膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，具体涉及膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法。


背景技术：

2.在水库库址存在厚度较大、透水性较强地层时，如粉砂，砂性土或砾石土，选择土工膜防渗是一种比较理想的方案。比较成功例子有山西省万家寨引黄北干线耿庄水库、山西省万家寨引黄入晋工程北干线上的金沙滩水库、山东省济南市北部的商河县的清源湖水库、甘肃酒泉市的夹山子水库、云南昆明的金殿水库、新疆和田地区策勒县的胜利水库以及山东德州大屯水库等，这些采用库盘铺膜防渗的水库，防渗系统运行良好，未见土工膜明显破坏现象。
3.然而采用库盘土工膜防渗的水库仍存在渗漏问题威胁。山东省淄博市新城水库采用库盘土工膜防渗，土工膜厚度0.3mm，库水位下降1.0～1.5cm/日，截渗沟内水位受库水位影响而变化，表明渗漏仍较为严重。据文献研究，库盘铺膜防渗方案的平原水库存在土工膜气胀、浮托、胀破等现象。土工膜气胀破坏可加剧了库水渗漏，进而引起库外农田浸没等严重问题，给工程维护带来极大的困难并大大增加了工程运行成本。如1998年建成使用的济南市玉清湖水库北店子沉砂池，其坝坡铺设了复合土工膜。该工程坝前10m范围内曾出现严重的、连锁的气爆现象，进而导致了坝后浸没事故。
4.库盘铺膜后如何避免气胀破坏？工程方案常用膜下排气盲沟和膜上覆土压载的工程措施来减小和平衡膜下气压。根据大屯水库的运行情况，水库防渗效果良好，平均渗漏量约为0.6万m3/d。
5.评价水库土工膜防渗系统土工膜厚度设计合理性，评估土工膜气胀渗漏风险，进而为土工膜厚度设计提供理论依据等，一直是困扰水库土工膜防渗结构系统设计与应用的难题。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明提供膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法，展示了不同工况条件下土工膜气胀、渗漏的不同现象。
7.技术方案：为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法，包括如下步骤：
8.1)土工膜下加气压而鼓胀的现场实施；
9.选定现场试验尺寸，埋设气压力探头及膜下充气管，四周挖边界沟至地下水位以下，边界沟铺膜形成包裹层，边界沟回填至试验设计地面的标高，实现上边界及四周由土工膜包裹、下边界由地下水封闭边界，形成封闭的膜下试验空间；安装土工膜鼓起高度的测试位移设备；开动空气压缩机及发电机，并通过位移计测试膜鼓胀位移w，用频率读数仪测试膜下气压力探头的频率；
10.2)土工膜室内拉伸测试分析；
11.进行室内试件制作，试件拉伸测试；
12.进一步地，所述的步骤1)中，所述的位移计安装在门架上。
13.进一步地，所述的步骤1)中，为改变试验条件，在封闭沟内灌水，进一步提高试验场膜下试验空间的封闭性。
14.进一步地，所述的步骤1)中，为能膜下空间充气加压，土工膜铺设前应将膜下充气管一端布置于试验区内；为能测试膜下空间气压力，土工膜铺设前应将气压力探头布置于试验区内；为能测试膜体鼓胀高度，土工膜铺设后应在试验区布置膜体鼓胀高度的位移测试装置；试验准备完毕后，开始对膜下充气加压，并测试膜下气压、膜体鼓胀高度。
15.进一步地，所述的步骤1)中，对现场实施后测得数据进行室内数据处理及分析，其中膜下气压测试的数据处理公式为：
[0016][0017]
式中：p
‑
膜下气压力，kpa；k
‑
钢弦式钢筋计的常数；f0‑
气压力探头的初始自振频率，根据厂家标定确定，hz；f1‑
气压力探头的测量自振频率，hz。
[0018]
