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摘要：涵闸底板与铺盖连接处易产生不均匀沉降，导致黏土防渗体破坏，危害涵闸及大堤安全。复合土工膜与黏土铺盖组合结构抵抗变形能力强，可作为闸室底板与闸前铺盖间防渗体。以山东杨集引黄闸为例，建立涵洞式水闸三维模型，在平衡地应力后，对闸室底板施加实测位移荷载，研究实际沉降条件下复合土工膜的应力变形规律。计算结果表明：复合土工膜最大应力均出现在底板底部拐角处，纵向最大拉应力为4.30 MPa，横向最大拉应力为3.54 MPa，小于土工膜的允许抗拉强度，可满足工程应用要求，其变形规律依附于闸基的沉降，纵向位移与闸基沉降基本相等。针对直角拐角处应力集中现象，可在横、纵向折叠铺设土工膜，以减小拉应力。
关键词：复合土工膜;防渗结构;ABAQUS;引黄闸
中图分类号：TV311
文献标志码：A
doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 025
涵洞式水闸是黄河上常见的一种水工建筑物，主要包括闸前铺盖、闸室和涵洞等部分。闸室前设铺盖可增大渗径长度，减小坡降，其通常有混凝土铺盖和黏土铺盖两种类型。在实际应用中，闸室本身质量较大，加上大堤填土对闸室的顶推力作用，使得闸室底板与铺盖连接处常发生不均匀沉降。在对黄河上涵闸进行清淤检查中发现，大部分涵闸沉陷不均匀[1]。工程经验表明，黄河上建成20 a的涵闸闸室前累计不均匀沉降一般为10～ 20 cm.超过了规范允许值。混凝土铺盖刚度大，在不均匀沉降处承受较大弯矩，易发生破坏。黏土铺盖刚度较小，变形协调能力较强，但在不均匀沉降处会因底板沉降而发生剪切破坏。混凝土或黏土铺盖断裂破坏后，导致涵闸渗径缩短，引起水力梯度增大，在上游水头作用下易产生涌水、管涌，掏空闸室及涵洞基础，严重时还会影响堤防安全。因此，在工程设计时会考虑在底板下设混凝土摩擦桩或端承桩。在底板下设置桩基础可有效减小闸室沉降，但底板下部土体不再受到上部重力作用而压密，在长时间渗流作用下易发生掏空现象，另外很多工程一味满足承载力要求，导致基础处理采用过多桩基，水泥桩造价较高，增加了建设成本[2]。
土工膜防渗好、施工简便、造价低，在30多a的研究与实践中，其应用日渐普遍，施工方法日渐成熟[3-4]。如：张马涵闸采用土工膜真空联合预载加固软基[5]：韩董庄和孙东涵闸闸前铺盖在改建中采用土工膜防渗，铺设范围为原铺盖长度，经施工分析，复合土工膜方案经济且防渗效果良好[6]：胜丰涵闸采用400g/m2的无纺土工布铺盖结合混凝土防渗墙进行防渗设计[7]。但此类工程将复合土工膜作为防渗体，在设计中均未考虑铺盖与闸室底板连接处不均匀沉降的影响，在闸基底板与铺盖连接位置复合土工膜的应力变形状态如何，在何处应力变形最大，复合土工膜是否能够安全运行，尚未进行系统分析。
本文针对引黄闸闸室底板与铺盖间不均匀沉降现象，提出采用复合土工膜作为闸室底板与闸前铺盖之间的防渗结构，并简要介绍了复合土工膜的施工程序。利用ABAQUS建立涵闸三维模型，涵闸以复合土工膜+黏土铺盖作为防渗体，研究复合土工膜的应力变形状态，为复合土工膜应用于铺盖与闸基连接处提供可行性依据，并提出相应优化设计方法。
1 复合土工膜设计
1.1 土工膜防渗体的优点
