某新建水庫工程，由東西南北四個壩段圍筑而成，總長2100 m, 為土工膜斜墻砂礫石壩、全庫盤防滲的注入式平原水庫。大壩防滲結(jié)構(gòu)從上游至下游依次為：壩坡迎水面采用現(xiàn)澆混凝土板護坡(厚20 cm)-膜上砂漿墊層(厚3 cm)-土工膜防滲體(一布一膜)-膜下砂漿墊層(厚3 cm);其后為砂礫石壩體、壩后坡網(wǎng)格梁護坡、壩后設(shè)排水棱體，結(jié)構(gòu)斷面示意圖如1所示。這種防滲主體的復(fù)合土工膜夾在硬性的砂漿中間，施工時先將膜下砂漿鋪填在砂礫石壩體上，硬化后將光膜向下，土工布向上展鋪在膜下砂漿層表面，砂漿與土工膜間不做任何黏接處理，然后在復(fù)合土工膜表面鋪填膜上砂漿層，最后澆筑混凝土護坡板；施工完畢后，土工布與膜上砂漿和砂漿與混凝土護坡板層間均具有較大的粘接強度，視為形成了膜上的整體結(jié)構(gòu)。這種防滲結(jié)構(gòu)可稱為“硬性”防滲結(jié)構(gòu)，常見于坡高較小的渠道防滲工程中，位于其上的混凝土護坡的穩(wěn)定性將受控于土工膜與膜下砂漿間的摩擦。

在混凝土護坡板修建完成后的1個月左右，發(fā)現(xiàn)水庫北壩段混凝土護坡板下滑(如圖2所示),板間水平縫擴大，造成縫內(nèi)填縫材料與護坡板脫離，在壩頂以下沿坡面方向第一塊護坡板與第二塊護坡板之間水平分縫，縫寬達94 mm, 致使板間土工膜被拉斷失去防滲功能，壩段豎向分縫無明顯變化，壩踵混凝土齒墻最大水平位移量約125 mm。

混凝土護坡板溫度監(jiān)測：根據(jù)設(shè)置8個監(jiān)測點監(jiān)測到北壩段混凝土護坡板表面溫度皆在50 ℃以上，最高達55 ℃,在同一天內(nèi)，北壩段監(jiān)測點混凝土護坡表面與水平縫內(nèi)的溫度最高相差9 ℃,這表明北壩段混凝土護坡下的溫度可達45 ℃以上。

復(fù)合土工膜由土工膜和土工織物組成，相比其他防滲材料，具有優(yōu)越的延展性及防滲性，不僅能適應(yīng)壩體的大變形，并可以發(fā)揮很好的防滲作用，主要用于土石壩、堤防、圍堰等水庫工程[1,2],以及蓄水池、渠道、垃圾填埋場等防滲工程[3]。已建的水庫工程中，土石壩的數(shù)量達90%以上，其中土工膜防滲土石壩與同時代起步的碾壓混凝土壩和混凝土面板堆石壩相比，發(fā)展明顯滯緩，在土工設(shè)計中也涉及一些特殊的問題。當(dāng)在斜坡上鋪設(shè)土工膜時，土工膜與其他材料(包括土類)之間的摩擦特性，是工程設(shè)計時一個非常重要的控制指標(biāo)。土工膜表面較為光滑，它與其他材料間與土類材料相比的摩擦角小，易沿斜面滑動，往往構(gòu)成優(yōu)先滑動面。若設(shè)計中考慮界面摩擦角較小，則邊坡、壩坡坡度必然過緩，勢必會加大工程量，造成經(jīng)濟浪費；反之，安全性能大幅度降低。因此正確評價土工膜界面的摩擦特性是工程中亟待解決的問題之一。

壩體在施工及運行過程中各種外部荷載作用，往往會發(fā)生沉降變形及向下游的水平位移，在土工膜與面板聯(lián)合防滲結(jié)構(gòu)中，這一位移通過周邊結(jié)構(gòu)傳遞給墊層表面的土工膜，從而使得土工膜與墊層材料之間發(fā)生接觸剪切作用，最終產(chǎn)生拉伸變形乃至破壞[4,5,6,7]。大量工程實例表明，在土石壩工程設(shè)計中，墊層所采用的材料是設(shè)計人員需要考慮的非常重要問題，當(dāng)土工膜防滲體鋪設(shè)在大壩的上游面，作為防滲斜墻時，對壩坡的穩(wěn)定性影響較大[8,9]。