进一步地，所述的步骤1)中，由试验测得弦长a(鼓包短边长度)，弦高h，求得半径r和弧长l，及单位宽度的拉应变ε：
[0019][0020][0021][0022]
进一步地，所述的步骤1)中，气胀试验实施过程单位宽度的拉力t：
[0023][0024]
式中p为膜下气压力(kpa)；a为鼓包短边长度(m)，即为弦长；ξ为系数，对于长条缝上的膜，可取0.204；ε为单位宽度的拉应变(％)。
[0025]
进一步地，所述的步骤2)中，进行室内数据处理及分析，采用单向拉伸曲线揭示了完好土工膜的应力
‑
应变变化规律，其中，单位宽度的拉力是根据标准试件单向拉伸试验测试结果，进行如下计算所得
[0026][0027]
式中：t为单位宽度的拉力，n/mm；b0为标准试件的横向长度，mm；f为标准试件的拉力，n。
[0028]
进一步地，所述的步骤2)中，该单向拉伸曲线分为4个阶段：正常拉伸、颈缩强化、稳定拉伸及二次强化阶段：
[0029]
第1阶段，正常拉伸是指试验拉伸至单位宽度的屈服拉力t
s
，此截面不变；此阶段中，试样被均匀地拉伸延长，试样历经时间较短，变形量较小，拉力随位移增大而增加，呈现上凸状，大部分为线性关系，末期出现非线性，模量减小；逐渐出现塑性屈服性状，此时屈服应变ε
s
，进入第2阶段的颈缩强化；
[0030]
第2阶段中，试样截面开始变小，相应拉力减小，直到出现截面稳定的细颈段后，拉力也稳定，此时截面横向长度和厚度分别由初期的6mm、0.8mm变化为2.5mm、0.4mm；此阶段中，由于截面显著减小，拉力并未明显减小，显然材料有了显著强化，强度增大；
[0031]
进入第3阶段的稳定拉伸，细颈与非细颈部分的横截面面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直到整个试样完全变细为止；此阶段是试件拉伸部分稳定转化过程，保持应力几乎不变，整体应变不断增大，拉伸曲线为水平线段；
[0032]
最后，进入第4阶段的二次强化阶段，在非细颈向细颈转化过程中，当局部出现再拉伸，出现二次强化现象时，就会出现应力又随应变的增加而增大，进而引发断裂发生。
[0033]
进一步地，所述的步骤2)中，由室内单向拉伸曲线的土工膜第1阶段屈服前的线性阶段，由式(7)求得材料的变形模量e：
[0034][0035]
式中：δt为单位宽度的拉力增量，n/mm；δε为与δt拉力增量对应的应变增量，％。
[0036]
根据材料的变形模量e和膜下气压力p，由下式复核土工膜单位宽度的拉力t：
[0037]
t
1.5
＝ξe
0.5
pa
ꢀꢀ
(8)
[0038]
式中p为膜下气压力，kpa；a为鼓包短边长度，m；ξ为系数，对于长条缝上的膜；e为室内试验测得单位宽度的土工膜变形模量，kpa。式(8)反映了土工膜气胀试验发展过程中的膜下气压力与土工膜单位宽度的拉力的相关变化规律，即土工膜材质e相同时，土工膜单位宽度的拉力随气压力p增大而增大；相应地设计气压力p确定后拉力也确定；膜下气压相同，短边a愈小的地方，拉力愈小；
[0039]
根据材料的变形模量e和膜下气压力p，由下式复核单位宽度的拉应变ε：
[0040][0041]
式(9)反映了土工膜气胀试验发展过程中单位宽度的拉应变发展变化规律，即土工膜材质e相同时，膜体单位宽度的拉应变随气压力p增大而增大；相应地设计气压力p确定后单位宽度的拉应变也确定了；膜下气压相同，短边a愈小的地方，单位宽度的拉应变愈小。
[0042]
将现场试验计算所得土工膜单位宽度的拉力t，kn/m，单位宽度的拉应变ε，％，与室内试验测得材料的单位宽度的屈服拉力t
s
，kn/m，屈服单位宽度的拉应变ε
s
，％，定义安全系数f
a
：
[0043]
或
[0044]
安全系数f
a
