無紡?fù)凉た椢镒鳛槟尘|(zhì)土壩反濾排水材料的試驗研究

馮治剛吳 杰 楊 中崔 飛 王桂生

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 蚌埠 233000 2.安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 引言

土工織物是一種應(yīng)用較為廣泛的巖土工程材料，它具有穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕、造價低、便于運輸和施工等優(yōu)點，土工織物的價格比砂石反濾料要低廉得多，可以縮短工期35%～80%，費用降低30%～50%，因此發(fā)展?jié)摿Υ?。同時，從功能上完全可以替代砂石反濾料。某工程為一等大（1）型工程，主壩為1級建筑物，壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，壩體總長8545m，平均壩高12～13m，最大壩高21m。壩體上、下游護坡均采用無紡?fù)凉た椢餅V層，反濾、排水的可靠性直接影響大壩的安全，為確保工程安全，需對該土壩的無紡?fù)凉た椢锓礊V、排水設(shè)施進行專項試驗研究，其目的是確定無紡?fù)凉た椢锓礊V、排水的相關(guān)參數(shù)，以合理選用適當(dāng)?shù)臒o紡?fù)凉た椢铩?/p>

2 土工織物反濾、排水試驗

2.1 土料試驗及土工織物試驗

根據(jù)土工試驗相關(guān)規(guī)程，對B、C、D、E料場、壩基土、老壩土、減壓井6種土料進行相關(guān)土工試驗，測定被保護土的粒徑級配和滲透系數(shù)。設(shè)計反濾層時，要對反濾層的透水性和保土性進行綜合考慮，才能合理地選擇土工織物濾層。對于不同的保護對象，土工織物的選擇標(biāo)準(zhǔn)是不相同的，必須從被保護土的性質(zhì)、粒徑級配、滲透性等基本特性出發(fā)。根據(jù)被保護土的滲透特性和粒徑分布特征，參照相關(guān)規(guī)范，確定土工織物的物理指標(biāo)和力學(xué)性能指標(biāo)。通過試驗，其結(jié)果為：拉伸強度2#>3#>1#，撕裂強度2#>1#>3#，圓球頂破強度2#>1#>3#。經(jīng)綜合比較放棄2#土工織物，選取1#、3#土工織物作進一步的淤堵試驗。

2.2 水力作用下系統(tǒng)淤堵試驗

（1）淤堵試驗?zāi)康?/p>

淤堵試驗一方面主要是驗證在一定滲透力的作用下被保護土是否會穿過織物大量流失而產(chǎn)生管涌；另一方面是驗證所選定的1#、3#兩種無紡織物孔徑是否會被土顆粒堵塞而導(dǎo)致織物的透水性嚴(yán)重衰退而失去排水作用。通過淤堵試驗最終驗證整個反濾系統(tǒng)性能的有效性和穩(wěn)定性，確定所選織物與被保護土料匹配是否合理。

（2）淤堵試驗內(nèi)容

淤堵試驗在管涌儀中進行，試驗裝置見圖1。根據(jù)不同的土料，進行平行試驗，每次試驗均采用歷時為600～800h的滲透試驗。試驗中施加較大的水力坡降（J=40～50）作用于“土+布”系統(tǒng)上，定時測定系統(tǒng)滲透系數(shù)，直到滲透系數(shù)趨于一個穩(wěn)定數(shù)值，即可停止試驗。系統(tǒng)滲透系數(shù)與時間關(guān)系為：試驗開始階段，滲透系數(shù)變化較大，隨著時間的推移，滲透系數(shù)逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

試驗中將土料按圖1所示次序裝入試驗儀器中，每類土料及土工織物分別做2～3組平行試驗。試驗完成后，將系統(tǒng)的土工織物和土料仔細地分離，再分別測出淤后土和織物的滲透系數(shù)，分別將淤前、淤后織物與土的滲透系數(shù)記為K布前、K土前、K布后、K土后，試驗數(shù)據(jù)見表1、表2。通過對淤前、淤后滲透系數(shù)的比較來評價織物與土的匹配關(guān)系的好壞。

