土石坝坝体复合土工膜防渗斜墙的受力
分析#
姜海波，侍克斌*
基金项目：国家高等学校博士点专项科研基金(200807580007)；新疆水利水电工程重点学科基金
(xjzdxk-2002-10-05)
作者简介：姜海波，(1982-)，男，博士研究生，主要研究方向：水利水电工程设计、施工理论及方案优选
研究. E-mail: klaud_123@163.com
通信联系人：侍克斌，(1957-)，男，博士研究生导师，主要研究方向：水利水电工程设计、施工理论及方
案优选研究。E-mail: xndsg@sina.com
5 （新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052）
摘要：在土石坝坝体防渗中，土工膜有时作为一种防渗材料铺设在坝体的上游坡中，以保护
坝体的安全运行。在试验基础之上，重点分析复合土工膜的主要力学特性，并结合一座建在
深厚覆盖层上的复合土工膜防渗土石坝，对其进行非线性结构分析，着重研究复合土工膜与
坝体结构面之间的剪切变形特性。试验结果表明，复合土工膜与坝体粗粒料垫层结构面的剪
10 应力－剪应变关系为应变软化型。计算结果表明，在现有可能不利条件下，该坝坝体、坝基
及复合土工膜的应力变形均在合理可控范围之内，大坝结构安全能够满足要求。
关键词：土石坝；复合土工膜；摩擦试验；剪切特性；接触面
 0 引言
土石坝的复合土工膜防渗结构一般分为复合土工膜防渗斜墙和复合土工膜防渗心墙两
种类型[1]，防渗斜墙是将复合土工膜铺设在大坝的上游面，包括库盘防渗；防渗心墙是将复
35 合土工膜铺设在大坝的中央，作为心墙防渗体使用。复合土工膜由于其特殊的力学特性和防
渗特性在水利工程中得到了越来越广泛的应用，但它作为防渗结构体存在于土石坝中，复合
土工膜的防渗结构形式、与垫层结构面相互作用的力学特性以及其变形特性都将影响到其优
越性的发挥。因此，复合土工膜和坝体结构面之间相互作用的力学特性和防渗特性就成为了
水利工程中研究的重要课题。
40 本文就是在室内试验的基础之上，分析复合土工膜的主要力学特性，然后结合一座建在
 深厚覆盖层上的复合土工膜防渗土石坝，采用非线性的有限元计算方法，分析复合土工膜土
石坝这种新型坝型的力学特性和变形规律。
1 复合土工膜的力学特性
1.1 复合土工膜的抗拉特性题
45 复合土工膜是防渗性能优良的柔性防渗材料，具有一定的抗拉和延伸特性，不具抗弯、
抗压能力。根据复合土工膜拉伸曲线，受力变形关系[2]为：
T = J (ε )ε (1)
式中，T 复合土工膜的单宽拉力，单位为kN /m；ε 为复合土工膜的拉应变； J (ε ) 的
抗拉模量，单位为kN /m，复合土工膜的拉伸曲线见图1。
50
图1 复合土工膜的拉伸曲线
1.2 复合土工膜与垫层结构面的摩擦特性
根据前人已有试验研究，当复合土工膜作为防渗斜墙铺设在坝体上游面时，复合土工膜
55 与结构面(混凝土垫层、坝体填料、上下垫层)之间将有剪应力的作用[3]。
室内试验用应变来控制，剪力盒尺寸为20cm×20cm×5cm，剪切速率为1.60mm/min。在
25kPa、50kPa、75 kPa、100 kPa 不同的竖向应力作用下，得出复合土工膜与不同结构面之
间的相对位移-剪应力曲线，再由该曲线得出相应的最大剪应力，剪切试验成果表见表1。
60 图2 复合土工膜与坝体垫层结构面的剪应力–位移关系曲线
 表1 剪切试验成果表