（1）土工膜渗透系数为10-11 cm/s，远小于黏土渗透系数（10-8 cm/s）和混凝土渗透系数（10-7 cm/s），完全可以满足普通涵闸闸室底板与上游铺盖连接处的防渗要求。
（2）复合土工膜+黏土铺盖组合结构抵抗不均勻沉降能力强。黏土一方面可以起防渗作用，另一方面作为垫层可保护复合土工膜免于碎石尖角刺破，起到双保险作用。同时复合土工膜的极限延伸率在300%以上，抵抗变形能力远超黏土和混凝土[4]。
（3）复合土工膜+黏土铺盖组合防渗结构造价低。黏土可取闸址处开挖土体，复合土工膜综合单价大致为30元/m2，比采用大量黏土和混凝土防渗造价显著降低。
（4）施工方便。复合土工膜在抽水蓄能电站堤防、面膜堆石坝中广泛应用，施工技术已相对成熟，面膜焊接保证率高。在应用黏土一复合土工膜防渗体施工时，复合土工膜工程量小，仅在上下游闸基底板连接位置铺设：复合土工膜与混凝土连接部分不设上垫层，可简化土工膜铺设工艺。
1.2 土工膜防渗体结构设计
防渗体结构设计充分考虑铺盖与闸基底板连接处不均匀沉降对防渗结构的影响，采用复合土工膜+黏土铺盖的组合防渗结构形式。复合土工膜可在铺盖因不均匀沉降而产生裂缝时正常防渗。
复合土工膜防渗体平面设计：复合土工膜在上游与黏土铺盖锚固槽连接，下游与混凝土底板膨胀螺栓锚固连接，形成局部密封防渗体系：为保证土工膜运行安全，土工膜在连接处垂直方向铺设至浆砌石护底
铺盖防渗结构包括0.4 m厚浆砌石护底、0.2 m厚壤土、0.3 m厚黏土。
复合土工膜防渗结构：上游复合土工膜结合铺盖防渗结构，0.4 m浆砌石保护层，防止水流冲刷上垫层：0.2 m壤土上垫层，防止浆砌石在施工过程中对土工膜的损害;下垫层为0.3 m厚黏土。下游复合土工膜与混凝土底板直接接触，不设上垫层，下垫层设0.3 m细砂垫层。
土工膜防渗结构接头设计：复合土工膜与建筑物连接处密封连接。对于与预浇混凝土闸基底板的连接，采用膨胀螺栓进行锚固;上游与铺盖的连接采用开挖锚固槽，然后浇筑素混凝土，固定复合土工膜。
1.3 防渗方案比选
基于复合土工膜渗透系数小、抗拉性能好、适应应变能力强等优点，在此选用复合土工膜方案与塑性混凝土墙方案进行对比：方案①.10 m长的黏土铺盖+塑性混凝土防渗墙;方案②，10 m长的黏土铺盖+局部复合土工膜。 （1）防渗效果及可行性比较。方案①采用10 m长黏土铺盖进行水平防渗，结合塑性混凝土墙作垂直防渗，形成闸基防渗体系。塑性混凝土墙可增加渗径，且混凝土渗透系数为10-7 cm/s.可满足普通闸底板与上游铺盖连接处防渗要求。该方案是目前工程中广泛应用的方案。闸室自重及上游水压力主要由混凝土墙来承担，闸基土体基本不承担，塑性混凝土防渗墙起到防渗抗渗作用，效果良好。方案②采用黏土铺盖与复合土工膜组合防渗，黏土铺盖作为复合土工膜的保护层，与土工布组成双保险，防止碎石及混凝土底板边角刺破土工膜，同时黏土和土工膜都具有防渗效果，且复合土工膜的渗透系数仅10-11 cm/s.远小于黏土及塑性混凝土的，完全能够满足引黄闸10 m水头的防渗要求。复合土工膜抗拉性能好，极限延伸率大于50%，可适应较大幅度的不均匀沉降，为消除底板转角处的夹具效应，可采用折叠铺设方案，以土工膜几何变形来代替拉伸变形，保证组合防渗结构安全可靠。