3 試驗結(jié)果分析及織物選型

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對試驗結(jié)果從織物的保土性要求、透水性要求、抗淤堵性要求三方面進行綜合分析，最終選定無紡?fù)凉た椢镱愋汀?/p>

表1 1#布與土料淤堵試驗前后土、布滲透系數(shù)

表2 3#布與土料淤堵試驗前后土、布滲透系數(shù)

3.1 保土性要求

根據(jù)被保護土的滲透性和粒徑分布特征值，參照規(guī)程，對土工織物提出如下控制指標(biāo)：

無紡?fù)凉た椢镉行Э讖絆95值為：

O95≤nd85

式中：O95——土工織物的等效孔徑（mm），即在土工織物孔徑大小分部曲線上小于該孔徑的含量為95%；

D85——被保護土的特征粒徑，即土中小于該粒徑的土料質(zhì)量占總質(zhì)量的85%（mm）；

N——隨土的粒徑和織物孔徑確定的系數(shù)。

單純從土料的顆粒分析試驗結(jié)果來看，似乎可以認為所選擇的1#、3#織物的等效孔徑偏大，不滿足保土性要求，但進一步考慮土工織物的有效孔徑是在無壓條件下測定的，而實際工程中，土工織物上有外壓存在，承受外壓后土工織物厚度變薄，滲透性減小，孔徑亦隨之減?。煌瑫r顆粒分析試驗中外加分散劑，破壞了粘土的團粒結(jié)構(gòu)，使得所測得d85比團體存在的d85??；另外，“土+布”滲透系統(tǒng)在較大水力坡降（>40～50）作用下未見細顆粒流出，且土工織物在淤前、淤后的滲透系數(shù)之比在0.94～2.70之間，所以，1#、3#織物滿足保土性要求。

3.2 透水性要求

無紡?fù)凉た椢镌跓o壓條件下的滲透系數(shù)值：

K織>（10～100）K土

從表1、表2可知淤堵后K布后/K土后>>1000，滿足無紡?fù)凉た椢镒鳛榉礊V結(jié)構(gòu)的透水性要求。

3.3 抗淤堵性要求

從淤堵試驗過程和表1、表2知，織物在淤堵前后的滲透系數(shù)很接近，即 1#、3#織物作 B、C、D、E 料場土、壩基土、老壩土的反濾料都不會發(fā)生淤堵。

4 結(jié)語

（1）該工程于2007年竣工，并經(jīng)過2007年淮河流域特大洪水的考驗，主壩防滲排水系統(tǒng)運行安全可靠，說明主壩防滲排水系統(tǒng)中無紡?fù)凉た椢锏倪x擇是非常成功的。

（2）無紡?fù)凉た椢锞哂匈|(zhì)輕、堅硬、抗拉強度高、防沖等優(yōu)點，與筑壩土料緊密結(jié)合，能充分發(fā)揮其透水反濾整體性強的作用。

（3）無紡?fù)凉た椢锾娲鷤鹘y(tǒng)的砂、碎石材料做反濾層，施工期短、見效快、工程造價低；選擇無紡?fù)凉た椢镒龇礊V排水，應(yīng)科學(xué)比較、因地制宜，特別注意施工區(qū)土質(zhì)情況，帶有尖角的礫質(zhì)、碎石施工地段一般不宜采用，以防刺破土工織物。

（4）嚴(yán)把無紡?fù)凉た椢锏馁|(zhì)量關(guān)，必須經(jīng)過有資質(zhì)測試機構(gòu)的測試，試驗合格后才投入使用。

（5）隨機性孔隙隨機分布于織物內(nèi)部，在某一部位不會全為孔洞或密不透風(fēng)。無紡?fù)凉た椢镌诜礊V中主要起媒介作用，使被保護土一定范圍內(nèi)形成顆粒由細到粗的天然反濾結(jié)構(gòu)；同時，土顆粒進入織物具有層次性，隨著與土層距離的增加，織物滯留的土顆粒會依次遞減