反映了膜的技术指标应用安全性。
[0045]
有益效果：与现有技术相比，本发明的膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法，采用了工程实际使用的土工膜，通过对膜下加压，很好地展示了土工膜鼓胀过程；通过模拟土工膜完好、损伤及破坏工况等，展示了不同工况条件下土工膜气胀、渗漏的不同现象，进一步反映了土工膜缺陷或局部破损对气胀渗漏的影响规律；本发明具备良好的未来成果转化前景。采用本发明可有效地评估土工膜厚度合理性及气胀渗漏风险，具有广泛的推广价值。
附图说明
[0046]
图1为本发明的剖面布置图；
[0047]
图2为本发明的土工膜气胀试验鼓包最大稳定值的状态图；
[0048]
图3为本发明的土工膜气胀试验鼓包后停止充气后最终状态图；
[0049]
图4为本发明的完好土工膜拉伸试件；
[0050]
图5为本发明的完好土工膜单向拉伸试验变形全过程曲线分析图；图中，ε为单位宽度的拉应变(％)；t为单位宽度的拉力(n/mm)；
[0051]
图6本发明的破损率12％的试件；
[0052]
图7本发明的破损率12％土工膜单向拉伸试验变形全过程曲线分析图；
[0053]
图8本发明的现场实施过程中的充气管、膜下气压力探头埋设及引线及开挖边界封闭沟；
[0054]
图9本发明的用于现场实施的空气压缩机及配套的发电机，(a)空气压缩机，(b)发电机；
[0055]
图10本发明的现场正在实施的土工膜封闭；
[0056]
图11本发明的现场正在实施的土工膜封闭及边界沟回填；
[0057]
图12膜下气压力探头及读数仪，(a)气压力探头，(b)频率读数仪；
[0058]
图13土工膜拉伸试验机；
[0059]
图14土工膜在试验机中正在拉伸；
[0060]
图15有破损率12％时的土工膜拉裂状态；
[0061]
图16土工膜气胀的薄膜变化模型图；
[0062]
图17土工膜气胀试验的薄膜网格测量图(每格均为边长10cm的正文形)；
[0063]
附图标记：1
‑
试验场膜下封闭空间、2
‑
地下水位、3
‑
回填土、4
‑
膜下充气管、5
‑
气压力探头、6
‑
土工膜、7
‑
位移计、8
‑
空气压缩机及发电机、9
‑
频率读数仪、10
‑
门架、11
‑
试验设计地面。
[0064]
具体实施例方式
[0065]
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0066]
膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法，包括如下步骤：
[0067]
s1，选定现场试验尺寸；
[0068]
s2，埋设气压力探头5及膜下充气管4；
[0069]
s3，四周挖边界沟至地下水位2以下；
[0070]
s4，边界沟铺膜并形成包裹层；
[0071]
s5，边界沟回填至试验设计地面11的标高，实现上边界及四周由土工膜包裹、下边界由地下水封闭边界，形成封闭的膜下试验空间1；
[0072]
s6，安装土工膜6鼓起高度的测试位移设备；
[0073]
s7，开动空气压缩机及发电机8等充气设备，并通过位移计7测试膜鼓胀位移w，用频率读数仪9测试膜下气压力探头的频率；位移计7安装在门架上；
[0074]
s8，为改变试验条件，可在封闭沟内灌水，进一步提高试验场膜下试验空间的封闭性；
[0075]
s9，室内试件制作；
[0076]
s10，试件拉伸测试；
[0077]
s11，室内数据处理及分析。
[0078]
膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法，分为土工膜6下加气压而鼓胀的现场实施与土工膜6室内拉伸测试分析两部分。
[0079]