（2）经济性比较。方案①中，塑性混凝土墙设置在闸室底板前齿墙底部，上部与闸室底板浇筑在一起，下部打人相对不透水层。杨集引黄闸单孔净宽2.6 m，共三孔，底板宽11.4 m.地基相对透水层厚6m.塑性混凝土墙打人地基相对不透水层下1m，即混凝土墙深约7m，混凝土墙单价为300元/m2左右，塑性混凝土墙造价约2.4万元。相比方案①，复合土工膜铺设范围在铺盖与闸基连接位置，复合土工膜长度约15m，闸室宽度约11.4 m，其工程量为171 m2，复合土工膜综合单价为30元/m2，其造价约0.5万元。
（3）比选结果。方案①与方案②作为闸室防渗方案均可满足工程防渗要求，其对比见表1。方案①采用的塑性混凝土墙可有效增加渗径并具有良好的防渗性能;方案②所采用的复合土工膜，渗透系数小，造价低，不能减小闸室不均匀沉降，但复合土工膜抗拉性能好，可适应于较大的不均匀沉降：方案①塑性混凝土材料费约是方案②复合土工膜材料费的5倍。综合考虑采用方案②进行防渗设计。
2 复合土工膜防渗施工
复合土工膜防渗施工程序见图2。复合土工膜的铺设顺序与闸室的施工顺序保持一致，先进行闸室施工，然后进行铺盖施工。因此，复合土工膜具体施工顺序为：闸室混凝土底板浇筑完成后，首先采用膨胀螺栓锚固底板土工膜，然后将混凝土底板与锚固好的复合土工膜吊装到指定位置，再铺设铺盖段复合土工膜，复合土工膜之间采用焊接连接，连接完成后锚固槽锚固铺盖段复合土工膜，最后对铺盖段复合土工膜铺设上垫层，最后进行浆砌石护底。其施工特点是：上游土工膜结合铺盖防渗结构，与铺盖有共同的垫层;下游复合土工膜与混凝土直接接触，不设上垫层。
3 有限元计算分析
复合土工膜渗透系数仅10-11 cm/s，是一种理想的防渗体，以山东黄河杨集引黄闸为例，采用复合土工膜+铺盖防渗方案，对复合土工膜进行有限元计算分析。采用ABAQUS建立闸室三维模型，平衡地应力之后，闸室底部施加实测沉降位移，主要研究复合土工膜的应力变形状态。
3.1 工程概况
杨集引黄闸建于1992年，为一联三孔钢筋混凝土涵洞式水闸，每孔净宽2.6 m、净高2.8 m，建筑物等级为I级，闸门为钢筋混凝土平板闸门，涵洞全长80 m.分8节，闸首段长9.99 m，其余7节均长9，98 m，设计流量为30 m3/s.底板上设边墩、中墩，边墩厚0.67 m，中墩厚1.05 m.洞身顶、底板厚均为0.7 m，每节涵洞洞节之間设钢筋混凝土垫梁，垫梁高0.5 m、宽1.0 m。工作闸门机架桥为一整体式钢筋混凝土肋形结构，涵洞顶部有大堤回填土，闸上游设置3m长的黏土铺盖，闸底板高程45.9 m.设计防洪水位56.6 m，见图3。
该水闸运行21 a后，山东黄河勘测设计研究院对其进行了安全检测。结果表明，其上游面有明显裂缝，浆砌石护坡塌陷，基础底部有掏空现象，闸前铺盖前Im出现多处渗水管涌，涵洞之间止水钢板严重腐蚀。在此提出采用复合土工膜与现有铺盖组合进行防渗。试样规格为500 g土工布夹1.0 mm厚的PVC膜，土工材料参数见表2。
依据水利水电工程土工合成材料应用技术规范，测得的极限抗拉强度T和相应极限拉应变ε用于工程设计时先进行折减：的容许拉应力横向为9.4 MPa.纵向为9.1 MPa;拉应变横向为19.5%.纵向为16.2%。
3.2 计算模型
模型范围在闸体上游取20 m.下游取到闸室后大堤平台20 m.左右岸各取到边墩外侧10 m，纵向取底板以下20 m.主要构件包括大堤、闸室、铺盖和土工膜。考虑到上游翼墙对复合土工膜影响较小，故未予建模。复合土工膜采用两布一膜，计算模型见图4。采用通用有限元软件ABAQUS进行计算分析。
土体模拟采用摩尔库仑模型，涵闸、铺盖、土工膜模拟采用线弹性模型，计算参数见表3。
