步，針對(duì)不同工況，計(jì)算土工膜防滲的平原水庫膜下非飽和土孔隙氣壓； 第二步，根據(jù)膜下氣壓和土工膜的膜上荷載關(guān)系判斷是否產(chǎn)生膜下氣脹，當(dāng)膜下氣壓 高于膜上荷載時(shí)，則產(chǎn)生膜下氣脹，當(dāng)膜下氣壓低于膜上荷載時(shí)，則不產(chǎn)生膜下氣脹。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，其特征在 于，針對(duì)地下水位上升的工況，用式（8)計(jì)算分析土工膜防滲的平原水庫膜下非飽和土孔 隙氣壓值：
式（8)中ua為孔隙氣壓；h^為自由水面上毛細(xì)水上升高度；yw為水比重；Ah為地下 水位上升幅度增加量；HX為自由水面以上孔隙體積高度；pa為大氣壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，其特征在 于，針對(duì)水庫的圍堤填筑過程，求得土體沉降應(yīng)變?yōu)閍=S/H后，用式（11)確定土工膜防 滲的平原水庫膜下非飽和土孔隙氣壓值：
式（11)中ua為孔隙氣壓；s為膜下土體發(fā)生的沉降量；H為膜上荷載對(duì)膜下土體壓縮 變形的影響厚度；Pa為大氣壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，其特征在 于，針對(duì)水庫運(yùn)營期庫水位上升及快速下降過程，假定回彈變形是壓縮變形的倍，殘余土
體壓縮應(yīng)變
，土體沉降應(yīng)變a=S/H，其中，s為膜下土體發(fā)生的沉降量；H為膜上 荷載對(duì)膜下土體壓縮變形的影響厚度；用式（12)確定土工膜防滲的平原水庫膜下非飽和 土孔隙氣壓值：
式（12)中ua為孔隙氣壓；pa為大氣壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，其特征在 于，土工膜防滲的平原水庫的上表面為不透水不透氣的土工膜，底部為透氣極低的地下水 面及飽和土，長、寬與庫區(qū)非飽和土厚度比達(dá)到25?1000倍以上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土工膜防滲的平原水庫膜下氣脹的一維分析方法，根據(jù)不同的工況條件：圍堤填筑施工(加載)、庫水位快速下降（加載）及地下水位上升。采用不同的公式計(jì)算孔隙氣壓，從而確定是否可能發(fā)生膜下氣脹，當(dāng)膜下氣壓高于膜上荷載時(shí)，則產(chǎn)生膜下氣脹。本發(fā)明將水原水庫庫區(qū)中部看作一維問題，利用非飽和土力學(xué)原理分析，從而判斷土工膜防滲的平原水庫是否產(chǎn)生膜下氣脹。
【IPC分類】E02B3-16, G01N3-12, G06F19-00
【公開號(hào)】CN104563062
【申請?zhí)枴緾N201410801972
【發(fā)明人】曹雪山, 張榮寬
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月22日