土工膜6下加气压而鼓胀的现场实施，即现场试验膜下需要封闭空间，四周及顶面采用土工膜6隔绝大气，底部采用孔隙中充满地下水位2的饱和土密封。在现场试验区四周的边界沟深度不低于地下水位2，以提高试验场膜下封闭空间1的封闭性。在现场试验区铺膜时，将土工膜6埋设于四周边界沟内，并延伸至地下水位2以下，并用开挖土料回填边界4沟，以提高膜体稳定性及试验场膜下封闭空间1的封闭性。为能膜下空间充气加压，土工膜6铺设前应将膜下充气管4一端布置于试验区内。为能测试膜下空间气压力，土工膜6铺设前应将气压力探头5布置于试验区内。为能测试膜体鼓胀高度，土工膜6铺设后应在试验区布置膜体鼓胀高度的位移测试装置。试验准备完毕后，开始对膜下充气加压，并测试膜下气压、膜体鼓胀高度。土工膜6鼓胀拉伸，模拟了土工膜6完好、局部损伤及局部破损等工况下土工膜6鼓胀全过程。
实施例
[0080]
如图6
‑
17所示，膜下加压式的现场气胀渗漏与室内拉伸的土工膜试验方法，包括如下步骤：
[0081]
步骤(1)，根据试验场地的长与宽，测量放样，确定平面尺寸、面积，边界线位置，气压力探头及充气管的埋设位置，如图1所示；
[0082]
步骤(2)，按照图1将气压力探头5及膜下充气管4的埋设于指定区域，并测量出气压力探头5初始值；
[0083]
步骤(3)，沿边界线布设开挖边界沟b，沟的深度不浅于地下水位2埋深，如图8；
[0084]
步骤(4)，铺设土工膜6，并将土工膜6防渗结构四周封闭于边界沟b内，沟内再用回填土3回填密实，如图10、图11；
[0085]
步骤(5)，试验区内安装充气管道及空压机、电机8等动力设备，如图9，为本发明的用于现场实施的空气压缩机及配套的发电机，图9(a)空气压缩机，图9(b)发电机；图12(a)气压力探头，图12(b)频率读数仪；
[0086]
步骤(6)，预充气，通过位移计7测试膜鼓胀位移w；由膜下气压力探头，通过频率读数仪9测定膜下气压力；
[0087]
步骤(7)，正式试验，按直接充气、坑周灌水深度及充气时间不同等的工况条件下测量膜下气压力p
a
、膜体鼓胀高度w等，并记录。
[0088]
步骤(8)，现场实施结束后，将膜体取出，送到室内制样及分析。
[0089]
图2为在试验过程中，当空气压缩机达到0.4mpa时，膜鼓高达到最大稳定值，此时试验区内气体充入量与土体排气达到了平衡；
[0090]
图3为在试验过程中，当关闭空气压缩机，停止充气后，膜鼓高从最大稳定值逐渐减小至了最低值，此时可见明显的土工膜6松弛现象；
[0091]
现场气胀实施过程中的数据处理主要有：
[0092]
(1)膜下气压测试的数据处理公式为：
[0093][0094]
式中：p——膜下气压力，kpa；k—钢弦式钢筋计的常数，根据厂家标定确定；f0——气压力探头的初始自振频率，根据厂家标定确定，hz；f1——气压力探头的测量自振频率，hz。
[0095]
(2)由试验测得弦长(鼓包短边长度a)，弦高h，可求得半径r，弧长l和拉应变ε。
[0096][0097][0098][0099]
(3)根据图2、图3的气胀试验过程，可建立薄膜模型图，如图16。利用《水电工程土工膜防渗技术规范》(nbt35027
‑
2014)附录a.0.1薄膜理论公式描述气胀试验现象。如公式(5)：
[0100][0101]
式中p为膜下气压力(kpa)；a为鼓包短边长度(m)；ξ为系数，对于长条缝上的膜，可取0.204；ε为单位宽度的拉应变(％)。
[0102]
式(5)反映了不同材质的土工膜在膜下气压力p确定时土工膜单位宽度的拉力t、单位宽度的拉应变ε的关系，即对于易产生变形的膜，因变形大，拉力反而小。
[0103]
室内拉伸测试分析，通过对现场实施的土工膜6取样、制样，进行土工膜6拉伸试验，研究土工膜6拉伸过程，并测试土工膜6物理力学参数指标，进而阐述土工膜6气胀渗漏规律。