计算考虑土工膜与闸室底板、铺盖、地基土体之间的摩擦接触，以及胸墙及边墩外侧与大堤填土接触。接触面摩擦系数见表4。计算中所有接触面法向采用硬接触，所有接触滑移均设为小滑移。土工膜与底板和地基土之间设置接触单元，主要考虑模拟土体与膜料间的挤压和滑移;胸墙、边墩与大堤土之间接触单元主要考虑大堤填土被动土压力对闸室的顶推力，以及两侧填土对结构的挤压力。
计算工况：根据杨集引黄闸闸基沉降实测资料，取闸室下游10 m范围内测点进行工况设计。沉降点布置如图5所示。左侧Cl点累计沉降为32 mm，C2点为35 mm;右侧Cl点累计沉降为66 mm，C2点为5 mm，不符合沉降规律，考虑可能是仪器问题，根据现有右侧C1、C3点数据，取C2点沉降为Cl、C3点沉降的平均值，为70 mm。 3.3 计算结果
（1）应力分析。复合土工膜应力分布见图6。从复合土工膜纵向和顺水流方向应力分布可以看出，纵向最大拉应力为4.30 MPa，顺水流方向最大拉应力为3.54 MPa，其发生位置均在复合土工膜竖向拐角处。原因是在自重、水压力、淤沙压力和大堤土压力共同作用下，底板上游端纵向位移最大，由此导致复合土工膜与底板下端接触部位产生应力集中，且在建模分析时，闸室底板下部具有较尖锐的直角转折，进一步加剧了应力集中现象。除拐角位置处应力集中较大外，剩余复合土工膜应力为1.00 MPa左右。可见，水闸在正常运行情况下复合土工膜所受最大拉应力远小于土工膜允许应力，可以正常工作。
（2）位移分析。复合土工膜位移分布见图7。可以看出，复合土工膜纵向位移依附于混凝土底板的沉降，其纵向位移最大位置与实测沉降最大位置基本一致，为70.52 mm，与实测值相近。土工膜与闸室底板以及地基填土之间并未观测到明显的相对滑移。复合土工膜作为柔性材料，不能改善闸室沉降，仅能很好地适应地基的沉降，并且闸室质量较大，导致土工膜竖向压应力较大，因此不会产生相对滑移。复合土工膜顺水流方向位移与土工膜竖向位移相比很小，最大仅为10.20 mm，说明在各种荷载综合作用下，土工膜的拉伸主要在纵向，应采取工程措施避免拉伸变形过大，导致土工膜破坏。
（3）工程改进措施。通过上述有限元计算分析可知，复合土工膜拉应力最大位置在铺盖与闸基底板的连接处，在复合土工膜拐角位置出现应力集中现象。在底板与闸前铺盖交界处，闸室因自重大、沉降大，故对复合土工膜有一个剪切力，若复合土工膜紧贴混凝土底板向上铺至浆砌石护底，在连接处土工膜有一个90°拐角，拉应力会集中在拐角位置。为减小连接处不均匀沉降对土工膜造成的影响，使用几何变形来代替拉伸变形。在此建议对混凝土底板与黏土铺盖连接位置横、纵向折叠铺设土工膜，减小拉应力，铺设方式见图8。这样当底板下部复合土工膜承受较大拉应力时，可将褶皱段土工膜拉直，减小复合土工膜的应变及应力集中。
4 结论
针对引黄闸闸室底板与铺盖间黏土防渗体易产生剪切破坏的问题，提出采用复合土工膜作为不均匀沉降部位的防渗结构，并进行了有限元计算分析，得出以下结论：
（1）复合土工膜适宜应用于涵洞式水闸底板与铺盖间防渗，在应用时可采用两布一膜方式。
（2）复合土工膜施工顺序为下游复合土工膜膨胀螺栓锚固、吊装，然后上游膜铺设、焊接以及锚固槽连接，最后回填壤土及浆砌石护底。
