塑料防护排水板纵向通水能力测试技术研究

张鹏程

(上海勘测设计研究院，上海 200434)

塑料防护排水板是由高分子树脂材料(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等)制成的表面为凹凸形状，具有纵向通水功能，使用时表面覆或不覆无纺土工织物过滤层，用于排水、防护、有部分蓄水功能的土工合成材料产品，被广泛应用于屋顶绿化、地下建筑、垃圾填埋场等工程领域。产品表面具有单面或双面的凹凸中空结构，形成架空层，可以快速将雨水或其他积水导出，减少甚至消除防水层的静水压，以避免土壤流失、土层滑移、植根穿刺，从而延长工程的使用寿命。同时，塑料防护排水板可以有效抵御土壤中的酸碱侵蚀，保护建筑物及其防水层。在地下工程回填土时，可以保护建筑物外维护结构及其防水层，也可用于地面或墙面，发挥降噪、绝热、防潮作用。

目前针对塑料防护排水板的主要测试参数有:厚度、凹凸高度、宽度及长度、单位面积质量、外观状态、拉伸性能、撕裂性能、压缩性能、低温柔度、热老化性能、单宽流量等。单宽流量即单位宽度水流量，为反映塑料防护排水板产品的纵向通水能力的测试参数。

1 试验基本原理

单宽流量试验是考核防护排水板纵向通水能力的关键性试验，其原理是在规定的试样接触面材料及水力梯度条件下，在试样平面施加规定的压力，测量沿防护排水板平面一定时间内渗流的水量。影响防护排水板单宽流量测试结果的因素除了材料自身的产品性能外，还与以下三个试验条件有密切关系:

1.1 接触面材料

塑料防护排水板应用于工程中，首先应考虑依照其实际工程部位选择接触面材料，以有效模拟工程状况。

1.2 压力的施加

不同的压力条件下，塑料防护排水板架空层的有效排水通道会发生变化，排水效能随压力的增大而降低。同时考虑到塑料防护排水板产品结构的特殊性，压力的施加方式将直接影响到试验结果。

1.3 水力梯度

所谓水力梯度是指含水层中沿水流方向每单位距离的水头下降值。在塑料防护排水板单宽流量试验中即为沿试样水流方向两个测量点之间的水头差与其距离之比。单宽流量试验应在确定的水力梯度条件下进行，其试验原理见图1。

图1 单宽流量试验原理

2 试验方法的确定

2.1 相关的试验标准

作为塑料防护排水板产品质量检测依据，可考虑在界定以上三个试验条件的基础上，确定一种适用范围广、试验复现性高、易于比对的测试方法作为其单宽流量试验标准测试方法。目前可供塑料防护排水板单宽流量试验参考的测试标准主要有:

ISO 12958 Geotextiles and geotextile-related products—Determination of water flow capacity in their plane;

ASTM D4716 Standard Test Method for Determining the(In-plane)Flow Rate per Unit Width and Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic Using a Constant Head;

GB/T 17633—1998土工布及其有关产品平面内水流量的测定;

SL 235—2012土工合成材料测试规程;

JT/T 521—2004公路工程土工合成材料 塑料排水板;

JTG E50—2006公路工程土工合成材料试验规程;

JTS 206—1—2009水运工程塑料排水板应用技术规程。

以上标准对于土工合成材料纵向通水性能测试的原理都是相同的，区别主要表现在接触面材料及压力的施加方式上。其中，ISO 12958中提出了三种比较典型的试验模式:ⓐ采用闭孔泡沫橡胶作为试验样品接触面材料，以刚性板传导压力至闭孔泡沫橡胶层上，模拟工程土体对样品的力学作用;ⓑ采用对样品包裹薄膜，薄膜作为试验样品接触面材料，以压力室通过薄膜对试样施加压力;ⓒ闭孔泡沫橡胶与薄膜配合使用的形式。ASTM D4716较ISO 12958更为细化地规定了接触材料、水力梯度以及测试压力的选择。GB/T 17633—1998基本等同于ISO 12958，但在试验模式中只保留了闭孔泡沫橡胶作为接触面材料这一种情况，对薄膜加压没有做出说明。SL 235—2012中对土工合成材料纵向通水性能的测试可以视为是参考了ISO 12958与ASTM D4716的简化试验版本，规定了橡胶垫层与薄膜加压两种方式。同时 SL235—2012、JT/T 521—2004﹑ JTG E50—2006﹑ JTS 206—1—2009中都针对软土地基加固用塑料排水带的通水量测试做出了规定，均采用薄膜加压的方式。