在溫帶大陸性氣候地區(qū)，常在夏季較炎熱的環(huán)境下施工，溫度較高時，施工面溫度經(jīng)常達40 ℃,有時甚至能達到50 ℃;在土工膜上鋪筑現(xiàn)澆砂漿或現(xiàn)澆混凝土，水化熱過程，可使土工膜環(huán)境溫度更高，工作環(huán)境受到溫度的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，因土工膜為高分子材料且多為黑色，性能受溫度影響很大[10],外界溫度變化會使土工膜基本力學(xué)性能發(fā)生變化，溫差過大有可能造成張拉力過大而滑落，或因變形過大土工膜上覆砌塊等保護層滑落失去防滲能力，特別在施工階段或未輸水期間更易發(fā)生破壞[11,12,13,14]。有關(guān)土工膜的研究中，主要側(cè)重于構(gòu)造和施工方面，少有溫度與材料剪切性能之間關(guān)系的研究，本次試驗研究將明確探究試驗溫度對土工膜界面摩擦的影響。研究成果可正確認(rèn)識在不同試驗溫度下復(fù)合土工膜與不同剪切材料的界面摩擦參數(shù)的變化規(guī)律，對于工程設(shè)計人員評價壩坡穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。

復(fù)合土工膜為壩鋪設(shè)的一布一膜(SN/PE-16.0-0.6-400),膜厚0.6 mm, 單位面積質(zhì)量為881 g/m2。為研究在不同溫度條件下復(fù)合土工膜與其他結(jié)構(gòu)物質(zhì)的界面摩擦特性，分別進行了20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下的基本性能試驗，其技術(shù)性能見表1。

從表中可以得出，在基本技術(shù)性能中，當(dāng)試驗溫度升高尤其是超過30 ℃時，復(fù)合土工膜的各項力學(xué)強度大幅下降(由20 ℃增加至60 ℃,強度降低30%～50%),同時變形量增加(由20 ℃增加至60 ℃,變形增加40%～60%),反映出隨著溫度的升高出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，說明復(fù)合土工膜是典型的溫度敏感性材料，其各項性能與環(huán)境溫度有著密不可分的聯(lián)系。

土工膜直剪儀是進行土工膜與砂漿試塊之間接觸剪切力學(xué)特性的主要儀器，本次試驗采用上海某儀器設(shè)備生產(chǎn)廠生產(chǎn)的TZY-1型土工合成材料綜合測定儀。垂直荷載采用高精度調(diào)壓閥和滾動隔膜氣缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)，應(yīng)變式水平荷載由電機驅(qū)動變速箱均勻加載，速率可根據(jù)要求調(diào)節(jié)。

將試驗材料置于TZY-1型土工合成材料測定儀上進行，直剪試驗的剪切盒為面積遞減型，剪切盒尺寸選用200 mm×200 mm×50 mm。將土工膜固定于下剪切盒上，由固定夾固定。調(diào)整水平加荷裝置，使水平頂桿剛好與下剪切盒接觸，開啟電機進行試驗。剪切試驗示意圖見圖3所示。

試驗中，試驗溫度選用20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃對試件分別施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa的正應(yīng)力進行摩擦系數(shù)的測定，測出相應(yīng)的抗剪強度值τf,然后將試驗結(jié)果點繪成線，從而求得c和φ,直剪摩擦試驗剪切速率為0.9 mm/min。

復(fù)合土工膜在溫度的影響下，其基本力學(xué)性能有明顯變化，在施工過程中，復(fù)合土工膜施工時可能處于暴曬或極炎熱的氣候條件下進行，使得土工膜在施工或工作條件下溫度變化較大，在不同溫度下，復(fù)合土工膜的摩擦系數(shù)的變化情況見表2。

由表中的試驗結(jié)果可以得出，在不同試驗溫度條件下，復(fù)合土工膜與砂漿的界面摩擦角均小于復(fù)合土工膜與砂礫石的界面摩擦角，其中膜面的界面摩擦角小于布面。在不同溫度下進行繪制界面摩擦角隨溫度的變化曲線，如圖5所示。

