土工合成材料的性能評價(jià)及其在水利防滲工程中的應(yīng)用

李 俊

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330025)

土工合成材料的性能評價(jià)及其在水利防滲工程中的應(yīng)用

李 俊

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330025)

土工合成材料是一種新型的巖土工程材料，是較為理想的防滲材料，在水利工程中有著廣泛的應(yīng)用。為了有效普及應(yīng)用土工合成材料，還必須對其進(jìn)行深入研究。文章針對土工合成材料開展研究，以土工織物為例，對其性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討，并就其在防滲工程中的應(yīng)用進(jìn)行了論述，對于土工合成材料的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

土工合成材料；水利防滲工程；土工膜；性能評價(jià)指標(biāo)；實(shí)踐應(yīng)用

0 前 言

土工織物具有良好的排水、滲透和反濾功能，土工膜抗?jié)B性能好，將其應(yīng)用于水利工程建設(shè)施工的實(shí)踐，能夠有效保證施工質(zhì)量。對于土工織物而言，垂直滲透系數(shù)是重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，將其作為評價(jià)指標(biāo)，存在測量厚度的問題，誤差較大，同時(shí)，層流的控制問題也至關(guān)重。在土工膜的應(yīng)用過程中，耐靜水壓力是重要的評價(jià)指標(biāo)。為了有效探討土工合成材料的性能評價(jià)指標(biāo)，對產(chǎn)品的透水性進(jìn)行預(yù)測，并完善材料的測試規(guī)程，遂開展本次研究[1]。

1 土工合成材料的水力學(xué)特性

所謂的水力學(xué)性能，主要的指標(biāo)包的土工織物的透水性能和土工膜的抗?jié)B透性能。在工程實(shí)踐中，土工合成材料的物理力學(xué)指標(biāo)和水力學(xué)指標(biāo)對于工程建設(shè)至關(guān)重要，尤其是土工合成材料滲透性能。

為此，在水利工程的建設(shè)中，對于土工織物的水力學(xué)設(shè)計(jì)必不可少，為了滿足工程需要，必須要確定垂直和平行織物的滲透性。

1.1 垂直于織物平面的滲透性

土工織物發(fā)揮滲濾作用時(shí)，水流方向與織物平面相互垂直，在實(shí)踐中，要求其能夠?yàn)V過顆粒，同時(shí)，又不會阻擋水的流動。這一滲透性主要用滲透系數(shù)表示，公式為：

(1)

式中：kn為滲透系數(shù)；v為滲透流速；δ為土工織物厚度；i為滲流水力梯度；Δh為土工織物上下游測壓管水位差。

土工織物的透水性可以用透水率表示，具體為：

(2)

透水率和滲透系數(shù)之間的關(guān)系為：

(3)

土工織物的透水性能取決于織物材料、結(jié)構(gòu)、空隙大小和分布等自身因素，也取決于織物平面的法向應(yīng)力、水質(zhì)、水溫和水中含氣量等。

1.2 平行于織物平面的滲透性

土工織物被當(dāng)做排水材料應(yīng)用于工程建設(shè)中，水在織物內(nèi)部平行流動，土工織物的內(nèi)部空隙成為了疏導(dǎo)水流的重要途徑，這一性能通過織物的平面滲透系數(shù)表示，具體公式為：

(4)

式中：kt為沿織物平面的滲透系數(shù)；v為滲透流速；i為滲流水力梯度；Δh為土工織物上下游測壓管水位差；L為滲流方向長度。

在土工織物疏導(dǎo)水流的過程中，可以用導(dǎo)水率進(jìn)行表示，公式為：

(5)

土工織物導(dǎo)水率和滲透系數(shù)除了與織物本身的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)之外，也需要考慮織物平面的法向應(yīng)力、水流狀態(tài)、水流方向與織物的經(jīng)緯向夾角、溫度、含氣量等因素。

2 土工合成材料的性能評價(jià)試驗(yàn)

