土工膜渗透系数试验影响因素研究分析

张书林

（安徽省·水利部淮河委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

土工膜渗透系数试验影响因素研究分析

张书林

（安徽省·水利部淮河委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

近年来土工膜防渗技术大量应用到水利、建筑、铁路、公路、垃圾填埋等防渗处理工程，土工膜渗透系数在工程防渗应用中是一项重要参数，现行规程已规定了相应的测试方法。本文针对试样过水面积和水压力大小等因素对测试时间的影响进行研究分析，通过最优化配置，给出了不同渗透系数的测定条件建议。

土工膜 渗透系数 水压力 过水面积

1 引言

土工膜是以高分子聚合物为基础原料生产的防水阻隔型材料，其材料分别有聚乙烯（PE）土工膜、聚氯乙烯（PVC）土工膜和氯化聚乙烯（CPE）土工膜。工程防渗处理应用中复合土工膜的形式有一布一膜、两布一膜及三布两膜三种。土工膜是一种透水性很低的防渗材料，被广泛应用到工程的防渗中。由于土工膜渗透系数是设计、施工重要参数，所以土工膜渗透系数的测定受到重视。现行规程规定土工膜渗透系数测试试样过水面积应大于20cm2，试验水压力为100kPa，对于渗透系数小的土工膜可通过延长测试时间，选择渗水量更小的设备、增加试样上水压力及增加过水面积测试，但没有给出具体测试条件。土工膜的渗透系数与试样过水面积、试验水压力、试样厚度和试验时间有关。如果采用较小的试样过水面积试验，在同一水压力下一定时间内渗透的水量较小，较小的渗透水量增加测读误差，为减小误差就需增大渗透水量，增大渗透水量就需增大试验面积或者延长测试时间。由于试样面积受仪器限制，只能通过延长测试时间增大渗透水量，长时间的测试会增加渗透水量的蒸发，从而影响到渗透系数的测试结果，另外长时间的持续试验对仪器也会造成损害。同样，按规程规定试验水压力100kPa测试渗透系数，在一定时间内渗透水量很少，如要增大渗透水量，就需增大试样过水面积或延长测试时间，若水压力和试样过水面积均很小，则测试时间将很长。可见，试样过水面积和试验水压力是影响渗透系数试验条件的重要因素，为此选取合理的试样过水面积和试验水压力对渗透系数的测试有着重要意义。本文结合现行规程中规定的试样过水面积、试验水压力对渗透水量和测试时间的影响进行分析，通过各测试条件因素最优化配置，为合理的试样过水面积和试验水压力的取值给出建议。

2 试样过水面积和试验水压力对测试时间影响分析

从现有国内岩土工程不同材料室内渗透系数测试规程中了解到，不同材料渗透性分别给出相应的测试方法：砂、砂壤土渗透系数为1×10-2～1×10-4cm/s，采用土样管或70型渗透仪测试，一般渗透比降较小；壤土、粉质粘土渗透系数为1×10-4～1×10-6cm/s，由于渗透系数较小，试验中渗透比降较大，采用南55型渗透仪试验，强风化岩体或水泥土渗透系数一般小于1×10-7cm/s，在低围压下试样变形较小，可采用三轴仪进行渗透试验；土工织物渗透系数很大，垂直渗透系数采用常水头试验。所以对于不同材料渗透特性基于层流状态下，其渗透系数的测试应选择相应的试验装置和测试方法。基于土工膜渗透系数很小，对其测试方法展开讨论。

2.1试样过水面积对渗透测试时间的影响

为了分析试样过水面积大小对测试时间影响，依次设定试样过水面积40cm2、100cm2、200cm2、300cm2、400cm2，并设定试样厚度0.05cm、试验水压力100kPa、渗透水量为0.1cm3,按上述设定参数计算土工膜不同渗透系数试验所需时间，计算公式为：

式中：t—通过水量V的历时，s；

km20—试样20℃时渗透系数，cm；

V—渗透水量，cm3；

δ—试样厚度，cm；

A—试样过水面积，cm2；

η—水温修正系数；

Δh—上下面水位差（试样上所加的水压力，以水柱高度计），cm。

ΔP—水压力，kPa；

γw—水的重度9.8kN/m3。

表1 设定不同过水面积下渗透系数与所需时间计算表

计算结果见表1，不同试样过水面积下渗透系数与所需时间的关系曲线见图1。

图1 不同过水面积下渗透系数与所需时间关系曲线

从表1和图1可知，随着试样过水面积增大，测试时间在减小；同一个过水面积下，渗透系数k减小10倍，测试时间增加10倍。在现行规程举例的过水面积40cm2，试验水压力100kPa下，土工膜渗透系数从3.5×10-11cm/s变化到3.5×10-14cm/s，土工膜渗透系数减小了1000倍，所需测试时间便增大1000倍，即相对应的时间从0.97h变化到972.61h。当渗透系数K=3.5×10-13cm/s时，对应的测试时约为4天，测试时间太长，可见现行规程规定的测试条件仅适用于渗透系数K＞1.0×10-12cm/s。

