土工合成材料在水利工程防滲中的應(yīng)用

李延忠,呂 曉

(山東省泗水縣水務(wù)局,山東泗水273200)

水利工程中的土壩體在水壓和水流沖擊作用下,容易形成各種滲流災(zāi)害,特別是在蟻穴鼠洞等動(dòng)物侵襲條件下,以及各種植物根系的侵蝕作用下,滲流災(zāi)害更加嚴(yán)峻[1]。所以,采用土工合成材料的工程學(xué)意義在于實(shí)現(xiàn)有效阻水的同時(shí),有效避免動(dòng)物植物對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的侵襲作用[2]。

當(dāng)前技術(shù)條件下的土工合成材料,在精篩三合土的基礎(chǔ)上,融入石灰、粉煤灰等材料,降低壩體土壤肥力以避免植物滋生[3],適當(dāng)增加針對(duì)螞蟻、老鼠等打洞動(dòng)物的驅(qū)逐效果,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體的有效保護(hù)[4]。同時(shí)該材料應(yīng)該具有易夯實(shí)的特性,避免其自身致密度不足造成滲流損壞[5]。

該領(lǐng)域研究中,國(guó)外文獻(xiàn)較為豐富,雖然土工合成材料在國(guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸普及,但相關(guān)研究落后于國(guó)外同時(shí)期水平。該研究通過文獻(xiàn)調(diào)查法,分析多個(gè)壩體土工合成材料的實(shí)際應(yīng)用效果,研究土工合成材料的最佳成分構(gòu)成[6]。

1 土工合成材料對(duì)壩體阻水性能的影響

相關(guān)研究中,土工合成材料由精篩三合土作為主材料,經(jīng)過500 目篩精篩的經(jīng)過預(yù)干燥和預(yù)粉碎的三合土顆粒,混合經(jīng)過1500 目篩精篩的熟石灰顆粒,5000 目粉煤灰顆粒,使用5:2:1的混合比,經(jīng)過初步夯實(shí)后,可以形成壩體的阻水體系[7]。

相關(guān)分析中,使用SPSS 大數(shù)據(jù)分析軟件中的雙變量t 校驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較分析,分析結(jié)果中的Value 值作為t 值,Log 值作為P 值,其 中:當(dāng)t<10.000 時(shí)認(rèn)為存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,t 值越小,認(rèn)為數(shù)據(jù)差異性越大,當(dāng)P<0.05 時(shí)認(rèn)為分析結(jié)果處于置信空間內(nèi),當(dāng)P<0.01 時(shí)認(rèn)為分析結(jié)果具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,且P 值越小,認(rèn)為數(shù)據(jù)顯著性越高。

與傳統(tǒng)夯土壩體相比[8],該土工合成材料構(gòu)成的三合土結(jié)構(gòu)形成的阻水效果見表1[9]。

表1 土工合成材料的阻水性能Table 1 Water resistance of geosynthetics

表1 中,使用土工合成材料構(gòu)建壩體主體結(jié)構(gòu)后,滲流流量控制能力提升5.7 倍,防侵蝕能力提升5.1 倍,壩體水土流失控制能力提升6.1 倍,且所有比較數(shù)據(jù)存在t<10.000、P<0.01的顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。足以證明,使用上述土工合成材料后,壩體的防滲能力得到顯著提升。上述三項(xiàng)阻水性能的工程學(xué)意義分別為:

(1)滲流流量指壩體內(nèi)的土層滲流帶來(lái)的水流量,即壩體內(nèi)側(cè)的地表水穿透壩體向壩體外側(cè)地下水的補(bǔ)給速度。該滲流是造成壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的主要作用來(lái)源。即有效控制壩體滲流流量,才可以實(shí)現(xiàn)壩體的免維護(hù)周期在容許范圍內(nèi),如果滲流量增加,則壩體需要進(jìn)行高密度探傷作業(yè),從而保障壩體的穩(wěn)定性[10]。

