堤防工程土工合成材料应用技术三

堤防工程土工合成材料应用技术(6）简介：千百年来，在水利工程中，人们广泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金属材料，但它们都有一些固有的缺陷，例如性能单一，质量大，寿命不长，价格昂贵等，故不能全面满足工程的特定需要。同时天然材料毕竟数量有限，而且不少天然植物材料如过分利用还会影响自然界的生态平衡，破坏人......关键字：堤防工程土工合成材料应用第二章土工合成材料的的功能和设设计原则

第一节反滤功功能

第二节排水功功能

第三节隔离功功能

第四节防渗功功能

第五节防护功功能

第六节加筋功功能

土工合成材料具有多方面的功能，一种土工合成材料往往就兼有数种功能。随着土工复合材料的发展，所兼有的功能就更多。总的说来，土工合成材料的主要功能可归纳为六类，即反滤功能、排水功能、隔离功能、防渗功能、防护功能以及加筋和加固功能。现分别加以叙述。有关各种材料在不同工程中的应用原则和施工方法参阅后续各章。第一节反滤功能一、反滤作用当土中水流过土工织物时，水可以顺畅穿过，而土粒却被阻留的现象称为反滤(过滤)。反滤不同于排水，后者的水流是沿织物表面进行的，而不是穿越织物。当土中水从细粒土流向粗粒土，或水流从土内向外流出的出逸处，需要设置反滤措施，否则土粒将受水流作用而被带出土体外，发展下去可能导致土体破坏。土工织物可以代替水利工程中传统采用的砂砾等天然反滤材料作为反滤层(或称滤层)。用作反滤的土工织物一般是非织造型(无纺)土工织物，有时也可以用织造型土工织物。二、典型应用(举例)堤坝工程中可以用土工合成材料作滤层的情况很多，以下是一些常见的使用场合。（1）堤坝粘土斜墙和粘土心墙的反滤层。（2）堤坝内部和下游排水体滤层。（3）渠道、堤防、海岸等乱石或混凝土板护面下的滤层。（4）水闸分缝处、下下游护坦、河河漫下的滤滤层。（5）挡土墙、岸墙墙等背面排排水系统中中的滤层。（6）排水暗管或排排水暗沟外外面的包裹裹体。（7）减压井或测压压管的外裹裹体。以上应用的示意意见图2-1。此外，公路和机机场跑道的的基层，铁铁轨下道渣渣与土基间间的隔离层层等，也都都同时要求求反滤功能能。图2-1反滤作用用应用情况况示意图三、反滤和淤堵机理以往的直观概念都认为土工织物起反滤作用等同于过筛作用，后来的研究却证明土工织物所以发挥反滤功能主要是由于它具有促进天然滤层形成的“催化”作用。另外，当土工织物作为滤层而长期作用时，发现有淤堵现象，从而使其反滤作用减弱或至消失。为此需要弄清淤堵的成因，方能有效地防止淤堵发生。（一）反滤机理土工织物的反滤滤作用可以以用图2-2来说明。图图中左侧为为大孔隙堆堆石体，右右侧为被保保护土，二二者之间夹夹有起反滤滤作用的土土工织物。当当水流从被被保护土自自右向左流流入堆石体体时，部分分细土粒将将被水流挟挟带进入堆堆石体。在在被保护土土一侧的土土工织物表表面附近，较较粗土粒首首先被截留留，使透水水性增大。同同时，这部部分较粗粒粒层将阻止止其后面的的细土粒继继续被水流流带走，而而且越往后后细土粒被被流失的可可能性越小小，于是就就在土工织织物的右侧侧形成一个个从左往右右颗粒逐渐渐变细的“天然反滤滤层”。该层发发挥着保护护土体的作作用。可见见土工织物物的存在只只是起了促促成天然反反滤层形成成的“催化”作用。(二)淤堵机理土工织物中的孔孔道被堵塞塞，过水面面积减小，渗渗透性下降降的现象称称淤堵。形形成淤堵的的原因可分分为机械淤淤堵、化学学淤堵和生生物淤堵。一一般情况下下，机械淤淤堵为主要要形式。图2-2反滤机机理示意图图