2.1 垂直滲透性測試方法

對于土工織物的垂直滲透測試，目前常用的方法主要有ISO無負(fù)荷垂直滲透特性試驗(yàn)、ASTM法向滲透性試驗(yàn)、國際GB/T15789法向滲透性測試等。在測試實(shí)踐中，ISO方法優(yōu)勢明顯，可靠性強(qiáng)，操作簡單，受到層流和紊流的影響較小，但是，卻存在不能與土的滲透性進(jìn)行比較的特點(diǎn)，但是在水利工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，土工織物濾層的滲透系數(shù)必須要高于土層滲透系數(shù)[2]。

對于垂直滲透性能的測試，為了有效減小因?yàn)楹穸葴y量所引發(fā)的誤差，應(yīng)該用透水率指標(biāo)來進(jìn)行衡量。試驗(yàn)處于層流，水頭差采用5cm的變水頭法，在測定過程中，試樣處于無壓狀態(tài)，但是，在施工實(shí)踐中，無壓狀態(tài)不可能存在，為此，還需要對壓力狀態(tài)下的滲透系數(shù)進(jìn)行測定，從而滿足實(shí)際的工程需求。

2.2 土工織物平面滲透測試

目前，國內(nèi)外對土工織物平面滲透測試的方法主要包括ISO平面內(nèi)水流量測試、ASTM水平滲透測試和國標(biāo)GB/T17633水平滲透測試等。在試驗(yàn)過程中，通過導(dǎo)水率可以有效實(shí)現(xiàn)對其滲透性能的測試，由于不需要測定織物的厚度，誤差也相對減小。在對土工織物平面滲透性能進(jìn)行測試的過程中，要注意選擇合理的試樣尺寸，根據(jù)密封、加壓、供水等條件，合理選擇，避免試樣面積的過大化。同時(shí)，在測試過程中，試樣邊緣和滲透儀內(nèi)壁必須進(jìn)行密封。要充分保證試樣的飽和度，如果試樣中存在空氣，就會導(dǎo)致過水面積減小，從而導(dǎo)致試驗(yàn)誤差的產(chǎn)生。同時(shí)，試驗(yàn)中應(yīng)該選擇脫氣水，有效控制稅種溶解氧氣含量，降低對試驗(yàn)結(jié)果的影響[3-5]。

3 土工合成材料在水利防滲工程中的應(yīng)用技術(shù)分析

以某水庫防滲工程的施工為例，將土工合成材料應(yīng)用其中，充分顯示出了其在堤壩防滲工程中的關(guān)鍵性作用。

3.1 工程概況

在水庫大壩上游，由于壩體發(fā)生了滑動，所以，施工人員則對滑坡體進(jìn)行了清理，并在壩腳處砌筑了擋土墻，但是，由于天氣等因素，滑動再次發(fā)生。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)發(fā)生滑坡的主要原因在于建筑堤壩的材料中滲透性不足，施工中忽略了排水管道和措施的應(yīng)用。第一次的修護(hù)措施并沒有達(dá)到地基巖體，導(dǎo)致加固措施失效[6]。通過對現(xiàn)場土樣進(jìn)行采集和室內(nèi)試驗(yàn)，可以得出滑坡體土料的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，詳見表1。

表1 滑坡體土樣性能指標(biāo)

3.2 工程設(shè)計(jì)

1)為了有效防滲，需要根據(jù)滑坡體的特征，選擇合適的土工織物，所選材料必須同時(shí)滿足強(qiáng)度、密度、擋土和滲透性要求，本次施工中所使用的土工織物物理性能詳見表2。

表2 土工織物性能指標(biāo)

2)要對土工織物加筋層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用公式Ts=(Fsr-Fsv)·Md/D計(jì)算得出總加筋力；關(guān)于加筋力的分配，在保證受力均勻的情況下，底部加筋力為：Tz1=Ts/2；中部加筋力為Tz2=Ts/3；頂部加筋力為：Tz3=Ts/6。關(guān)于土工織物間距和層數(shù)的計(jì)算，可以通過Tr=Tz/N來計(jì)算獲得。對于土工織物長度的計(jì)算，按照L=La+Le+Lu和Le=TaFs/2Fασγ來獲得。