[0104]
图5为单向拉伸曲线揭示了完好pe土工膜6的应力
‑
应变变化规律。图中单位宽度的拉力是根据标准试件(图4)单向拉伸试验测试结果，进行如式(6)计算所得。
[0105][0106]
式中：t为单位宽度的拉力，n/mm或kn/m；b0为标准试件宽度，mm，取6mm；f为标准试件的拉力，n。图5中的整个曲线分为4个阶段：正常拉伸、颈缩强化、稳定拉伸及二次强化阶段。
[0107]
第1阶段，正常拉伸是指试验拉伸至单位宽度的屈服拉力t
s
，此截面不变；此阶段中，试样被均匀地拉伸延长，试样历经时间较短，变形量较小，拉力随位移增大而增加，呈现上凸状，大部分为线性关系，末期出现非线性，模量减小；逐渐出现塑性屈服性状，此时屈服应变ε
s
，进入第2阶段的颈缩强化。
[0108]
第2阶段中，试样截面开始变小，相应拉力减小，直到出现截面稳定的细颈段后，拉力也稳定，此时截面由初期宽6mm厚0.8mm变化为宽度2.5mm，厚度0.4mm；此阶段中，由于截
面显著减小，拉力并未明显减小，显然材料有了显著强化，强度增大。
[0109]
进入第3阶段的稳定拉伸，细颈与非细颈部分的横截面面积分别维持不变，而细颈部分不断扩展，非细颈部分逐渐缩短，直到整个试样完全变细为止；此阶段是试件拉伸部分稳定转化过程，保持应力几乎不变，整体应变不断增大，拉伸曲线为水平线段。
[0110]
最后，进入第4阶段的二次强化阶段，在非细颈向细颈转化过程中，当局部出现再拉伸，出现二次强化现象时，就会出现应力又随应变的增加而增大，进而引发断裂发生。
[0111]
根据弹性应力、应变及弹性模量的关系，由室内单向拉伸曲线(图5)的土工膜第1阶段屈服前的线性阶段，由下式求得材料的变形模量e：
[0112][0113]
式中：δt为单位宽度的拉力增量，n/mm；δε为与δt拉力增量对应的应变增量，％。
[0114]
综合现场度难和室内试验，根据材料的变形模量e和膜下气压力p，由下式复核土工膜单位宽度的拉力t(kn/m)如下式所示。
[0115]
t
1.5
＝ξe
0.5
pa
ꢀꢀ
(8)
[0116]
式中e为室内试验测得单位宽度的土工膜变形模量(kpa)。式(8)反映了土工膜气胀试验发展过程中的膜下气压力与土工膜单位宽度的拉力的相关变化规律，即土工膜材质e相同时，土工膜单位宽度的拉力随气压力p增大而增大；相应地设计气压力p确定后拉力也确定；对本试验中，膜下气压力相同，短边a愈小的地方，拉力愈小。
[0117]
根据材料的变形模量e和膜下气压力p，由下式复核单位宽度的拉应变ε(％)可由式(9)求得。
[0118][0119]
式(9)反映了土工膜气胀试验发展过程中拉应变发展变化规律，即土工膜材质e相同时，膜体拉应变随气压力p增大而增大；相应地设计气压力p确定后拉应变也确定了。对本试验中，膜下气压力相同，短边a愈小的地方，拉应变愈小。
[0120]
将现场试验计算所得土工膜单位宽度的拉力t(kn/m)、单位宽度的拉应变ε(％)与室内试验测得材料的单位宽度的屈服拉力t
s
(kn/m)、屈服单位宽度的拉应变ε
s
(％)，定义安全系数f
a
：
[0121]
或
[0122]
安全系数f
a
反映了膜的技术指标应用安全性。
[0123]
本次试验，测量得弦长a＝2.4m，弦高h＝0.309，可由式(2)求得半径r＝2.48m，由式(3)求得弧长l＝2.50m，由(4)求得单位宽度的拉应变ε＝4.36％。
[0124]
对照室内拉伸曲线(图7)，此时拉力t＝4.16kn/m，由式(5)得膜下气压力p＝17.74kpa。
[0125]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。