1—排水体；2—土工织物物；3—“天然”反滤层；4—原土体机械淤堵是土体中的细颗粒随水流进入土工织物孔隙中，并停留其中，随时间增长，停留的细粒愈来愈多，织物的透水性愈来愈小。化学淤堵是由于渗流水中的各种离子，受化学作用形成不溶于水的化合物，如CaC03、Fe02等，停留于织物孔隙中，减少水流通道从而降低织物的渗透性。生物淤堵是土体或土中水内的藻尖、菌头微生物和有机质在织物孔隙中滋长繁殖，堵塞孔隙所造成。淤堵对织造型和非织造型土工织物有着不同影响。织造型织物孔口通道单一，管状通道间不连通，故孔口或通道内任一处被堵塞，整个通道即不通。针刺非织造土工织物则兼有垂直和水平结构，而且它们之间是相通的，织物孔隙呈迂回树枝状的立体结构，水分进入后即可相互串通，所以即使大部分孔隙被堵塞，仍可保持相当的透水性。四、反滤设计准则为了让所选用的土工织物能长期发挥反滤作用，对织物应该提出一定的要求。正像以往采用粒状土料(砂砾料)作反滤层时那样，应使土料粒径符合一定的准则。对用作反滤的土工织物，基本要求如下，(1)被保护的土料在水流作用下，土粒不得被水流带走，即需要有“保土性”，以便防止管涌破坏。(2)水流必须能顺畅通过织物平面，即需要有“透水性”，以防止积水产生过高的渗透压力。(3)织物孔径不能被水流挟带的土粒所阻塞，即要有“防堵性”，以避免反滤作用失效。(一)保土性准则既然要求织物保土，则织物的孔径与土的粒径之间就必须符合一定的关系。孔径过大，土粒会穿过孔洞而流失；过小又妨碍透水和容易被堵塞。借鉴传统的粒状土反滤层的保土要求，并依据众多的试验研究表明，为了保土，织物的某等效孔径Oe和被保护士的特征粒径d85之间应该符合以下关系：Oe≤nd85(2-1)式中Oe是一个由试验测得的等效孔径值。目前国内外采用最多的是Oe＝O95，或者Oe＝O90。O95和O90之间的统计关系为O95/O90≈1.2。d85是被保护土的一个特征粒径，可从被保护士的颗粒分析试验曲线上查得，它表明土中粒径小于该值的颗粒的质量是全土质量的85％。而式中的n则是与土中的细粒(土粒粒径d≤0.075mm的部分)含量和不均匀系数Cu(＝d60/d10)等相关的经验系数。SI/T225—98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》规定，Oe＝O95，n一般为1～2，选用该值的详细规定请参考该《规范》。必须指出，以上对n值的规定是针对一般水流情况而定的，对于较为复杂的情况，例如对有往复水流或有动力作用的情况，则织物的孔径应该要求大一些。因为在往复水流情况下，织物的保土侧难以形成“天然反滤层”；对有浪击的情况，负压会通过织物孔隙对土产生抽吸作用，等等。鉴于上述情况，故SL/T225—98对此作出如下规定：O95≤0.5dd85(2-2)另外在一些特殊场合的特殊工程，如防汛抢险，往往要求滤层中水流十分畅通，此时需要采用孔径较大的材料，有时甚至采用窗纱来做反滤。(二)透水性准则目前对土工织物透水性的要求，是以织物和被保护士的渗透系数的相对关系来表示。规范对此作了如下规定：(1)被保护土级配良好，水力梯度低和预计不致发生淤堵(中粗砂等)时Kg≥Ks(2-3)(2)若排水失效会导致土体结构破坏，且修理费用高，或水力梯度高，流态复杂等情况Kg≥10Ks(2-4)以上二式中的Kg和Ks分别为土工织物和被保护士的渗透系数。有的标准要求比式(2-4)中10更大的系数，是考虑土工织物在实际工作中，其渗透系数可能会由于织物被阻塞或受压变薄而降低的情况发生。(三)防堵性准则为防止土工织物在长期工作中被淤堵，应该用选定的织物和被保护的现场土料作较长期试验来检验。这样做费时费事，因此SL/T225—98对于土工织物防堵性提出了以下要求：(1)被保护土级配良好，水力梯度低，流态稳定，修理费用小及不发生淤堵时O95≥3d155(2-5)式中：d15为被保护土的特征粒径，即土中小于该粒径的土质量占总土质量的15％，mm。(2)被保护土易管涌，具有分散性、水力梯度高、流态复杂、修理费用大的情况。1)被保护土的渗透系数Ks≥10-5cm/s时GR≤3(2-6)式中：GR为梯度比；Ks为土的渗透系数。2)被保护土的渗透系数Ks≤10-5cm/s时，应以现场土料进行长期淤堵试验，观察其淤堵情况。这里需要解释一一下“梯度比”的意义。梯梯度比是美美国陆军工工程师团为为了用较短短时间判断断土工织物物滤层的工工作状态而而建议的一一个指标，由由淤堵试验验装置测定定，如图2-3。图中的6代表待测测定的土工工织物，它它被安放在在作为支承承体的透水水铜丝布7上。织物物上面是由由现场取来来的并按要要求压实的的土。在织织物上面225mm和和再上面550mm处处的试验筒筒两侧壁上上，各安装装有测压水水管(同一高程程两侧各设设一管是为为了取其平平均值作为为测读水位位)，试验筒筒顶不断供供水，使水水流通过土土体、织物物，由图中中的调节管管8排出。量量测通过上上面50mmm土层后后测压管的的水位差，计计算出相应应的梯度is；同样量量测通过下下面25mmm土层和和土工织物物的测压管管水位差，计计算出相应应的梯度isg。后一一梯度对前前一梯度的的比值，即即GR＝isg/is称为梯度度比。GR≤3的准则可以转化化为渗透系系数的概念念。按此，应应该有Ksg/Ks＞1/3(2-7)式中，Ksg为织物的渗透系数，Ks为土的渗透系数。可见，为了防堵，水流通过土和织物的渗透系数要求大于纯土的渗透系数的1/3。图2-3淤堵试验验装置示意意图