（3）有限元计算结果表明，复合土工膜竖向拉应力最大为4.30 MPa.顺水流方向最大为3.50 MPa，均在复合土工膜的允许抗拉强度范围内，而其应变主要发生在竖直方向上，复合土工膜最大拉伸率远小于复合土工膜的允许拉伸率，复合土工膜可安全使用。
（4）针对土工膜应力集中部位，建议在横、纵向折叠铺设土工膜，充分利用其几何变形代替拉伸变形以减小拉应力。
参考文献：
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关键词：复合土工膜;防渗结构;ABAQUS;引黄闸
中图分类号：TV311
文献标志码：A
doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 025
涵洞式水闸是黄河上常见的一种水工建筑物，主要包括闸前铺盖、闸室和涵洞等部分。闸室前设铺盖可增大渗径长度，减小坡降，其通常有混凝土铺盖和黏土铺盖两种类型。在实际应用中，闸室本身质量较大，加上大堤填土对闸室的顶推力作用，使得闸室底板与铺盖连接处常发生不均匀沉降。在对黄河上涵闸进行清淤检查中发现，大部分涵闸沉陷不均匀[1]。工程经验表明，黄河上建成20 a的涵闸闸室前累计不均匀沉降一般为10～ 20 cm.超过了规范允许值。混凝土铺盖刚度大，在不均匀沉降处承受较大弯矩，易发生破坏。黏土铺盖刚度较小，变形协调能力较强，但在不均匀沉降处会因底板沉降而发生剪切破坏。混凝土或黏土铺盖断裂破坏后，导致涵闸渗径缩短，引起水力梯度增大，在上游水头作用下易产生涌水、管涌，掏空闸室及涵洞基础，严重时还会影响堤防安全。因此，在工程设计时会考虑在底板下设混凝土摩擦桩或端承桩。在底板下设置桩基础可有效减小闸室沉降，但底板下部土体不再受到上部重力作用而压密，在长时间渗流作用下易发生掏空现象，另外很多工程一味满足承载力要求，导致基础处理采用过多桩基，水泥桩造价较高，增加了建设成本[2]。
土工膜防渗好、施工简便、造价低，在30多a的研究与实践中，其应用日渐普遍，施工方法日渐成熟[3-4]。如：张马涵闸采用土工膜真空联合预载加固软基[5]：韩董庄和孙东涵闸闸前铺盖在改建中采用土工膜防渗，铺设范围为原铺盖长度，经施工分析，复合土工膜方案经济且防渗效果良好[6]：胜丰涵闸采用400g/m2的无纺土工布铺盖结合混凝土防渗墙进行防渗设计[7]。但此类工程将复合土工膜作为防渗体，在设计中均未考虑铺盖与闸室底板连接处不均匀沉降的影响，在闸基底板与铺盖连接位置复合土工膜的应力变形状态如何，在何处应力变形最大，复合土工膜是否能够安全运行，尚未进行系统分析。
本文针对引黄闸闸室底板与铺盖间不均匀沉降现象，提出采用复合土工膜作为闸室底板与闸前铺盖之间的防渗结构，并简要介绍了复合土工膜的施工程序。利用ABAQUS建立涵闸三维模型，涵闸以复合土工膜+黏土铺盖作为防渗体，研究复合土工膜的应力变形状态，为复合土工膜应用于铺盖与闸基连接处提供可行性依据，并提出相应优化设计方法。
1 复合土工膜设计
1.1 土工膜防渗体的优点
（1）土工膜渗透系数为10-11 cm/s，远小于黏土渗透系数（10-8 cm/s）和混凝土渗透系数（10-7 cm/s），完全可以满足普通涵闸闸室底板与上游铺盖连接处的防渗要求。
（2）复合土工膜+黏土铺盖组合结构抵抗不均勻沉降能力强。黏土一方面可以起防渗作用，另一方面作为垫层可保护复合土工膜免于碎石尖角刺破，起到双保险作用。同时复合土工膜的极限延伸率在300%以上，抵抗变形能力远超黏土和混凝土[4]。