(2)重度侵蝕深度指壩體靠近內(nèi)測(cè)地表水一側(cè)形成的飽和水土混合體厚度,此時(shí)土層中達(dá)到水飽和狀態(tài),如果發(fā)生沖擊水流,則極容易造成壩體水土流失。常見壩體內(nèi)測(cè)布置的砌碹層,即是對(duì)飽和水土混合體的流失進(jìn)行控制,減少水流對(duì)壩體的沖刷?？刂浦囟惹治g深度,可以有效控制壩體損傷程度[11]。

(3)水土流失量指壩體受到水流侵襲,造成壩體土層損失。相關(guān)研究中,加強(qiáng)壩體夯實(shí)程度、構(gòu)建地表水一側(cè)的砌碹層等措施,可以控制水流侵襲。該比較策略是在以上其他相關(guān)策略保持一致的前期條件下的水土流失量表達(dá)[12]。

該土工合成材料在上述三種比較項(xiàng)目中均表現(xiàn)出數(shù)倍的抵抗能力,其根本原因在于該土工合成材料的粒徑較小,最大程度減少了內(nèi)部裂隙,且粉煤灰和熟石灰等材料會(huì)在水侵襲條件下發(fā)生粘性膨脹,進(jìn)一步穩(wěn)固壩體。

2 工合成材料對(duì)生物侵襲的防范作用

土工合成材料對(duì)生物侵襲的防范作用主要為熟石灰和粉煤灰等摻入材料會(huì)有效破壞土壤的肥力,使植物種子無(wú)法有效發(fā)育,同時(shí)其生物毒性導(dǎo)致在其中打洞的螞蟻、老鼠等動(dòng)物無(wú)法健康生存而主動(dòng)遷移,形成驅(qū)離效果。且該毒性不會(huì)對(duì)水體帶來(lái)次生污染,較在壩體內(nèi)進(jìn)行化學(xué)滅蟲除草,其生態(tài)安全性更高[13]。

同樣采用SPSS 雙變量t 校驗(yàn)法,比較分析采用土工合成材料前后壩體的生物侵襲發(fā)生程度,得到表2。

表2 土工合成材料的防生物侵襲能力(m)Table 2 Biological invasion resistance of geosynthetics (m)

表2 中,蟲蛀洞穴指直徑10mm 以下的生物侵襲洞穴,一般由螞蟻等昆蟲節(jié)肢動(dòng)物、蜈蚣多足綱節(jié)肢動(dòng)物、蚯蚓蚰蜒等軟體動(dòng)物鉆洞筑穴而成,其中螞蟻洞穴的深度最大,分支較多,對(duì)壩體的破壞程度最大。大型動(dòng)物洞穴指直徑10mm 以上的生物侵襲洞穴,包括鼠、兔等嚙齒哺乳動(dòng)物,蛇、青蛙、蜥蜴等兩棲、爬行動(dòng)物,泥鰍等魚類在壩體內(nèi)的鉆洞筑穴結(jié)果[14]。草本植物和灌木間距也進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)。比較發(fā)現(xiàn),使用土工合成材料后,蟲蛀洞穴間距增加25.3 倍,大型動(dòng)物洞穴間距增加10.8倍,草本植物根系間距增加53.8 倍,灌木根系間距增加23.8 倍,且該比較數(shù)據(jù)t<10.000、P<0.01,具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異?？梢娛褂猛凉ず铣刹牧虾?壩體對(duì)生物侵襲的主動(dòng)防范能力得到顯著提升,進(jìn)一步配合相關(guān)的除草和殺蟲驅(qū)離工作,可以在更小的化學(xué)藥物用量條件下實(shí)現(xiàn)更徹底的壩體生物侵襲防范工作。

生物侵襲是壩體應(yīng)用過程中發(fā)生持續(xù)損傷的重要來(lái)源,所以參照相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[15],比較使用土工合成材料的新型壩體與傳統(tǒng)壩體在全面有人介入維護(hù)的前提下,5年內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),得到圖1。