1—供水管和和供水阀门门；2—渗透仪上上盖；3—溢水管和和止水夹；；4—渗透仪上上筒；5—土样；6—土工织物物试样；7—两层铜丝丝布；8—调节管和和止水管；；9—漏斗和集集水管；10—量筒附带说明，上面所述的和其他一些现有的保土准则都是针对非织造型土工织物制定的。对于织造型土工织物，现在还没有公认的准则，SL/T225—98的条文说明中介绍了部分单位的经验，可供参考。另外，为了防堵，许多专家主张，采用的土工织物的孔径宜较准则要求的适当加大。五、设计要点采用土工织物作为反滤层时，首先要求选用的材料必须满足反滤准则；其次，它们在铺设后必须是稳定的；再次，虽然它们并不是作为受力部件来作用，但需要有一定的强度，应能承受施工应力和可能遇到的其他荷载。因此一般的设计应该包括以下内容。(一)提供必要的基本数据1.被保护土的主要物理力学性指标被保护土的主要物理力学性指标包括：土的分类、颗粒分析曲线(由此可查取土的特征粒径d85、d60、d15、d10…)、土的不均匀系数Cu＝d60/d10、土的渗透系数K、土的抗剪强度指标、土的化学成分等，它们可由试验确定。2.填土的性质指标填土的性质指标即回填土的击实试验曲线，从曲线上确定填土的最大干容重γdmax和最优含水率Wop。3.待选土工织物的性质指标待选土工织物的性质指标包括土工织物的单位面积质量M、等效孔径O95、垂直渗透系数Kυ