某新建水库工程，由东西南北四个坝段围筑而成，总长2100 m, 为土工膜斜墙砂砾石坝、全库盘防渗的注入式平原水库。大坝防渗结构从上游至下游依次为：坝坡迎水面采用现浇混凝土板护坡(厚20 cm)-膜上砂浆垫层(厚3 cm)-土工膜防渗体(一布一膜)-膜下砂浆垫层(厚3 cm);其后为砂砾石坝体、坝后坡网格梁护坡、坝后设排水棱体，结构断面示意图如1所示。这种防渗主体的复合土工膜夹在硬性的砂浆中间，施工时先将膜下砂浆铺填在砂砾石坝体上，硬化后将光膜向下，土工布向上展铺在膜下砂浆层表面，砂浆与土工膜间不做任何黏接处理，然后在复合土工膜表面铺填膜上砂浆层，最后浇筑混凝土护坡板；施工完毕后，土工布与膜上砂浆和砂浆与混凝土护坡板层间均具有较大的粘接强度，视为形成了膜上的整体结构。这种防渗结构可称为“硬性”防渗结构，常见于坡高较小的渠道防渗工程中，位于其上的混凝土护坡的稳定性将受控于土工膜与膜下砂浆间的摩擦。

在混凝土护坡板修建完成后的1个月左右，发现水库北坝段混凝土护坡板下滑(如图2所示),板间水平缝扩大，造成缝内填缝材料与护坡板脱离，在坝顶以下沿坡面方向第一块护坡板与第二块护坡板之间水平分缝，缝宽达94 mm, 致使板间土工膜被拉断失去防渗功能，坝段竖向分缝无明显变化，坝踵混凝土齿墙最大水平位移量约125 mm。

混凝土护坡板温度监测：根据设置8个监测点监测到北坝段混凝土护坡板表面温度皆在50 ℃以上，最高达55 ℃,在同一天内，北坝段监测点混凝土护坡表面与水平缝内的温度最高相差9 ℃,这表明北坝段混凝土护坡下的温度可达45 ℃以上。

复合土工膜由土工膜和土工织物组成，相比其他防渗材料，具有优越的延展性及防渗性，不仅能适应坝体的大变形，并可以发挥很好的防渗作用，主要用于土石坝、堤防、围堰等水库工程[1,2],以及蓄水池、渠道、垃圾填埋场等防渗工程[3]。已建的水库工程中，土石坝的数量达90%以上，其中土工膜防渗土石坝与同时代起步的碾压混凝土坝和混凝土面板堆石坝相比，发展明显滞缓，在土工设计中也涉及一些特殊的问题。当在斜坡上铺设土工膜时，土工膜与其他材料(包括土类)之间的摩擦特性，是工程设计时一个非常重要的控制指标。土工膜表面较为光滑，它与其他材料间与土类材料相比的摩擦角小，易沿斜面滑动，往往构成优先滑动面。若设计中考虑界面摩擦角较小，则边坡、坝坡坡度必然过缓，势必会加大工程量，造成经济浪费；反之，安全性能大幅度降低。因此正确评价土工膜界面的摩擦特性是工程中亟待解决的问题之一。

坝体在施工及运行过程中各种外部荷载作用，往往会发生沉降变形及向下游的水平位移，在土工膜与面板联合防渗结构中，这一位移通过周边结构传递给垫层表面的土工膜，从而使得土工膜与垫层材料之间发生接触剪切作用，最终产生拉伸变形乃至破坏[4,5,6,7]。大量工程实例表明，在土石坝工程设计中，垫层所采用的材料是设计人员需要考虑的非常重要问题，当土工膜防渗体铺设在大坝的上游面，作为防渗斜墙时，对坝坡的稳定性影响较大[8,9]。

在温带大陆性气候地区，常在夏季较炎热的环境下施工，温度较高时，施工面温度经常达40 ℃,有时甚至能达到50 ℃;在土工膜上铺筑现浇砂浆或现浇混凝土，水化热过程，可使土工膜环境温度更高，工作环境受到温度的严峻挑战。目前，因土工膜为高分子材料且多为黑色，性能受温度影响很大[10],外界温度变化会使土工膜基本力学性能发生变化，温差过大有可能造成张拉力过大而滑落，或因变形过大土工膜上覆砌块等保护层滑落失去防渗能力，特别在施工阶段或未输水期间更易发生破坏[11,12,13,14]。有关土工膜的研究中，主要侧重于构造和施工方面，少有温度与材料剪切性能之间关系的研究，本次试验研究将明确探究试验温度对土工膜界面摩擦的影响。研究成果可正确认识在不同试验温度下复合土工膜与不同剪切材料的界面摩擦参数的变化规律，对于工程设计人员评价坝坡稳定性具有重要的指导意义。

复合土工膜为坝铺设的一布一膜(SN/PE-16.0-0.6-400),膜厚0.6 mm, 单位面积质量为881 g/m2。为研究在不同温度条件下复合土工膜与其他结构物质的界面摩擦特性，分别进行了20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下的基本性能试验，其技术性能见表1。

从表中可以得出，在基本技术性能中，当试验温度升高尤其是超过30 ℃时，复合土工膜的各项力学强度大幅下降(由20 ℃增加至60 ℃,强度降低30%～50%),同时变形量增加(由20 ℃增加至60 ℃,变形增加40%～60%),反映出随着温度的升高出现明显的软化现象，说明复合土工膜是典型的温度敏感性材料，其各项性能与环境温度有着密不可分的联系。