2.2 薄膜加压方式

薄膜加压方式即对样品包裹薄膜(一般为乳胶膜)，薄膜作为试验样品接触面材料，以压力室通过薄膜对试样施加压力，在一定的压力条件及水力梯度下进行通水量测量。其典型设备如下页图2所示的YG070型塑料排水板纵向通水量测试仪，该方法主要优点是加压稳定﹑密封性好﹑操作简单，但用于塑料防护排水板测试其不适应性也很突出:

a.由于设备测试对象主要针对样品尺寸较为统一的塑料排水带，其设备内腔高度﹑宽度均受到制约，不能满足大部分规格的塑料防护排水板的测试要求。

b.塑料防护排水板的凹凸中空结构存在较大空间，压力作用下的乳胶薄膜变形较大，会在凹凸点间的侧面空间发生内嵌，非正常地减少有效通水面积，从而影响测试结果，且对于不同样品，其影响规律不易测算。

c.样品测试宽度过小，代表性较差。

d.对于覆加无纺织物的塑料防护排水板，无纺织物在试验中极易在压力作用下出现滑移内嵌，堵塞排水通道，从而影响试验的准确性与可比对性。

e.试验过程中，乳胶薄膜易发生破损，降低了试验可操作性。

图2 YG070型塑料排水板纵向通水量测试仪

2.3 闭孔泡沫橡胶加压方式

闭孔泡沫橡胶加压方式即以闭孔泡沫橡胶作为试样接触面材料，闭孔泡沫橡胶的压缩模量应符合图3的要求，以刚性板传导压力至闭孔泡沫橡胶垫层上，塑料防护排水板的凸点嵌入闭孔泡沫橡胶垫层中，从而减少凹凸中空结构内的排水空间，以模拟工程土体对样品的影响作用。如作为产品质量检测用途的标准试验方法，应确定在相同的压力条件及水力梯度下进行试验，保证试验结果的可比性。鉴于塑料防护排水板在工程应用中，一般要求其抗压强度不低于150kPa，则可确定单宽流量的测试压力也为150kPa。水力梯度的选择应考虑试验设备的供排水能力，塑料防护排水板在未充分压缩变形前的水头沿程损失一般较小，因此试验中较大的水力梯度难以实现。如对于长30cm、宽20cm的试样，上下游保持3cm的水头差是容易实现的，可确定单宽流量试验的水力梯度为0.1。

以SS-1型纵向通水量测试仪(图4)为例，其设备内腔高度可随塑料防护排水板的高度调节，能够满足各种规格样品的测试需要。试样宽度为20cm，代表性较好。

图3 闭孔泡沫橡胶的压缩—变形区域

图4 SS-1型纵向通水量测试仪

综合以上因素，以薄膜加压的方式进行塑料防护排水板单宽流量试验是不合理的，也难以获得准确有效的测试数据，应采用闭孔泡沫橡胶加压的方式进行塑料防护排水板单宽流量试验。

3 验证试验

3.1 试验步骤

a.根据试验样品的凹凸高度确定闭孔泡沫橡胶的厚度。试样凹凸高度不足10mm时，试样两面橡胶的名义厚度为10mm;试样凹凸高度在10～25mm时，试样两面橡胶的名义厚度为试样厚度的1～1.25倍;试样凹凸高度超过25mm时，试样两面橡胶的名义厚度为25mm。

b.在仪器的基板和加载刚性板之间依次放置闭孔泡沫橡胶、试样和闭孔泡沫橡胶。

c.向仪器的进水槽注水，向试样施加2kPa的法向压力，使水流过试样以排除空气，采取必要的预防措施避免沿试样的边界漏水。

d.把法向压力调整到150kPa，保持此压力360s。e.向进水槽注水，使水力梯度达到0.1。

f.记录渗流15min后的渗水量，试验结果表示为L/s/m，取两次测定的平均值作为试验结果。

3.2 验证试验结果

选取7种不同规格的塑料防护排水板产品进行单宽流量验证试验，其中4组为单面凹凸样品，3组为双面凹凸样品，凹凸高度在10～40mm。同时进行了压缩性能的测试，测试结果下表，“凹凸高度—单宽流量—压缩性能”的关系曲线见图5、图6。

单宽流量验证试验结果表

图5 凹凸高度—单宽流量—压缩性能关系曲线(单面凹凸样品)

图6 凹凸高度—单宽流量—压缩性能关系曲线(双面凹凸样品)

可见，凹凸高度较大的样品单宽流量测试数值更大，其纵向通水能力更强，但同时其压缩性能由于产品凹凸结构因素呈下降趋势。

4 结语

纵向通水能力是考察塑料防护排水板产品质量的重要指标，本文通过对塑料防护排水板单宽流量试验方法的技术研究，得出以下结论:

a.由于产品结构形式的差别，针对软土地基加固用塑料排水带的纵向通水量测试方法(即薄膜加压方式)，不适用于塑料防护排水板的相关试验。

b.塑料防护排水板的纵向通水能力测试可依照ISO 12958、GB/T17633-1998中的相关规定，以闭孔泡沫橡胶加压方式，在150kPa法向压力、0.1水力梯度条件下进行。

c.在压缩性能满足要求的情况下，塑料防护排水板的纵向通水能力与其凹凸高度呈正比关系，但同时随着凹凸高度的增大，其压缩性能呈下降趋势。在工程应用中，应予以充分考虑。■

1 GB/T 17633—1998土工布及其有关产品平面内水流量的测定［S］.

2 SL 235—2012土工合成材料测试规程［S］.

3 JT/T 521—2004公路工程土工合成材料 塑料排水板［S］.

4 JTG E50—2006公路工程土工合成材料试验规程［S］.

5 JTS 206—1—2009水运工程塑料排水板应用技术规程［S］.

6 ISO 12958 Geotextiles and geotextile-related products——Determination of water flow capacity in their plane［S］.

7 ASTM D4716 Standard Test Method for Determining the(Inplane)Flow Rate per Unit Width and Hydraulic Transmissivity of a Geosynthetic Using a Constant Head［S］.