土工合成材料的性能评价及其在水利防渗工程中的应用

李 俊

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330025)

土工合成材料的性能评价及其在水利防渗工程中的应用

李 俊

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330025)

土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，是较为理想的防渗材料，在水利工程中有着广泛的应用。为了有效普及应用土工合成材料，还必须对其进行深入研究。文章针对土工合成材料开展研究，以土工织物为例，对其性能评价标准进行了探讨，并就其在防渗工程中的应用进行了论述，对于土工合成材料的广泛应用奠定理论基础。

土工合成材料；水利防渗工程；土工膜；性能评价指标；实践应用

0 前 言

土工织物具有良好的排水、渗透和反滤功能，土工膜抗渗性能好，将其应用于水利工程建设施工的实践，能够有效保证施工质量。对于土工织物而言，垂直渗透系数是重要的衡量标准，将其作为评价指标，存在测量厚度的问题，误差较大，同时，层流的控制问题也至关重。在土工膜的应用过程中，耐静水压力是重要的评价指标。为了有效探讨土工合成材料的性能评价指标，对产品的透水性进行预测，并完善材料的测试规程，遂开展本次研究[1]。

1 土工合成材料的水力学特性

所谓的水力学性能，主要的指标包的土工织物的透水性能和土工膜的抗渗透性能。在工程实践中，土工合成材料的物理力学指标和水力学指标对于工程建设至关重要，尤其是土工合成材料渗透性能。

为此，在水利工程的建设中，对于土工织物的水力学设计必不可少，为了满足工程需要，必须要确定垂直和平行织物的渗透性。

1.1 垂直于织物平面的渗透性

土工织物发挥渗滤作用时，水流方向与织物平面相互垂直，在实践中，要求其能够滤过颗粒，同时，又不会阻挡水的流动。这一渗透性主要用渗透系数表示，公式为：

(1)

式中：kn为渗透系数；v为渗透流速；δ为土工织物厚度；i为渗流水力梯度；Δh为土工织物上下游测压管水位差。

土工织物的透水性可以用透水率表示，具体为：

(2)

透水率和渗透系数之间的关系为：

(3)

土工织物的透水性能取决于织物材料、结构、空隙大小和分布等自身因素，也取决于织物平面的法向应力、水质、水温和水中含气量等。

1.2 平行于织物平面的渗透性

土工织物被当做排水材料应用于工程建设中，水在织物内部平行流动，土工织物的内部空隙成为了疏导水流的重要途径，这一性能通过织物的平面渗透系数表示，具体公式为：

(4)

式中：kt为沿织物平面的渗透系数；v为渗透流速；i为渗流水力梯度；Δh为土工织物上下游测压管水位差；L为渗流方向长度。

在土工织物疏导水流的过程中，可以用导水率进行表示，公式为：

(5)

土工织物导水率和渗透系数除了与织物本身的结构特性相关之外，也需要考虑织物平面的法向应力、水流状态、水流方向与织物的经纬向夹角、温度、含气量等因素。

2 土工合成材料的性能评价试验

2.1 垂直渗透性测试方法

对于土工织物的垂直渗透测试，目前常用的方法主要有ISO无负荷垂直渗透特性试验、ASTM法向渗透性试验、国际GB/T15789法向渗透性测试等。在测试实践中，ISO方法优势明显，可靠性强，操作简单，受到层流和紊流的影响较小，但是，却存在不能与土的渗透性进行比较的特点，但是在水利工程的设计实践中，土工织物滤层的渗透系数必须要高于土层渗透系数[2]。

对于垂直渗透性能的测试，为了有效减小因为厚度测量所引发的误差，应该用透水率指标来进行衡量。试验处于层流，水头差采用5cm的变水头法，在测定过程中，试样处于无压状态，但是，在施工实践中，无压状态不可能存在，为此，还需要对压力状态下的渗透系数进行测定，从而满足实际的工程需求。

2.2 土工织物平面渗透测试

目前，国内外对土工织物平面渗透测试的方法主要包括ISO平面内水流量测试、ASTM水平渗透测试和国标GB/T17633水平渗透测试等。在试验过程中，通过导水率可以有效实现对其渗透性能的测试，由于不需要测定织物的厚度，误差也相对减小。在对土工织物平面渗透性能进行测试的过程中，要注意选择合理的试样尺寸，根据密封、加压、供水等条件，合理选择，避免试样面积的过大化。同时，在测试过程中，试样边缘和渗透仪内壁必须进行密封。要充分保证试样的饱和度，如果试样中存在空气，就会导致过水面积减小，从而导致试验误差的产生。同时，试验中应该选择脱气水，有效控制税种溶解氧气含量，降低对试验结果的影响[3-5]。