土工膜直剪仪是进行土工膜与砂浆试块之间接触剪切力学特性的主要仪器，本次试验采用上海某仪器设备生产厂生产的TZY-1型土工合成材料综合测定仪。垂直荷载采用高精度调压阀和滚动隔膜气缸组成的闭环反馈稳压系统，应变式水平荷载由电机驱动变速箱均匀加载，速率可根据要求调节。

将试验材料置于TZY-1型土工合成材料测定仪上进行，直剪试验的剪切盒为面积递减型，剪切盒尺寸选用200 mm×200 mm×50 mm。将土工膜固定于下剪切盒上，由固定夹固定。调整水平加荷装置，使水平顶杆刚好与下剪切盒接触，开启电机进行试验。剪切试验示意图见图3所示。

试验中，试验温度选用20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃对试件分别施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa的正应力进行摩擦系数的测定，测出相应的抗剪强度值τf,然后将试验结果点绘成线，从而求得c和φ,直剪摩擦试验剪切速率为0.9 mm/min。

复合土工膜在温度的影响下，其基本力学性能有明显变化，在施工过程中，复合土工膜施工时可能处于暴晒或极炎热的气候条件下进行，使得土工膜在施工或工作条件下温度变化较大，在不同温度下，复合土工膜的摩擦系数的变化情况见表2。

由表中的试验结果可以得出，在不同试验温度条件下，复合土工膜与砂浆的界面摩擦角均小于复合土工膜与砂砾石的界面摩擦角，其中膜面的界面摩擦角小于布面。在不同温度下进行绘制界面摩擦角随温度的变化曲线，如图5所示。

从试验结果可以得出，随着试验温度的增加，界面摩擦角均呈现降低的趋势，摩擦系数不断降低，在试验温度为60 ℃时，摩擦系数降低较大，温度升高至60 ℃时，塑膜-砂浆试块界面摩擦角降低4.3°,布-砂浆试块界面摩擦角降低3.1°,塑膜-砂砾石界面摩擦角降低4.7°,布-砂砾石界面摩擦角降低4.2°,降低均较明显。温度低于40 ℃时，温度对界面摩擦角影响相对较小，温度高于40 ℃时，界面摩擦角降低较快；试验温度对四种界面摩擦角的影响速率几乎相同，在低于40 ℃时，试验温度每升高10 ℃,摩擦角降低约0.7°,当温度高于40 ℃时，试验温度每升高10 ℃,摩擦角降低约1.3°。试验温度的增加使得界面摩擦角降低明显，在界面摩擦角的确定中，应充分考虑工程区的最大环境温度，采用对工程稳定性最为不利的温度为试验温度，进行界面直剪摩擦试验，增加坝坡，对坝体安全稳定的设计有较好的工程意义。

土工膜坝的坝坡稳定主要由防渗膜的保护层所控制，根据规范SL/T 225—98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》规定，若保护层为等厚时，其安全系数可用下式确定：

当保护层透水性良好时，其稳定安全系数可按式(1)计算：

FS=tgδtgα (1)FS=tgδtgα(1)

式中：δ为上垫层与防渗土工膜之间的摩擦角；α为防渗土工膜的坡角。

当保护层透水性较差时，其稳定安全系数可按式(2)计算：

FS=γ′tgδγsattgα (2)FS=γ′tgδγsattgα(2)

式中：γ′为防护层(包括上垫层)材料的浮容重；γsat为防护层(包括上垫层)材料的饱和容重。

根据复合土工膜防渗层与建筑材料间的界面摩擦角可以求出各工况下的安全系数，稳定分析成果见表3所示。

上述分析结果表明，在坝体边坡为1∶2.5的条件下，当采用硬性防渗结构时，无论是塑膜还是布面，防渗膜的保护层稳定安全系数均小于1,将发生失稳工况；若保护层下的界面温度达到60 ℃时，其稳定性更差，相应的稳定安全系数仅为0.65和0.74;若采用软性防渗结构时，除了温度为60 ℃下塑膜-砂砾石安全系数小于1,其他防渗膜的保护层时稳定安全系数均大于1.0,其中布面与砂砾石防渗结构安全系数可达1.50,完全满足安全运行的要求。

(1) 复合土工膜是一种温度敏感性材料，在基本技术性能的测定中，温度升高，使其力学性能迅速降低，变形量增加。

(2) 土工膜在接触作用下剪切应力与剪切应变呈明显的非线性关系，剪切应力随剪切应变增加而逐渐增大，但增长趋势逐渐减小，与软结构物质的接触时，达到峰值后趋于稳定；与硬性结构的界面摩擦中，达到峰值后略有降低并趋于稳定，表现出低于峰值强度的残留强度。

(3) 试验温度的增加使得界面摩擦角降低明显，在界面摩擦角的确定中，应充分考虑工程区最高环境温度，作为试验温度，进行界面直剪摩擦试验，增加坝坡，对坝体安全稳定的设计有较好的工程意义。

(4) 复合土工膜与砂浆垫层的界面摩擦角小于复合土工膜与砂砾石界面，塑膜与试验材料的界面摩擦角小于布与试验材料的界面摩擦角，表明垫层材料采用砂砾石及复合土工膜采用二布一膜对结构的抗滑稳定更有利。