高堆石坝面膜防渗体变形性破坏机理及设计方法

1 摘要 深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体能适应差异变形、工期短、造价低、节约土地及低碳环保。国内对堆石坝面膜变形性破坏机理尚未开展系统研究。 （1）面膜锚固部位“夹具效应”及其避免破坏措施的结构模型试验 通过常规面膜铺设锚固与8种改进铺设锚固型式的结构模型试验，揭示了面膜夹具效应的破坏机理；指出惯用设置伸缩节方式是有害的；提出了避免夹具效应的设计思路和方法。 （2）PVC土工膜的在施工-运行期复杂环境下变形性能衰变规律试验 1）环境环境温度对面膜性能的影响。通过对2种PVC膜从-40ºC至60ºC不同环境温度的纵横向拉伸试验，得到弹模与温度关系及其表达式；低温使延伸率降低，柔韧性变弱，实际工程应考量面膜水下4ºC环境的力学性能。2）低温持续大变形对面膜性能的影响。在4ºC环境温度下对2种PVC膜分别进行5%~80%等8种不同初始变形后长达1235h的持续变形试验表明，初始变形量对断裂延伸率衰减影响明显，当初始变形量为80%时，断裂延伸率衰减率高达45.9%； 3）低温持续大角度弯折的面膜性能的影响。2种PVC膜以180 º弯折角度作4ºC环境温度下20~120天持续试验，断裂伸长率最大衰减15.8%；建立了应变能随时间变化的统计模型。 （3）高面膜堆石坝整体结构分析及复杂细小区域的面膜变形数值计算方法 1）由复合膜与垫层间直剪试验建立了以界面剪切劲度系数ks为表达式的双曲线本构模型；2）提出考虑切向位移对面膜顶入垫层孔隙内液胀变形影响的计算方法；3）为模拟锚固部位细小区域发生的夹具效应，将锚固处的膜节点与基岩节点分离开而设置三维弹簧单元；在膜单元和坝体单元间设置连接单元使两种单元间不必一一对应，使整体结构分析中能计算细小区域内的应力应变；自编了可分析细小部位面膜变形的非线性三维有限元计算程序用于工程分析。 （4）建议面膜周边锚固等特殊部位避免破坏及服役期缩减的设计方法 1）锚固部位防渗膜破坏的设计方法。2）工程设计需提高对面膜垫层平整度的技术要求。 2100433B

深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体具有能适应差异变形、施工期短、造价低、节约土地及低碳环保等优点。然面膜防渗体关键部位变形性破坏机理尚未揭示，其相关设计计算还无据可依。本课题拟采用界面直剪试验、数值分析、结构模型试验和施工运行环境仿真试验相结合的方法对高堆石坝面膜防渗体变形性破坏机理及设计方法进行系统研究。首先，通过PVC膜与接触材料界面力学特性试验建立界面切应力-切位移关系，并移植到三维数值程序中进行面膜防渗堆石坝整体数值分析；其次，依据整体受力变形特性，按照施工运行期工作性态及环境进行关键部位结构模型和材料性能仿真试验，揭示关键部位破坏机理及施工-运行期复杂环境引起膜变形性能衰变规律；再次，依据试验结果研究面膜防渗体关键部位细小区域变形分析计算方法及膜变形性能衰减评价方法；最后，经综合分析提出面膜防渗体避免变形性破坏的设计方法。本课题旨在为深覆盖层上面膜防渗堆石坝建设提供科学依据和理论基础。

深覆盖层上堆石坝面膜防渗体具有适应差异变形能力强、施工期短、造价低、节约土地及低碳环保等优点。然土工膜与接触材料界面力学特性尚未揭示，坝面防渗结构设计、稳定性分析及土工膜应力变形计算尚无据可依。本项目采用接触面剪切试验、理论推导、数值分析和模型试验结合的方法对深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体界面力学特性进行了系统研究。取得主要成果如下： （1）运用斜板仪和直剪仪试验对坝面防渗结构中不同土工膜与垫层材料界面力学特性特性进行了试验研究，获得了不同土工膜与垫层界面的抗剪强度随法向压力、垫层类型、垫层表面粗糙度等因素影响下的变化规律及特性，揭示了土工膜界面受力变形特性及破坏模式。 （2）运用改进拉拔试验方法对坝基锚固部位复合膜-散粒体垫层界面应力变形特性及分布规律进行研究；开展了锚固部位土工膜受拉变形特征及破坏机理的结构模型试验研究。提出了能考虑土工膜变形影响的界面拉拔试验方法，并通过系统试验重点揭示了上覆压力、土工膜埋深及拉拔速率等因素对界面剪切变形及强度特性的影响规律，以及土工膜沿拉拔界面受力变形分布规律及拉伸变形破坏机理。 （3）综合土工膜界面力学特性试验结果及理论推导建立了土工膜界面本构模型。提出了坝面防渗结构稳定性分析方法；进行了复合膜-散粒体垫层界面本构模型研究及其在FLAC3D软件中的二次开发，在此基础上提出了高堆石坝土工膜防渗结构受力变形数值计算方法，并结合工程实例对深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体受力变形特性及破坏机理进行了数值分析。研究成果为深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体设计与安全评价提供了理论基础和依据。 2100433B

深覆盖层上堆石坝面膜防渗体具有适应差异变形能力强、施工期短、造价低、节约土地及低碳环保等优点。然土工膜与接触材料界面力学特性尚未揭示，坝面防渗结构设计、稳定性分析及土工膜应力变形计算尚无据可依。本项目拟用界面斜板仪及拉拔试验、理论推导、数值分析和模型试验结合的方法对深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体界面力学特性进行研究。首先，运用斜板仪对坝面防渗结构复合膜与保护层、垫层界面短期及考虑纤维蠕变效应下长期强度特性和失稳破坏机理进行研究；其次，运用改进拉拔试验方法对坝基锚固部位复合膜-散粒体垫层界面应力变形特性及分布规律进行研究；再次，综合试验结果及理论推导建立坝面防渗结构界面抗剪强度模型及坝基锚固部位土工膜界面本构模型；最后，提出坝面防渗结构稳定性分析方法；通过二次开发实现锚固部位土工膜应力变形计算与分析并用模型试验进行验证。本项目旨在为深覆盖层上高堆石坝面膜防渗体设计与安全评价提供理论基础和依据。

本书是一部系统论述高混凝土面板堆石坝应力变形特性的专著。全书共分8章，包括：绪论，高面板堆石坝的流变特性，软岩料填筑高面板堆石坝的应力变形特性，深覆盖层地基高面板堆石坝的应力变形特性，施工期临时断面度汛对于高面板堆石坝应力变形的影响，坝体分期施工对于高面板堆石坝面板脱空的影响，狭窄河谷高面板堆石坝的应力变形特性，高面板堆石坝坝坡稳定的动力有限元分析。本书可供从事高面板堆石坝研究的专家学者及坝工设计、施工和运行管理的工程技术人员参考，也可作为有关高校和科研机构相关学科研究生的教学参考书。