2.2试验水压力对渗透系数测试时间的影响

进一步分析讨论试验水压力大小对渗透系数测试时间的影响，依次设定渗透水量0.1cm3、0.2cm3、0.3cm3、0.5cm3，并设定试样厚度0.035cm、渗透系数8.64×1014cm/s，按上述设定参数计算在不同试验水压力下渗透系数测试所需时间，计算公式同（1）式，计算结果见表2，试验水压力与试验时间的关系曲线见图2。

表2 设定不同渗透水量下水压力与所需时间计算表

图2 设定不同渗透水量下水压力与所需时间关系曲线

从表2和图2看出，随着水压力增大，测试时间减小；同一个水压力下，渗透水量越大测试时间越长。另从表2中分析可知，当时，渗透系数测试时间是相同的。

根据土工膜渗透系数很小的特点，综合分析试样过水面积和试验水压力对土工膜渗透系数测试时间的影响因素，为更准确地测定土工膜的渗透系数，加强渗透试验的可操性，对土工膜不同渗透系数测试应选择相适应的过水面积和试验水压力。

3 土工膜渗透系数测试条件优化配置

3.1渗透试验主要因素分析

根据土工膜渗透系数试验方法，其渗透数K计算式：

上式中，对渗透系数K试验主要条件影响因素分别有渗透水量V、过水面积A、试验水压力ΔP和测试时间t。式（2）中厚度δ在0.3～0.6mm之间，不是主要影响因素。另从式（2）中分析，K与参数A、ΔP和t为倒数关系，即K越小则要求参数A、ΔP和t越大。

3.2测试时间对各参数的优化函数

土工膜渗透系数试验中使测试时间最小的目标函数F （t）为：

根据测试仪器要求，有些约束条件为有定值或大值约束，上式优化配置条件时对定值和大值不作考虑。土工膜渗透试验中，按测试时间最短对各种因素配置优化，优化采用对比法。在上述各种因素中，固定其他因素，变化其中一个因素，根据约束条件通过对比法得到最小的测试时间。如固定K、V、A，使ΔP变化，按（3）式求解，并依据F（t）=Min∑（Ti-Ti-1）2得到Δhi变化过程中最小所需时间t。用相同的方式计算其他因素下的最小时间t。设V＝0.2cm3，K=5.0× 10-10～5.0×10-14cm/s，40cm2≤A≤400cm2，ΔP≤500kPa，其中要求A和ΔP最小情况下得1h≤t＜12h的最优化配置。土工膜渗透系数试验条件优化配置结果见表3。

表3 土工膜不同渗透系数条件下最短测试时间优化配置

从表3中可知，在上述测试条件下的优化配置中，K＞5.0×10-10cm/s时，对测试条件可不做要求，对于K＞5.0× 10-14cm/s时，试样过水面积和试验水压力应选最大值；对于K＜5.0×10-13cm/s时，可根据已有仪器对照表3选择。

4 结论

防渗土工膜的渗透系数很小，测试往往需要很长时间，过长的试验时间又会带来渗透水量测试值的偏差，进而影响试验结果的准确，另外长时间水压力下试验还会对仪器造成损坏。因此，如何控制渗透系数试验时间，便于操作和提高试验结果的准确性有着重要的意义。为缩短测试时间，一方面可通过增大试样过水面积来缩短，但试样最大过水面积又受试验仪器限制不可能很大，另一方面可通过增大试验水压力来缩短，但试验最大水压力不能大于土工膜耐静水压。本文通过土工膜渗透系数测定中对时间最优化配置，得到：测试土工膜渗透系数K=5.0×10-10～5.0×10-12cm/s时，现行规程要求的试样过水面积和水压力条件均满足对测试时间要求；土工膜渗透系数K≤5.0×10-13cm/s时，选择试验过水面积200cm2，水压力200kPa较适宜；当土工膜渗透系数K≤5.0×10-14cm/s时，试样过水面积和试验水压力应选最大值，在这种条件下试验，应注意做好仪器保护和防止体变管水量蒸发损失措施■