圖1 壩體滲流流量變化圖Fig.1 Variation diagram of dam seepage flow

圖1 中,傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的夯土壩體,在投運(yùn)5 年內(nèi),水流量急劇增加,增加幅度超過3 倍,從2.35m3/h·m 飆升到7.84m3/h?m,而采用土工合成材料的新型壩體,在投運(yùn)5 年內(nèi),雖然也發(fā)生了滲流流量的大幅度增加,但其增加幅度從最初的0.41m3/h?m 增加到0.92m3/h?m,增加幅度為2.2 倍。但第1 年傳統(tǒng)壩體滲流量為新型壩體的5.7 倍,第5 年傳統(tǒng)壩體滲流量為新型壩體的8.5 倍,二者之間仍然保持了較大差距且該差距發(fā)生了顯著放大。其根本原因?yàn)槭褂煤铣赏凉げ牧系男滦秃煌翂误w的生物侵襲防范作用,使得壩體中長(zhǎng)期穩(wěn)定性得到了顯著提升。

3 土工合成材料在新型夯土壩體中的應(yīng)用策略

首先,應(yīng)革新施工工藝充分壓縮土工合成材料應(yīng)用中的施工成本。該文中采用土工合成材料構(gòu)筑夯土壩體的工程實(shí)現(xiàn)策略,可以在中短期內(nèi)有效控制壩體穩(wěn)定性,具有較顯著的工程價(jià)值。但其施工過程中,因?yàn)樵黾恿溯^多的三合土及相關(guān)材料的精磨精篩過程,帶來(lái)額外的臺(tái)班成本和工時(shí)成本。即其可能帶來(lái)壩體施工成本的大幅度增加。所以需要在后續(xù)研究中對(duì)采用土工合成材料的夯土壩體構(gòu)筑工藝進(jìn)行充分優(yōu)化。開發(fā)相關(guān)專用機(jī)械設(shè)備或者實(shí)現(xiàn)土工合成材料的集中加工工藝,是實(shí)現(xiàn)該施工成本控制的重要策略。

其次,開發(fā)新型土工合成材料配方,進(jìn)一步提升壩體穩(wěn)定性控制效果。文中選用的土工合成材料配方為:500 目三合土精篩顆粒,1500 目熟石灰顆粒,5000 目粉煤灰顆粒,采用5:2:1的配比形成一種土工合成材料。但相關(guān)研究中也提出了多種其他土工合成材料配方,如增加熟石灰配比增加土工合成材料的堿性,增加粉煤灰配比增加土工合成材料的酸性。也有其他土工合成材料引入其他組分進(jìn)一步優(yōu)化土工合成材料性能,或增加注漿等工藝對(duì)夯土壩體進(jìn)行加固處理。相關(guān)數(shù)據(jù)表明,采用各種土工合成材料配方條件下,均較傳統(tǒng)三合土壩體有顯著的穩(wěn)定性提升作用,但各種土工合成材料之間的數(shù)據(jù)差異性并不顯著。所以,進(jìn)一步研究土工合成材料的配方,使土工合成材料在防滲流、防生物侵襲等方面有更佳表現(xiàn),是未來(lái)對(duì)土工合成材料的重要提升方向。當(dāng)前國(guó)內(nèi)新建沿河土石壩、夯土壩或攔河土石壩、夯土壩時(shí),土工合成材料已經(jīng)成為首選工程實(shí)現(xiàn)方式,未來(lái)研究更多指向?qū)ν凉ず铣刹牧媳旧硇阅艿奶嵘?/p>

4 總結(jié)

對(duì)既有文獻(xiàn)資料進(jìn)行梳理匯總[16],采用了土工合成材料的壩體,其防滲能力得到顯著提升,且中短期如5年內(nèi),壩體防滲能力也可以得到有效控制,同時(shí),土工合成材料有效降低了壩體土層肥力,使得生物侵襲作用得到有效控制,壩體上的動(dòng)物洞穴分布密度和植物根系密度得到顯著控制,使得壩體在持續(xù)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性得到持續(xù)保障[17]。后續(xù)研究應(yīng)在土工合成材料制備工藝方面進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化,降低土工合成材料制備成本,同時(shí)研究土工合成材料的新型配方,使得土工合成材料本身的穩(wěn)定性指標(biāo)得到進(jìn)一步提升。