從試驗結(jié)果可以得出，隨著試驗溫度的增加，界面摩擦角均呈現(xiàn)降低的趨勢，摩擦系數(shù)不斷降低，在試驗溫度為60 ℃時，摩擦系數(shù)降低較大，溫度升高至60 ℃時，塑膜-砂漿試塊界面摩擦角降低4.3°,布-砂漿試塊界面摩擦角降低3.1°,塑膜-砂礫石界面摩擦角降低4.7°,布-砂礫石界面摩擦角降低4.2°,降低均較明顯。溫度低于40 ℃時，溫度對界面摩擦角影響相對較小，溫度高于40 ℃時，界面摩擦角降低較快；試驗溫度對四種界面摩擦角的影響速率幾乎相同，在低于40 ℃時，試驗溫度每升高10 ℃,摩擦角降低約0.7°,當(dāng)溫度高于40 ℃時，試驗溫度每升高10 ℃,摩擦角降低約1.3°。試驗溫度的增加使得界面摩擦角降低明顯，在界面摩擦角的確定中，應(yīng)充分考慮工程區(qū)的最大環(huán)境溫度，采用對工程穩(wěn)定性最為不利的溫度為試驗溫度，進行界面直剪摩擦試驗，增加壩坡，對壩體安全穩(wěn)定的設(shè)計有較好的工程意義。

土工膜壩的壩坡穩(wěn)定主要由防滲膜的保護層所控制，根據(jù)規(guī)范SL/T 225—98《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，若保護層為等厚時，其安全系數(shù)可用下式確定：

當(dāng)保護層透水性良好時，其穩(wěn)定安全系數(shù)可按式(1)計算：

FS=tgδtgα (1)FS=tgδtgα(1)

式中：δ為上墊層與防滲土工膜之間的摩擦角；α為防滲土工膜的坡角。

當(dāng)保護層透水性較差時，其穩(wěn)定安全系數(shù)可按式(2)計算：

FS=γ′tgδγsattgα (2)FS=γ′tgδγsattgα(2)

式中：γ′為防護層(包括上墊層)材料的浮容重；γsat為防護層(包括上墊層)材料的飽和容重。

根據(jù)復(fù)合土工膜防滲層與建筑材料間的界面摩擦角可以求出各工況下的安全系數(shù)，穩(wěn)定分析成果見表3所示。

上述分析結(jié)果表明，在壩體邊坡為1∶2.5的條件下，當(dāng)采用硬性防滲結(jié)構(gòu)時，無論是塑膜還是布面，防滲膜的保護層穩(wěn)定安全系數(shù)均小于1,將發(fā)生失穩(wěn)工況；若保護層下的界面溫度達到60 ℃時，其穩(wěn)定性更差，相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.65和0.74;若采用軟性防滲結(jié)構(gòu)時，除了溫度為60 ℃下塑膜-砂礫石安全系數(shù)小于1,其他防滲膜的保護層時穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.0,其中布面與砂礫石防滲結(jié)構(gòu)安全系數(shù)可達1.50,完全滿足安全運行的要求。

(1) 復(fù)合土工膜是一種溫度敏感性材料，在基本技術(shù)性能的測定中，溫度升高，使其力學(xué)性能迅速降低，變形量增加。

(2) 土工膜在接觸作用下剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變呈明顯的非線性關(guān)系，剪切應(yīng)力隨剪切應(yīng)變增加而逐漸增大，但增長趨勢逐漸減小，與軟結(jié)構(gòu)物質(zhì)的接觸時，達到峰值后趨于穩(wěn)定；與硬性結(jié)構(gòu)的界面摩擦中，達到峰值后略有降低并趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出低于峰值強度的殘留強度。

(3) 試驗溫度的增加使得界面摩擦角降低明顯，在界面摩擦角的確定中，應(yīng)充分考慮工程區(qū)最高環(huán)境溫度，作為試驗溫度，進行界面直剪摩擦試驗，增加壩坡，對壩體安全穩(wěn)定的設(shè)計有較好的工程意義。

(4) 復(fù)合土工膜與砂漿墊層的界面摩擦角小于復(fù)合土工膜與砂礫石界面，塑膜與試驗材料的界面摩擦角小于布與試驗材料的界面摩擦角，表明墊層材料采用砂礫石及復(fù)合土工膜采用二布一膜對結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定更有利。