堤防工程土工合成材料應用技術六

堤防工程土工合成材料應用技術(7)簡介：千百年來，在水利工程中，人們廣泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天然材料以及一些金屬材料，但它們都有一些固有的缺陷，例如性能單一，質量大，壽命不長，價格昂貴等，故不能全面滿足工程的特定需要。同時天然材料畢竟數(shù)量有限，而且不少天然植物材料如過分利用還會影響自然界的生態(tài)平衡，破壞人......關鍵字：堤防工程土工合成材料應用第二節(jié)排水功能一、排水作用水利工程中需要將土中水排走的情況很多，例如堤壩工程中降低浸潤線位置，以減小滲流力；擋墻背面排水，以消減水壓力，提高墻體穩(wěn)定性；土坡排水，減小孔隙壓力，防止土坡失穩(wěn)；隧道和廊道排水，以減輕滲水壓力；軟土地基排水，以加速土固結，提高地基承載力等等。傳統(tǒng)的排水材料多采用強透水粒狀材料，土工織物用作排水時兼起反濾作用，同時，不致因土體固結變形而失效，它具有施工簡便，縮短工期，節(jié)約工程費用等優(yōu)點。二、典型應用(舉例)以下是堤壩工程中可以應用土工合成材料作為排水設施的一些常用場合。(1)堤壩體內煙囪式排水及下游排水褥墊層。(2)堤壩防滲土工膜下的排水、排氣墊層。(3)設于水力沖填壩中的孔壓消散層。(4)土堤下游坡的排水層。(5)擋墻及岸墻后的排水層。(6)加速軟基固結的排水帶或排水板。(7)凍脹區(qū)用于截斷毛細水上升，防止凍害；干旱區(qū)防止毛細水上升造成鹽堿化。三、設計要點土工合成材料用作排水體的設計方法與反濾層的基本相同。但由于在此項用途中，織物應有足夠的平面排水能力以導走來水，所以要進行排水能力的校核。本節(jié)先介紹一般的排水設計方法，而后再就幾種特殊情況，做些說明。(一)一般的排水設計1.所需的基本資料與反濾設計中要求的類似，應提供土體的物理力學特性，如土的分類、土的顆粒分析曲線、土的滲透系數(shù)等；有關地質、水文資料；來水量(或根據條件估算)；土與水的化學成分等。另外，應提供待選土工織物的厚度δ、等效孔徑O95、水平滲透系數(shù)Kh、垂直滲透系數(shù)Kυ等。2.以反濾準則檢驗待選土工織物用于排水的無紡土工織物首先應符合反濾準則，故待選材料應先按第一節(jié)中的三項準則逐一加以檢驗，如不合格，應更換其他合格材料。3.排水能力校核這里我們先介紹一種反映土工織物透水性的指標。土工織物排水是依靠其平面滲透性，按照理論應該以其水平滲透系數(shù)Kh來表示。但是，由于織物埋在土內要受到一定的壓力，其厚度δ要變薄，垂直滲透性和水平滲透性都將減小，為了回避可變的厚度δ，根據達西定理，推導出反應織物滲透性的另外兩個指標：透水率導水率ψ=Kυ/δ=qq/△hAθ=Khδ=q//i(2-8)(2-9)式中：q表示單位寬度的來水量；△h為土工織物上下兩側的水位差值；A為通過水流的面積；i為水流通過織物時的水力梯度。某種土工織物用作排水時是否合適，需要先計算兩種導水率：一個是由需要排除的水量q(亦即來水量)計算得要求的導水率θr，另一個是根據所提供織物的指標算出的織物可提供的導水率θa，按以上所述，它們可以按式(2-10)及式(2-11)計算：θr=q/i}(2-10)θa=Khδ顯然，合格的土工合成材料應該滿足下式：θa≥Fsθr(2-11)式中：Fs是安全系數(shù)，一般應不小于3；q為來水量，可以借流網法或其他方法估算(可參考有關資料)。式(2-11)如果得不到滿足，可以更換厚一些的織物，或改用排水量大的其他排水土工合成材料。(二)煙囪式排水布置上游來水流流到豎向排排水體土工工織物(圖2-4)，將沿織織物往下流流，通過下下游底部排排水層導向向堤外。這種情況下下的計算與與上述（一一）中所述述的基本相相同，即先先按流網估估算進人煙煙囪式排水水體的來水水量q，由此按按式(2-99)算出θr(其中的i＝sinβ)；其次由由提供的土土工織物指指標，按式式(2-110)算出θa；再由式(2-111)檢驗提供供的織物是是否合適。要注意的是流入入織物的滲滲流量是由由上而下累累計增大的的，如圖2-4((b)，其底部部流量最大大，應該逐逐段驗算。圖2-4煙囪式式排水計算算圖