试验单元 法向正应力p (kPa) 峰值剪应力f τ (kPa) 破坏前的最大变形s (mm)
1 100 66.25 9.4
2 200 108.75 9.2
3 300 162.6 9.1
4 400 203.5 9.0
5 100 57 6.9
6 200 119.25 11.3
7 300 151 7.8
8 400 205 9.0
70 根据试验结果，通过对比复合土工膜与坝体粗粒料垫层结构面之间的位移–剪应力关系
曲线(图2，不同法向正应力作用下，复合土工膜与坝体粗粒料垫层结构面之间的剪应力–
位移关系曲线)，试验中剪应力出现了明显的峰值。当剪应力达到极限值以后，随着位移的
增大，剪应力减小，出现了残余应力。随着正应力的增大，残余应力有所增大。因此由试验
结果可知，复合土工膜与坝体结构面的剪应力与剪应变关系为应变软化型[4]，即随着应变的
75 增加而应力降低。
因此，复合土工膜与坝体垫层结构面之间的应力应变关系曲线符合图3 所示的曲线规
律。
图3 复合土工膜与坝体剪应力–位移关系曲线示意图
80
2 工程概况
某复合土工膜斜墙砂砾石堆石坝，坝顶高程为1937.3m，坝顶宽度为5.0m，坝顶总长为
198.1m，最大坝高18.1m，上游坝坡1:3，下游坝坡1:2，该水库坝体、坝基及库盘采用光面
土工膜及复合土工膜进行防渗，形成了完全封闭的防渗体系。
85 该砂砾石堆石坝坝体上游面采用复合土工膜斜墙进行防渗，复合土工膜规格为
200g/m2/0.5mm/200g/m2。库区周边边坡较缓，无不良地质构造，稳定性较好。库盘中部低
凹处覆有厚约2m 左右的冲洪积粉质壤土，渗透系数较大，其余均为级配良好的砂砾石，渗
透系数在5.41×10-3cm/s 至1.16×10-2cm/s 之间。由于该坝坝体防渗复合土工膜连同库区土工
膜构成了水库的全封闭式的防渗体系，土工膜用量之多(复合土工膜铺设面积达26.4 万m2，
90 光面土工膜铺设面积为332.526 万m2)，居国内外同类型工程之首，且大坝建造在深厚覆盖
层上，因此对此类深厚覆盖层上土工膜防渗的新型堆石坝进行结构安全分析很有意义，重点
研究大坝的防渗系统(由坝体复合土工膜与库盘土工膜防渗系统组成)的受力变形特性，尤其
在可能不利情形下大坝防渗体系是否仍然能够满足安全运行的要求，为这类新型防渗堆石坝
的筑坝可行性提供理论依据,也为土工膜进一步的应用提供理论依据。
 95 3 本构模型
坝体填筑料为砂砾石料，设计要求颗粒小于0.1mm 的含量不应大于5%，相对密度不小
于0.80，采用自然级配。砂砾石料为非线性材料，其变形随荷载变化且与应力的加载路径有
关，应力应变关系呈非线性；而复合土工膜与坝体结构面之间的接触问题又是属于边界条件
的非线性问题，因此，研究复合土工膜与坝体结构面之间的剪切特性，是材料非线性与边界
100 条件非线性的双重非线性问题。所以，计算时采用非线性弹性模型进行模拟，在这里，我们
用体积模量和剪切模量来描述材料的弹性特性。
3(1− 2ν )
K = E (2)
2(1+ν )
G = E (3)
式中， E 为材料的杨氏模量，ν 为材料的泊松比。对复合土工膜防渗斜墙土石坝进行
105 结构计算时，宜考虑坝体、坝基与复合土工膜承受水压变形间的动态协调作用[5-7]。蓄水后
坝体及坝基变形会对复合土工膜的受力变形产生重要影响，同时复合土工膜的抗剪作用亦对
其下土石料支撑体有一定的限制变形作用，在研究复合土工膜的受力变形特性时，宜将复合
土工膜的抗拉作用和土石坝体及坝基的变形特性一起参与分析。复合土工膜是柔性抗拉材