（3）复合土工膜+黏土铺盖组合防渗结构造价低。黏土可取闸址处开挖土体，复合土工膜综合单价大致为30元/m2，比采用大量黏土和混凝土防渗造价显著降低。
（4）施工方便。复合土工膜在抽水蓄能电站堤防、面膜堆石坝中广泛应用，施工技术已相对成熟，面膜焊接保证率高。在应用黏土一复合土工膜防渗体施工时，复合土工膜工程量小，仅在上下游闸基底板连接位置铺设：复合土工膜与混凝土连接部分不设上垫层，可简化土工膜铺设工艺。
1.2 土工膜防渗体结构设计
防渗体结构设计充分考虑铺盖与闸基底板连接处不均匀沉降对防渗结构的影响，采用复合土工膜+黏土铺盖的组合防渗结构形式。复合土工膜可在铺盖因不均匀沉降而产生裂缝时正常防渗。
复合土工膜防渗体平面设计：复合土工膜在上游与黏土铺盖锚固槽连接，下游与混凝土底板膨胀螺栓锚固连接，形成局部密封防渗体系：为保证土工膜运行安全，土工膜在连接处垂直方向铺设至浆砌石护底
铺盖防渗结构包括0.4 m厚浆砌石护底、0.2 m厚壤土、0.3 m厚黏土。
复合土工膜防渗结构：上游复合土工膜结合铺盖防渗结构，0.4 m浆砌石保护层，防止水流冲刷上垫层：0.2 m壤土上垫层，防止浆砌石在施工过程中对土工膜的损害;下垫层为0.3 m厚黏土。下游复合土工膜与混凝土底板直接接触，不设上垫层，下垫层设0.3 m细砂垫层。
土工膜防渗结构接头设计：复合土工膜与建筑物连接处密封连接。对于与预浇混凝土闸基底板的连接，采用膨胀螺栓进行锚固;上游与铺盖的连接采用开挖锚固槽，然后浇筑素混凝土，固定复合土工膜。
1.3 防渗方案比选
基于复合土工膜渗透系数小、抗拉性能好、适应应变能力强等优点，在此选用复合土工膜方案与塑性混凝土墙方案进行对比：方案①.10 m长的黏土铺盖+塑性混凝土防渗墙;方案②，10 m长的黏土铺盖+局部复合土工膜。 （1）防渗效果及可行性比较。方案①采用10 m长黏土铺盖进行水平防渗，结合塑性混凝土墙作垂直防渗，形成闸基防渗体系。塑性混凝土墙可增加渗径，且混凝土渗透系数为10-7 cm/s.可满足普通闸底板与上游铺盖连接处防渗要求。该方案是目前工程中广泛应用的方案。闸室自重及上游水压力主要由混凝土墙来承担，闸基土体基本不承担，塑性混凝土防渗墙起到防渗抗渗作用，效果良好。方案②采用黏土铺盖与复合土工膜组合防渗，黏土铺盖作为复合土工膜的保护层，与土工布组成双保险，防止碎石及混凝土底板边角刺破土工膜，同时黏土和土工膜都具有防渗效果，且复合土工膜的渗透系数仅10-11 cm/s.远小于黏土及塑性混凝土的，完全能够满足引黄闸10 m水头的防渗要求。复合土工膜抗拉性能好，极限延伸率大于50%，可适应较大幅度的不均匀沉降，为消除底板转角处的夹具效应，可采用折叠铺设方案，以土工膜几何变形来代替拉伸变形，保证组合防渗结构安全可靠。
（2）经济性比较。方案①中，塑性混凝土墙设置在闸室底板前齿墙底部，上部与闸室底板浇筑在一起，下部打人相对不透水层。杨集引黄闸单孔净宽2.6 m，共三孔，底板宽11.4 m.地基相对透水层厚6m.塑性混凝土墙打人地基相对不透水层下1m，即混凝土墙深约7m，混凝土墙单价为300元/m2左右，塑性混凝土墙造价约2.4万元。相比方案①，复合土工膜铺设范围在铺盖与闸基连接位置，复合土工膜长度约15m，闸室宽度约11.4 m，其工程量为171 m2，复合土工膜综合单价为30元/m2，其造价约0.5万元。