(a)堤壩橫斷斷面團；(b)土工織物物內部滲流流示意圖

ll—土工織物物；2—浸潤線(三)堤壩底部排水層軟基上堤壩底部部鋪設土工工織物作為為排水層的的示意如圖圖2-5。飽和軟軟土地基在在堤壩重力力作用下將將排水固結結，排出的的水量通過過土工織物物向兩側流流走。這種情況的排水水計算較前前述的稍復復雜，因為為它要涉及及土的固結結計算。這這里不作詳詳細介紹，僅僅寫出以下下公式作為為參考。式式(2-112)假設土工工織物的最最大承壓力力為地基中中最大水壓壓力的10％～15％，并根根據單向固固結理論推推導得出：：圖2-5土堤底底部排水示示意圖(2-12)式中：B為堤壩底寬；Ksυ是地基土的垂直向滲透系數(shù)；Cυ為土的固結系數(shù)，它是由地基土的固結試驗求得的反映固結快慢的一個指標；t為筑堤的時間。同樣，可按式(2-11)檢驗所采用的織物是否有足夠的導水能力。(四)塑料排水帶垂直排水設計在第一章中已簡單介紹了塑料排水帶的構造，它是由塑料排水芯材外包非織造土工織物(濾膜)構成的一種土工復合排水材料，在軟土地基加固中應用廣泛。這種材料是由早期的“排水砂井”演變而來。利用砂井加速軟軟土地基固固結的基本本概念如下下：假設有有一處飽和和軟土地基基，如圖2-6((a)，在其表表面施加外外荷載(建筑物重重量)，土中會會產生超過過靜水壓力力的孔隙水水壓力，于于是，土體體中多余水水分逐漸從從排水面(地表)排出，這這種現(xiàn)象稱稱為排水固固結。當土土層厚度H(假設其下下為不透水水層)較大時，排排水行程(即H)太長，土土層完成排排水固結的的時間也將將增大。若若粘土滲透透性小，則則固結時間間需要很長長，故建造造在軟土上上的建筑物物將長期處處于持續(xù)下下沉的狀態(tài)態(tài)。為了加加速固結，可可以在軟基基中設置垂垂直方向的的砂井(砂井是用用造孔機械械在平面上上按一定間間距和布置置方式(常為正方方形或梅花花形分布)造孔(一般穿過過軟土層)，同時填填入砂料，形形成砂柱，如如圖2-6((b)。砂柱為為軟土提供供了排水面面，排入砂砂柱的水向向上進入地地面的砂墊墊層，再沿沿水平方向向排走。根根據固結圖2-6利用砂井井加速軟土土地基排水水固結

l—排水；2—砂井；3—砂墊層理論，排水固結的時間與排水距離的平方成反比。例如在圖2-6中，不設砂井時的最大排水距離為H，設砂井后，相應距離為de/2。式中的de約為砂井間距，則為達到一定的固結度后者所需的時間t與前者時間T的關系為：t＝[（de/2）2/H2]T，所以只要調整de，即可使固結所需的時間縮短到要求的時間。事實上，所需時間比上式計算的還要短一些，因為在砂井水平排水的同時，還有土層自身的垂直向排水。砂井設計的要點在于按現(xiàn)有的土質特性(固結系數(shù)Cυ等)、砂井的直徑和深度，現(xiàn)有的造孔設備規(guī)格(孔徑和造孔深度)，以及許可的固結時間，通過三維固結理論來估算砂井的分布間距。很明顯，間距愈小，固結將愈快，但為了使地基土不因砂井造孔而過分地擾動，砂井的間距不宜過小，一般為2～3m。塑料排水帶加速地基固結的概念與砂井的完全相同，只是以截面為矩形的排水帶代替了截面為圓形的砂井，排水帶計算仍然采用砂井理論中的固結理論，所以需要將排水帶截面的周長(寬度和厚度分別為b和δ)轉化為等效砂井直徑d，顯然d＝（2/π）(b十δ)。這樣排水帶就可以完全按直徑為d的砂井設計。在塑料排水帶插帶過程或砂井施工過程中，不可避免會引起地基土的擾動，并因此在排水帶或砂井周圍形成一相對不透水的土層，這種因對地基土擾動引起透水性降低的作用，稱為涂抹作用。同時，塑料排水帶或砂井的導水能力需要在一定的水頭差作用下才能起作用，以排出從地基土流人的水量，這種砂井導水能力的有限性可稱之為井阻?？紤]涂抹和井阻作用的計算方法很多，有的方法可估算擾動土層的范圍和滲透系數(shù)，以及塑料排水帶的滲透系數(shù)，然而，這些量的確定仍然是困難的。這里不再介紹有關的計算方法，僅引用《建筑地基處理技術規(guī)范》中的規(guī)定：對長徑比較大和井料滲透系數(shù)小的袋裝砂井或塑料排水帶，應