Observation of Leakage due to Defects inGeomembranes

LIU Feng-ru SHEN Hong-jun Wang Tie-qiang

（College of Water Conservancy andHydroelectric Eng., Hohai University; Structure Testing Center of WaterConservancy，Hohai University，Nanjing210098,China）

Abstract : Combine the actual engineering— composite geomembrane tilting core dam, a seepage instrument isdesigned to test the leakage due to defects geomembranes . Gained the realleakage due to defects in geomembranes under different aperture ofdamnification, different water pressure. Analyzing the primary factor thatinfluences the magnitude of leakage due to defects in geomembranes. The studywill offer the reference basis for the design of geomembranes.

Key words: composite geomembranes;equivalent aperture; leakage due to defects

in geomembranes; underlay material;composite seepage prevention structures; testing phenomenon

1 引言

在水利工程设计中，防渗设计一直占据着举足轻重的地位。复合土工膜是一种很好的防渗材料，完整无损的土工膜的渗透系数在10-12～10-13m3/s，可近似认为其是不透水的。但是，土工膜常因制造和施工因素造成缺陷，成为渗漏的主要通道。从而影响其防渗性能。本次试验就是考虑这种情况，结合某工程复合土工膜斜墙坝设计的基本情况，研究复合土工膜和地基材料（中细砂、砾石）组成的复合防渗层，由于在工程在施工过程中，可能对复合土工膜产生损坏，因而影响复合土工膜的防渗效果，试验结合试验室的室内条件，研究该复合防渗层的缺陷渗漏量大小及其变化规律。自行设计试验装置，通过试验量测复合土工膜在破损的情况下通过其的缺陷深透量，并对所测结果进行分析评估，为设计单位提供合理的设计依据。

2 试验研究

2.1试验材料

试验材料根据颗分曲线配制，共选两种，中细砂和砾石。选用南京的砂砾石配制成试样。砾石料的 孔 隙 率按15~20%控制，颗分曲线见表1及图 3。中细砂的相 对 密 度 按0.7控制，颗分曲线见表2及图4。土料干密 度为： 中 细 砂 γd=1.6 t/m3。砾石γd=2.05 t/m3。复合土工膜规格为300 g/0.8 mm/300 g。垫层材料的渗透系数由另一试验测得。中细砂的渗透系数ks＝0.88×10-3 cm/s，砾石的渗透系数ks＝0.35×10-1 cm/s。

2.2 试验模型设计及试验装置

2．2．1 试验模型设计 根据国内外工程渗漏量实测数据的统计分析，施工产生的缺陷约每4000 m2出现一个，接缝不实形成的缺陷，尺寸的等效孔径一般为1～3 mm。对于特殊部位（与附属建筑物的连接处）可达5 mm。其他一些偶然因素产生的土工膜缺陷的等效直径为10 mm。并提出缺陷的等效直径为2 mm孔径小孔，可代表由接缝缺陷所引起的；直径为10 mm的孔径称为大孔，可代表偶然因素引起的;介于这两者之间，直径为5 mm的孔，我们定义为中孔。本次试验就是人为在复合土工膜上钻出上述的这三种孔，分别研究其复合土工膜与不同的地基（中细砂、砾石）组成的复合防渗层的缺陷渗漏量。

结合试验条件，在复合土工膜上分级加载的水压为0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.4MPa、0.5 MPa、0.706 MPa、1.0MPa。

图3 复合防渗层缺陷渗透量的试验装置

装置的主体部分如上图。压力水通过调压设备从箭头处流入该装置中。

将配制好的垫层材料装入用有机玻璃制作的圆筒中，该圆筒的内径为 1 000 mm，高1 020 mm。沿圆筒壁铅直方向钻孔,孔径ф2mm,该圆孔间距为80 mm，沿水平方向该圆孔间距为50 mm。

为了保证试验的准确性真实反映水流进入模拟地基材料的渗透机理，保证有压水只有经复合土工膜中心孔进入模拟地基材料，不准许有压水沿圆筒的周边渗到下面的模拟地基材料材料中，我们采取了两项措施：

第一，在上圆筒周边和复合土工膜之间用防渗的特殊的密封剂粘结。另外还在周边的复合土工膜河上圆筒壁之间垫上弹性的硬质橡胶板；第二，在上圆筒周边的法兰上和下底板（图中3是厚10mm的钢板）上用32只ф12的钢筋紧固周边的复合土工膜和上圆筒壁之间的弹性硬质橡胶板，密封无间隙，确保有压水只有经过复合土工膜的中心孔（ф2、ф5、ф10）过水到垫层材料中去，这些措施在这次试验中很成功。

对于垫层材料的填实，我们采用了分层施工法，先按照材料要求和圆筒的体积，配制好砾石、中细砂材料，然后把材料分成五等份采用逐层夯实到规定的高度，这样确保满足材料的密度和颗分曲线的要求。

2．2.2试验现象及其测得数据

1) 在各种工况试验结束，打开模型掀开复合土工膜都看到在复合土工膜缺陷等效孔径下的垫层材料中心都被渗漏水冲刷出一个“冲刷坑”，

2) 在缺陷渗透量的测量过程中，我们观察到渗透量的大小变化并不是随着时间的延长而单调递增，而是先增加，在达到某一值后趋于下降，之后慢慢稳定在一定值。例如我们对某种工况的量测结果如下：

3） 试验的出水位置是从装置的底部开始。

3 试验结果分析

本次试验持续五个月，测量结果准确有效。试验材料是根据具体工程所配制，对工程的设计具有一定的参考价值。

在水压的作用下，随着复合土工膜缺陷孔径的增大，其缺陷渗漏量亦增大。但是没有明显的线性关系。缺陷渗透量的大小也随着加载水头的增大而增大。在相同复合土工膜缺陷的等效孔径下，缺陷渗漏量的大小和组成复合防渗层的地基材料的渗透系数有关，渗透系数大的缺陷渗漏量亦大。

《复合土工合成材料工程手册》中提到，水从土工膜的破损处进入土体防渗层后流线被假设如下图：从试验现象分析，在垂直防渗的条件下，此种假设有一定道理。因为缺陷渗透量的出水位置是从底向上。因为该试验装置的底部是不透水的，当流线如图1运动遇到阻隔时，便从底部周围的透水孔流出，这与我们观察到的现象符合。

对于本次试验观测到的现象,缺陷渗透量先增大后减小之后趋于稳定,我们可以归因于以下两点：第

一，土体防渗层在水流的作用下，其内部结构发生了变化，致使土体的渗透系数减小，缺陷渗透量也相应减小；第二，土工膜在水压力的作用下，随着时间的

增加，其和下面土体的接触愈加紧密。这样，土工膜下面的接触面流减少，缺陷渗透量也相应的减小。

4 结论

关于计算缺陷渗透量的模型公式，目前国内外的经验还不是很成熟。Giroud通过一些理论分析和近似处理，导出了适合于is>1.0一般情况下复合防渗层缺陷渗透量计算的经验公式。但是以往的经验公式用于本次试验有很大的误差。故本次试验在模型模拟方面还有一定的工作须做。这些将在以后的时间里进行研究。

参考文献

[1] 刘余耀,王正宏,陈环等.土工合成材料应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.131-134.

作者简介： 刘凤茹，在读硕士，河海大学水电学院，专业：水工结构。