3 土工合成材料在水利防渗工程中的应用技术分析

以某水库防渗工程的施工为例，将土工合成材料应用其中，充分显示出了其在堤坝防渗工程中的关键性作用。

3.1 工程概况

在水库大坝上游，由于坝体发生了滑动，所以，施工人员则对滑坡体进行了清理，并在坝脚处砌筑了挡土墙，但是，由于天气等因素，滑动再次发生。经过现场勘查，发现发生滑坡的主要原因在于建筑堤坝的材料中渗透性不足，施工中忽略了排水管道和措施的应用。第一次的修护措施并没有达到地基岩体，导致加固措施失效[6]。通过对现场土样进行采集和室内试验，可以得出滑坡体土料的主要物理力学性质指标，详见表1。

表1 滑坡体土样性能指标

3.2 工程设计

1)为了有效防渗，需要根据滑坡体的特征，选择合适的土工织物，所选材料必须同时满足强度、密度、挡土和渗透性要求，本次施工中所使用的土工织物物理性能详见表2。

表2 土工织物性能指标

2)要对土工织物加筋层进行优化设计。利用公式Ts=(Fsr-Fsv)·Md/D计算得出总加筋力；关于加筋力的分配，在保证受力均匀的情况下，底部加筋力为：Tz1=Ts/2；中部加筋力为Tz2=Ts/3；顶部加筋力为：Tz3=Ts/6。关于土工织物间距和层数的计算，可以通过Tr=Tz/N来计算获得。对于土工织物长度的计算，按照L=La+Le+Lu和Le=TaFs/2Fασγ来获得。

3)对设计进行稳定性校核。通常情况下，需要考虑2个位置，一方面，要充分考虑原滑弧面，由于土工织物的应用，使得拉应力增加，从而造成了滑体抗滑力矩的增加，通过瑞典条分法的应用，检验所得安全系数必须>1.3，则表明了设计的合理性。另一方面，要充分考虑锚桩及抗滑桩底构成的圆弧面，这里的应力相对集中，坝体滑动面最为危险，稳定性计算后满足>1.3的要求。

4)在对设计进行稳定性校核之后，可以按照图1所示的施工工序进行施工。

图1 土工织物防渗施工工序

为了有效探讨土工织物在水利防渗中的应用效果，特选择200mm*200mm*10mm沉降板对坡面位移进行监测，在其中心位置的竖直方向上，焊接40cm，Ф20mm的钢筋，并进行焊接，待工程运行一段时间后，对沉降板的水平位移和前后位置进行比较，发现不论是沉降量还是水平位移量，均不明显，水库坝体处于良好运行状态，由此可见，将土工织物应用于水利工程防渗实践具有良好的施工效果。

为了有效保证土工织物的应用效果，必须要解决土工织物材质和表面防护问题，在存储、运输和施工中，要随时做好防护工作，尽量缩短外露时间。为了保证应用效果，在选择土工织物的过程中，除了要考虑滑坡体性质之外，必须要充分考虑挡土准则、渗透性和淤堵准则。

在设计过程中，需要做好总加筋力、加筋力分配、土工织物间距以及长度等的确定工作。在施工过程中，要重点做好清基、打抗滑桩、铺设织物、铺土、夯实、翻卷及锚固工作。

4 结 语

随着土工合成材料的发展，水利工程建设也出现了前所未有的变化，特别是在材料、设计原理、计算方法、施工工艺和工程管理等方面。应用于水利防渗的材料主要包括垂直铺膜和坡面铺膜，为了有效保证其应用效果，必须对其性能评价指标和技术措施进行分析和明确，从而更好地指导水利工程施工实践，提升其在水利工程中的应用效果，实现水利防渗工程的可持续发展。

[1]陈斌.土工合成材料在水利工程中的应用及其施工方法研究[J].价值工程,2013(21):84-85.

[2]李笑梅,韩云涛.土工合成材料在水利工程中的应用和施工方法[J].黑龙江科技信息,2013(26):194.

[3]闫广双.土工合成材料在水利工程中的应用[J].黑龙江水利科技,2013(09):260-263.

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

[5]王敏,孙亚东.土工合成材料在水利工程防渗中的应用[J].中国新技术新产品,2015(02):113.

[6]宋懋懋.土工合成材料在病险水库土坝防渗工程中的应用与存在问题的探讨[J].甘肃科技,2009(22)：134-135.

1007-7596(2016)11-0109-03

2016-11-02

李俊(1980-)，男，江西进贤人，工程师，从事水利项目管理工作。

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