土工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种水库膜下气胀的分析方法，尤其设及一种±工膜防渗的平原水库 膜下气胀的一维分析方法。
【背景技术】
[0002] 在水库建设施工时为了防止渗漏，会采用±工膜衬垫，为方便施工一般选择地下 水位较低的干旱季节进行铺膜。世界各地的冲积平原地区建设有许多±工膜防渗水库，如 美国，奥地利，新西兰，法国，中国。在中国，该类地区地质的特点是普遍分布有透水性较强 的粉砂壤±、砂壤±和裂隙粘±等地层，该导致整个水库的渗漏量较大。于是提出了全盘铺 设±工膜的防渗方案，W有效地解决平原水库的渗漏和渗透问题。上工膜是大面积柔软的 一种或多种±工合成材料，它的低渗透特性常被用作液体或气体库的防渗衬搁。库盘铺设 ±工膜理论上可很好地解决了库区内无隔水层导致的水库渗漏问题，但该种水库仍会出现 膜下气胀并引发新的渗漏问题。
[0003] 采用±工膜防渗的平原水库存在膜下气胀可能导致新的渗漏，而且现有技术无法 确定该种渗漏的可能性。中国昆明市金殿水库主蓄水区采用复合±工膜全封闭铺设防渗处 理，水库投入运行后，防渗效果达到预期目标，但防渗体局部±工膜出现了 "气胀"与"渗漏" 现象。新疆胜利水库自第1次蓄水后，渗透量和渗透系数都有所增大。
[0004] ±工膜防渗的平原水库是否存在气胀问题W及膜下气压具体大小决定了是否要 增加排气措施，但是关于膜下气胀问题的研究至今尚属少见，工程技术人员对此认识严重 不足，如胜利水库的地下水位埋深15?30m，夹山子水库的地下水位埋深30m?50m、地基 为砂碱层，均未布置膜下排气排水系统。
[0005] 采用±工膜防渗的平原水库膜下气胀与非饱和±性状相关，其原因是±工膜隔绝 了非饱和±孔隙气与大气的联系。对±进行开挖及压实作用可形成非饱和±，压实±的初 始饱和度约80%，非饱和±是由固体±颗粒，孔隙水，孔隙气=相组成的，其中孔隙气的成 分与大气相同。当±体含水量增大表明孔隙水增加，孔隙水挤压孔隙气。如孔隙气连通大 气时，孔隙气排出±体，孔隙气压不变；如孔隙气与大气不连通，孔隙气压增大。增大的孔隙 气压力，反过来也会抑制孔隙水继续增大。另外，当±体受到压缩，±中封闭孔隙的体积减 小时，孔隙水、孔隙气均会增加，形成超孔隙水压力和超孔隙气压力。
[0006] 上述膜下气胀形成必须具备S个条件；（1)物质条件。当地下水位比较深时，地下 水位W上的上层即为非饱和上。非饱和上孔隙中存在孔隙气体，该是产生膜下气胀的首要 条件；（2)边界条件；库盘铺膜后，膜下孔隙气体基本处于封闭状态；平原水库平面面积大， 使研究区域长、宽与库区非饱和±厚度比很大，侧向排气排水路径很长，不容易排气；（3) 诱发条件；±体孔隙内气受到压缩，孔隙气体积减小。地下水位上升，或者±体压缩，导致孔 隙气体积减小引发孔隙压力增加，形成气压梯度促进孔隙气的运移、聚集，进而产生膜下气 胀。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术±工膜防渗的水库由于膜下气胀可能导致渗漏的问题，本发明提供 了一种±工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，该方法基于非饱和±力原理，可 W判断±工膜防渗的平原水库是否产生膜下气胀。
[000引本发明采用W下技术方案：
[0009] 一种±工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，包括W下步骤：
[0010] 第一步，针对不同工况，计算±工膜防渗的平原水库膜下非饱和±孔隙气压；
[0011] 第二步，根据膜下气压和±工膜的膜上荷载关系判断是否产生膜下气胀，当膜下 气压高于膜上荷载时，则产生膜下气胀，当膜下气压低于膜上荷载时，则不产生膜下气胀。
[0012] 作为对本发明的进一步改进，针对地下水位上升的工况，用式（8)计算分析±工 膜防渗的平原水库膜下非饱和±孔隙气压值：
[001 引
【主权项】
1. 一种土工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，其特征在于，包括以下步 骤： 第一步，针对不同工况，计算土工膜防渗的平原水库膜下非饱和土孔隙气压； 第二步，根据膜下气压和土工膜的膜上荷载关系判断是否产生膜下气胀，当膜下气压 高于膜上荷载时，则产生膜下气胀，当膜下气压低于膜上荷载时，则不产生膜下气胀。
2. 根据权利要求1所述的土工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，其特征在 于，针对地下水位上升的工况，用式（8)计算分析土工膜防渗的平原水库膜下非饱和土孔 隙气压值：
式（8)中ua为孔隙气压；h^为自由水面上毛细水上升高度；yw为水比重；Ah为地下 水位上升幅度增加量；HX为自由水面以上孔隙体积高度；pa为大气压。
3. 根据权利要求1所述的土工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，其特征在 于，针对水库的围堤填筑过程，求得土体沉降应变为a=S/H后，用式（11)确定土工膜防 渗的平原水库膜下非饱和土孔隙气压值：
式（11)中ua为孔隙气压；s为膜下土体发生的沉降量；H为膜上荷载对膜下土体压缩 变形的影响厚度；Pa为大气压。
4. 根据权利要求1所述的土工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，其特征在 于，针对水库运营期库水位上升及快速下降过程，假定回弹变形是压缩变形的倍，残余土
体压缩应变
，土体沉降应变a=S/H，其中，s为膜下土体发生的沉降量；H为膜上 荷载对膜下土体压缩变形的影响厚度；用式（12)确定土工膜防渗的平原水库膜下非饱和 土孔隙气压值：
式（12)中ua为孔隙气压；pa为大气压。
5. 根据权利要求1所述的土工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，其特征在 于，土工膜防渗的平原水库的上表面为不透水不透气的土工膜，底部为透气极低的地下水 面及饱和土，长、宽与库区非饱和土厚度比达到25?1000倍以上。
【专利摘要】本发明公开了一种土工膜防渗的平原水库膜下气胀的一维分析方法，根据不同的工况条件：围堤填筑施工(加载)、库水位快速下降（加载）及地下水位上升。采用不同的公式计算孔隙气压，从而确定是否可能发生膜下气胀，当膜下气压高于膜上荷载时，则产生膜下气胀。本发明将水原水库库区中部看作一维问题，利用非饱和土力学原理分析，从而判断土工膜防渗的平原水库是否产生膜下气胀。
【IPC分类】E02B3-16, G01N3-12, G06F19-00
【公开号】CN104563062
【申请号】CN201410801972
【发明人】曹雪山, 张荣宽
【申请人】河海大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月22日