3)對設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。通常情況下，需要考慮2個(gè)位置，一方面，要充分考慮原滑弧面，由于土工織物的應(yīng)用，使得拉應(yīng)力增加，從而造成了滑體抗滑力矩的增加，通過瑞典條分法的應(yīng)用，檢驗(yàn)所得安全系數(shù)必須>1.3，則表明了設(shè)計(jì)的合理性。另一方面，要充分考慮錨樁及抗滑樁底構(gòu)成的圓弧面，這里的應(yīng)力相對集中，壩體滑動面最為危險(xiǎn)，穩(wěn)定性計(jì)算后滿足>1.3的要求。

4)在對設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定性校核之后，可以按照圖1所示的施工工序進(jìn)行施工。

圖1 土工織物防滲施工工序

為了有效探討土工織物在水利防滲中的應(yīng)用效果，特選擇200mm*200mm*10mm沉降板對坡面位移進(jìn)行監(jiān)測，在其中心位置的豎直方向上，焊接40cm，Ф20mm的鋼筋，并進(jìn)行焊接，待工程運(yùn)行一段時(shí)間后，對沉降板的水平位移和前后位置進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不論是沉降量還是水平位移量，均不明顯，水庫壩體處于良好運(yùn)行狀態(tài)，由此可見，將土工織物應(yīng)用于水利工程防滲實(shí)踐具有良好的施工效果。

為了有效保證土工織物的應(yīng)用效果，必須要解決土工織物材質(zhì)和表面防護(hù)問題，在存儲、運(yùn)輸和施工中，要隨時(shí)做好防護(hù)工作，盡量縮短外露時(shí)間。為了保證應(yīng)用效果，在選擇土工織物的過程中，除了要考慮滑坡體性質(zhì)之外，必須要充分考慮擋土準(zhǔn)則、滲透性和淤堵準(zhǔn)則。

在設(shè)計(jì)過程中，需要做好總加筋力、加筋力分配、土工織物間距以及長度等的確定工作。在施工過程中，要重點(diǎn)做好清基、打抗滑樁、鋪設(shè)織物、鋪土、夯實(shí)、翻卷及錨固工作。

4 結(jié) 語

隨著土工合成材料的發(fā)展，水利工程建設(shè)也出現(xiàn)了前所未有的變化，特別是在材料、設(shè)計(jì)原理、計(jì)算方法、施工工藝和工程管理等方面。應(yīng)用于水利防滲的材料主要包括垂直鋪膜和坡面鋪膜，為了有效保證其應(yīng)用效果，必須對其性能評價(jià)指標(biāo)和技術(shù)措施進(jìn)行分析和明確，從而更好地指導(dǎo)水利工程施工實(shí)踐，提升其在水利工程中的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)水利防滲工程的可持續(xù)發(fā)展。

[1]陳斌.土工合成材料在水利工程中的應(yīng)用及其施工方法研究[J].價(jià)值工程,2013(21):84-85.

[2]李笑梅,韓云濤.土工合成材料在水利工程中的應(yīng)用和施工方法[J].黑龍江科技信息,2013(26):194.

[3]閆廣雙.土工合成材料在水利工程中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2013(09):260-263.

[4]李鵬.水利工程中土工合成材料的應(yīng)用和施工方法研究[J].江西建材,2015(22):143，147.

[5]王敏,孫亞東.土工合成材料在水利工程防滲中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(02):113.

[6]宋懋懋.土工合成材料在病險(xiǎn)水庫土壩防滲工程中的應(yīng)用與存在問題的探討[J].甘肅科技,2009(22)：134-135.

1007-7596(2016)11-0109-03

2016-11-02

李俊(1980-)，男，江西進(jìn)賢人，工程師，從事水利項(xiàng)目管理工作。

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