（3）比选结果。方案①与方案②作为闸室防渗方案均可满足工程防渗要求，其对比见表1。方案①采用的塑性混凝土墙可有效增加渗径并具有良好的防渗性能;方案②所采用的复合土工膜，渗透系数小，造价低，不能减小闸室不均匀沉降，但复合土工膜抗拉性能好，可适应于较大的不均匀沉降：方案①塑性混凝土材料费约是方案②复合土工膜材料费的5倍。综合考虑采用方案②进行防渗设计。
2 复合土工膜防渗施工
复合土工膜防渗施工程序见图2。复合土工膜的铺设顺序与闸室的施工顺序保持一致，先进行闸室施工，然后进行铺盖施工。因此，复合土工膜具体施工顺序为：闸室混凝土底板浇筑完成后，首先采用膨胀螺栓锚固底板土工膜，然后将混凝土底板与锚固好的复合土工膜吊装到指定位置，再铺设铺盖段复合土工膜，复合土工膜之间采用焊接连接，连接完成后锚固槽锚固铺盖段复合土工膜，最后对铺盖段复合土工膜铺设上垫层，最后进行浆砌石护底。其施工特点是：上游土工膜结合铺盖防渗结构，与铺盖有共同的垫层;下游复合土工膜与混凝土直接接触，不设上垫层。
3 有限元计算分析
复合土工膜渗透系数仅10-11 cm/s，是一种理想的防渗体，以山东黄河杨集引黄闸为例，采用复合土工膜+铺盖防渗方案，对复合土工膜进行有限元计算分析。采用ABAQUS建立闸室三维模型，平衡地应力之后，闸室底部施加实测沉降位移，主要研究复合土工膜的应力变形状态。
3.1 工程概况
杨集引黄闸建于1992年，为一联三孔钢筋混凝土涵洞式水闸，每孔净宽2.6 m、净高2.8 m，建筑物等级为I级，闸门为钢筋混凝土平板闸门，涵洞全长80 m.分8节，闸首段长9.99 m，其余7节均长9，98 m，设计流量为30 m3/s.底板上设边墩、中墩，边墩厚0.67 m，中墩厚1.05 m.洞身顶、底板厚均为0.7 m，每节涵洞洞节之間设钢筋混凝土垫梁，垫梁高0.5 m、宽1.0 m。工作闸门机架桥为一整体式钢筋混凝土肋形结构，涵洞顶部有大堤回填土，闸上游设置3m长的黏土铺盖，闸底板高程45.9 m.设计防洪水位56.6 m，见图3。
该水闸运行21 a后，山东黄河勘测设计研究院对其进行了安全检测。结果表明，其上游面有明显裂缝，浆砌石护坡塌陷，基础底部有掏空现象，闸前铺盖前Im出现多处渗水管涌，涵洞之间止水钢板严重腐蚀。在此提出采用复合土工膜与现有铺盖组合进行防渗。试样规格为500 g土工布夹1.0 mm厚的PVC膜，土工材料参数见表2。
依据水利水电工程土工合成材料应用技术规范，测得的极限抗拉强度T和相应极限拉应变ε用于工程设计时先进行折减：的容许拉应力横向为9.4 MPa.纵向为9.1 MPa;拉应变横向为19.5%.纵向为16.2%。
3.2 计算模型
模型范围在闸体上游取20 m.下游取到闸室后大堤平台20 m.左右岸各取到边墩外侧10 m，纵向取底板以下20 m.主要构件包括大堤、闸室、铺盖和土工膜。考虑到上游翼墙对复合土工膜影响较小，故未予建模。复合土工膜采用两布一膜，计算模型见图4。采用通用有限元软件ABAQUS进行计算分析。
土体模拟采用摩尔库仑模型，涵闸、铺盖、土工膜模拟采用线弹性模型，计算参数见表3。
计算考虑土工膜与闸室底板、铺盖、地基土体之间的摩擦接触，以及胸墙及边墩外侧与大堤填土接触。接触面摩擦系数见表4。计算中所有接触面法向采用硬接触，所有接触滑移均设为小滑移。土工膜与底板和地基土之间设置接触单元，主要考虑模拟土体与膜料间的挤压和滑移;胸墙、边墩与大堤土之间接触单元主要考虑大堤填土被动土压力对闸室的顶推力，以及两侧填土对结构的挤压力。
