土工膜防渗特性及损伤对大坝安全影响的数值模拟研究
土工膜作为核心防渗材料，凭借防渗效果优异、结构简便、延伸率高等显著特点，已在环卫、水利、市政工程等多个领域中发挥关键作用。在大温差地区，土工膜易因温度波动产生温度应力，因此其在服役过程中常因温度变化处于受力状态；同时，地基不均匀沉降现象普遍存在，土工膜也会受此影响持续承受应力作用。
溃坝事件中，失事大坝以土石坝为主，而防渗安全问题是导致土石坝溃决的核心因素之一，例如渗漏引发的坝内浸润线异常等。鉴于土工膜是水利工程中常用的防渗材料，其性能与状态直接关系防渗效果，因此对土工膜开展的各项研究广受业内关注。已有研究表明：在两端固定条件下，HDPE 土工膜表面温度下降 30℃时，会产生 1.55 kN/m 的温度应力；且若 HDPE 土工膜长期承受高应力作用，极易发生蠕变破坏。此外，土工膜下方的地基土壤具有可压缩性，常出现不均匀沉降，这种沉降会使土工膜产生拉伸变形，当沉降程度较为严重时，土工膜将面临拉伸断裂风险。一旦土工膜损坏，库水渗漏会改变坝体内部渗流场，进而影响大坝边坡的安全稳定性；同时，库水渗漏还会导致坝体下游出现渗透破坏，目前关于下游渗透破坏的水平长度对下游坝坡安全稳定性的影响，尚未形成明确研究结论。
为探究水库坝坡土工膜损伤对大坝安全的影响，本文以土工膜损伤工况为核心研究对象，采用有限元计算方法，聚焦坝坡土工膜损伤后坝体内部渗流特性变化、坝坡安全稳定性规律，同时研究下游不同水平破坏长度下大坝的整体安全稳定系数，以此明确土工膜损伤与大坝安全的关联机制。
边坡稳定性计算采用摩根斯坦 - 普莱斯法（以下简称 M-P 法）。该方法可考虑全部平衡条件与边界条件，有效消除计算方法本身的误差，适用于土工膜损伤后坝坡滑动土体的稳定性分析，其力学模型如图 1 所示。M-P 法是基于极限平衡理论的边坡稳定性分析方法，核心在于同时满足各条块的力平衡与力矩平衡条件，为土工膜损伤工况下的边坡稳定性评估提供可靠计算依据，其计算原理公式及关键步骤如下：
（1）条块划分与基本假设：将滑动土体划分为 n 个垂直条块，每个条块宽度为 bᵢ、高度为 hᵢ、底面倾角为 αᵢ。假设条块间法向力 Eᵢ与切向力 Tᵢ的合力方向符合某一预设函数 λ(x)，通常取线性分布形式或采用简化假设。
对模拟结果的分析表明：水库上游迎水面坝坡中心处的土工膜若出现不同面积缺陷，会直接导致大坝坝坡渗漏逸出点的渗透坡降随缺陷面积增大而逐渐增大 —— 相较于土工膜完整时，渗透坡降显著升高，且随土工膜缺陷面积增加，渗透坡降的增大速率还会逐渐加快。当土工膜缺陷面积达到 0.45 m² 时，坝坡渗漏逸出点的渗透坡降达到围坝允许渗透坡降值，此时大坝在稳定渗流过程中会发生渗透变形，进而引发坝体结构失稳，这表明坝坡中心处土工膜缺陷面积一旦达到 0.45 m²，大坝便存在边坡失稳风险。
当上游坝坡土工膜缺陷面积为 0.45 m² 时，土工膜的损伤直接改变了流线形态：与土工膜完整时相比，流线起点集中于土工膜损伤区域，流线主体集中在地基内，坝体内流线明显减少。同时，土工膜损伤处的渗流量显著增加，损伤区域附近形成局部饱和区，不仅抬高坝内浸润线高程，还导致下游坝坡出现渗漏逸出点。此外，土工膜损伤处会出现较密集的圆弧形等势线；且上游坝坡土工膜损伤后，坝体与地基整体的等势线呈左密右疏分布，右侧区域等势线变化速率较快且数值整体偏大，这些现象均与土工膜的损伤状态直接相关，进一步体现了土工膜对坝体渗流场的控制作用。