料，不具备抗压和抗弯特性，计算时采用薄膜单元[8]来模拟复合土工膜的主要力学特性是合
110 适的，其中材料参数可由复合土工膜的拉伸试验和剪切试验得到。
当结构表面发生接触时，在接触面之间一般传递切向力以及法向力。这样，在分析中就
要考虑阻止表面之间相对滑动的摩擦力。复合土工膜与坝体结构接触面的摩擦采用库仑摩擦
(coulomb friction) [9]模型来模拟。在模拟计算过程中，用摩擦系数μ 来表征在两个表面之间
的摩擦行为。图4 中的实线描述了库仑摩擦模型的行为：当它们处于粘结状态时(剪应力小
115 于μp )，表面之间的相对运动(滑移)为零。
图4 库伦摩擦行为
4 大坝有限元计算模型及计算参数
120 图5 为大坝有限元计算网格，坝体和坝基以6 面体单元为主，辅以少量的5 面体单元和
4 面体单元，复合土工膜采用4 边形薄膜单元。坝基单元数为7480 个，坝体单元数为2400
个，复合土工膜四边形薄膜单元440 个。
 图5 坝体有限元计算网格
125
图6 复合土工膜计算单元
表2 为土工膜的材料参数。图6 为复合土工膜单元的受力情况，其中1 τ 为复合土工膜
与坝体上垫层之间的剪应力； 2 130 τ 为复合土工膜与坝体下垫层之间的剪应力。
表2 土工膜的抗拉强度和极限伸长率
土工膜规格 抗拉强度(kN/m) 极限伸长率(%)
PE0.5 纵向 18.0 210
横向 19.5 215
200g/m2/PE0.5 纵向 52.6 136
/200g/m2 横向 54.2 142
5 计算成果及分析
135 复合土工膜一般是在坝体填筑结束后铺设，故施工完建期复合土工膜所受荷载较小，复
合土工膜的变形和应变均较小。由于复合土工膜是柔性材料，本身除一定的抗拉能力以外，
不存在抗弯曲变形等能力，限制坝体变形的能力微弱，因此运行期复合土工膜的变形主要是
蓄水承压导致坝体变形而产生的从属变形。图7 为因蓄水引起的复合土工膜的变形等值线
图。由图可见，复合土工膜的变形主要为向下游的水平变形和向下的沉降变形，最大顺河向
140 水平位移为4.5 cm，最大沉降(随坝体沉降而产生的沉降)为16cm，均发生在上游坝面偏左
岸的复合土工膜受最大水压力附近区域。复合土工膜的轴向位移总体上由河岸两侧向河床部
位变形，最大值为5.5cm，如图7 所示。
图7 复合土工膜轴向位移等值线图(单位：mm)
 图8 复合土工膜界面剪应力与剪应变关系曲线
复合土工膜界面的剪应力与剪应变关系曲线见图8。复合土工膜所受到的剪应力最大值
为19.45 Mpa，与试验结果(图2、表1)比较，可以看出，复合土工膜上下界面的剪应力均在
150 峰值以下，在计算工况下，复合土工膜防渗体达到了结构设计要求。
图9 坝体蓄水期垂直位移等值线图(单位：cm)
155 图10 坝体蓄水期水平位移等值线图(单位：cm)
通过对坝体整体的有限元分析计算表明，整个坝体的最大沉降量为16cm，水平最大位
移值为4.5cm，见图9、图10。坝体的垂直位移和水平位移基本沿坝轴线对称分布。该复合
土工膜土石坝的坝体结构及复合土工膜防渗体结构设计达到了稳定要求。
160 6 结论
由实验结果可以得出，复合土工膜与粗粒料垫层结构面之间的剪切特性为应变软化型，
关系曲线如图3 所示。在试验中剪应力出现了明显的峰值。当剪应力达到极限值以后，随着
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