计算工况：根据杨集引黄闸闸基沉降实测资料，取闸室下游10 m范围内测点进行工况设计。沉降点布置如图5所示。左侧Cl点累计沉降为32 mm，C2点为35 mm;右侧Cl点累计沉降为66 mm，C2点为5 mm，不符合沉降规律，考虑可能是仪器问题，根据现有右侧C1、C3点数据，取C2点沉降为Cl、C3点沉降的平均值，为70 mm。 3.3 计算结果
（1）应力分析。复合土工膜应力分布见图6。从复合土工膜纵向和顺水流方向应力分布可以看出，纵向最大拉应力为4.30 MPa，顺水流方向最大拉应力为3.54 MPa，其发生位置均在复合土工膜竖向拐角处。原因是在自重、水压力、淤沙压力和大堤土压力共同作用下，底板上游端纵向位移最大，由此导致复合土工膜与底板下端接触部位产生应力集中，且在建模分析时，闸室底板下部具有较尖锐的直角转折，进一步加剧了应力集中现象。除拐角位置处应力集中较大外，剩余复合土工膜应力为1.00 MPa左右。可见，水闸在正常运行情况下复合土工膜所受最大拉应力远小于土工膜允许应力，可以正常工作。
（2）位移分析。复合土工膜位移分布见图7。可以看出，复合土工膜纵向位移依附于混凝土底板的沉降，其纵向位移最大位置与实测沉降最大位置基本一致，为70.52 mm，与实测值相近。土工膜与闸室底板以及地基填土之间并未观测到明显的相对滑移。复合土工膜作为柔性材料，不能改善闸室沉降，仅能很好地适应地基的沉降，并且闸室质量较大，导致土工膜竖向压应力较大，因此不会产生相对滑移。复合土工膜顺水流方向位移与土工膜竖向位移相比很小，最大仅为10.20 mm，说明在各种荷载综合作用下，土工膜的拉伸主要在纵向，应采取工程措施避免拉伸变形过大，导致土工膜破坏。
（3）工程改进措施。通过上述有限元计算分析可知，复合土工膜拉应力最大位置在铺盖与闸基底板的连接处，在复合土工膜拐角位置出现应力集中现象。在底板与闸前铺盖交界处，闸室因自重大、沉降大，故对复合土工膜有一个剪切力，若复合土工膜紧贴混凝土底板向上铺至浆砌石护底，在连接处土工膜有一个90°拐角，拉应力会集中在拐角位置。为减小连接处不均匀沉降对土工膜造成的影响，使用几何变形来代替拉伸变形。在此建议对混凝土底板与黏土铺盖连接位置横、纵向折叠铺设土工膜，减小拉应力，铺设方式见图8。这样当底板下部复合土工膜承受较大拉应力时，可将褶皱段土工膜拉直，减小复合土工膜的应变及应力集中。
4 结论
针对引黄闸闸室底板与铺盖间黏土防渗体易产生剪切破坏的问题，提出采用复合土工膜作为不均匀沉降部位的防渗结构，并进行了有限元计算分析，得出以下结论：
（1）复合土工膜适宜应用于涵洞式水闸底板与铺盖间防渗，在应用时可采用两布一膜方式。
（2）复合土工膜施工顺序为下游复合土工膜膨胀螺栓锚固、吊装，然后上游膜铺设、焊接以及锚固槽连接，最后回填壤土及浆砌石护底。
（3）有限元计算结果表明，复合土工膜竖向拉应力最大为4.30 MPa.顺水流方向最大为3.50 MPa，均在复合土工膜的允许抗拉强度范围内，而其应变主要发生在竖直方向上，复合土工膜最大拉伸率远小于复合土工膜的允许拉伸率，复合土工膜可安全使用。
（4）针对土工膜应力集中部位，建议在横、纵向折叠铺设土工膜，充分利用其几何变形代替拉伸变形以减小拉应力。
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