堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)六

堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)(7)簡(jiǎn)介：千百年來(lái)，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(zhì)量大，壽命不長(zhǎng)，價(jià)格昂貴等，故不能全面滿足工程的特定需要。同時(shí)天然材料畢竟數(shù)量有限，而且不少天然植物材料如過(guò)分利用還會(huì)影響自然界的生態(tài)平衡，破壞人......關(guān)鍵字：堤防工程土工合成材料應(yīng)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(rùn)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(jié)，提高地基承載力等等。傳統(tǒng)的排水材料多采用強(qiáng)透水粒狀材料，土工織物用作排水時(shí)兼起反濾作用，同時(shí)，不致因土體固結(jié)變形而失效，它具有施工簡(jiǎn)便，縮短工期，節(jié)約工程費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。二、典型應(yīng)用(舉例)以下是堤壩工程中可以應(yīng)用土工合成材料作為排水設(shè)施的一些常用場(chǎng)合。(1)堤壩體內(nèi)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(shè)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(jié)的排水帶或排水板。(7)凍脹區(qū)用于截?cái)嗝?xì)水上升，防止凍害；干旱區(qū)防止毛細(xì)水上升造成鹽堿化。三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)土工合成材料用作排水體的設(shè)計(jì)方法與反濾層的基本相同。但由于在此項(xiàng)用途中，織物應(yīng)有足夠的平面排水能力以導(dǎo)走來(lái)水，所以要進(jìn)行排水能力的校核。本節(jié)先介紹一般的排水設(shè)計(jì)方法，而后再就幾種特殊情況，做些說(shuō)明。(一)一般的排水設(shè)計(jì)1.所需的基本資料與反濾設(shè)計(jì)中要求的類似，應(yīng)提供土體的物理力學(xué)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(guān)地質(zhì)、水文資料；來(lái)水量(或根據(jù)條件估算)；土與水的化學(xué)成分等。另外，應(yīng)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(zhǔn)則檢驗(yàn)待選土工織物用于排水的無(wú)紡?fù)凉た椢锸紫葢?yīng)符合反濾準(zhǔn)則，故待選材料應(yīng)先按第一節(jié)中的三項(xiàng)準(zhǔn)則逐一加以檢驗(yàn)，如不合格，應(yīng)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(biāo)。土工織物排水是依靠其平面滲透性，按照理論應(yīng)該以其水平滲透系數(shù)Kh來(lái)表示。但是，由于織物埋在土內(nèi)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(jù)達(dá)西定理，推導(dǎo)出反應(yīng)織物滲透性的另外兩個(gè)指標(biāo)：透水率導(dǎo)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(lái)水量；△h為土工織物上下兩側(cè)的水位差值；A為通過(guò)水流的面積；i為水流通過(guò)織物時(shí)的水力梯度。某種土工織物用作排水時(shí)是否合適，需要先計(jì)算兩種導(dǎo)水率：一個(gè)是由需要排除的水量q(亦即來(lái)水量)計(jì)算得要求的導(dǎo)水率θr，另一個(gè)是根據(jù)所提供織物的指標(biāo)算出的織物可提供的導(dǎo)水率θa，按以上所述，它們可以按式(2-10)及式(2-11)計(jì)算：θr=q/i}(2-10)θa=Khδ顯然，合格的土工合成材料應(yīng)該滿足下式：θa≥Fsθr(2-11)式中：Fs是安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于3；q為來(lái)水量，可以借流網(wǎng)法或其他方法估算(可參考有關(guān)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(lái)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(guò)下下游底部排排水層導(dǎo)向向堤外。這種情況下下的計(jì)算與與上述（一一）中所述述的基本相相同，即先先按流網(wǎng)估估算進(jìn)人煙煙囪式排水水體的來(lái)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(biāo)，按式式(2-110)算出θa；再由式(2-111)檢驗(yàn)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(jì)增大的的，如圖2-4((b)，其底部部流量最大大，應(yīng)該逐逐段驗(yàn)算。圖2-4煙囪式式排水計(jì)算算圖

(a)堤壩橫斷斷面團(tuán)；(b)土工織物物內(nèi)部滲流流示意圖

ll—土工織物物；2—浸潤(rùn)線(三)堤壩底部排水層軟基上堤壩底部部鋪設(shè)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(jié)結(jié)，排出的的水量通過(guò)過(guò)土工織物物向兩側(cè)流流走。這種情況的排水水計(jì)算較前前述的稍復(fù)復(fù)雜，因?yàn)闉樗婕凹巴恋墓探Y(jié)結(jié)計(jì)算。這這里不作詳詳細(xì)介紹，僅僅寫(xiě)出以下下公式作為為參考。式式(2-112)假設(shè)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(jù)單向固固結(jié)理論推推導(dǎo)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(jié)系數(shù)，它是由地基土的固結(jié)試驗(yàn)求得的反映固結(jié)快慢的一個(gè)指標(biāo)；t為筑堤的時(shí)間。同樣，可按式(2-11)檢驗(yàn)所采用的織物是否有足夠的導(dǎo)水能力。(四)塑料排水帶垂直排水設(shè)計(jì)在第一章中已簡(jiǎn)單介紹了塑料排水帶的構(gòu)造，它是由塑料排水芯材外包非織造土工織物(濾膜)構(gòu)成的一種土工復(fù)合排水材料，在軟土地基加固中應(yīng)用廣泛。這種材料是由早期的“排水砂井”演變而來(lái)。利用砂井加速軟軟土地基固固結(jié)的基本本概念如下下：假設(shè)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(huì)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)過(guò)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(jié)。當(dāng)土土層厚度H(假設(shè)其下下為不透水水層)較大時(shí)，排排水行程(即H)太長(zhǎng)，土土層完成排排水固結(jié)的的時(shí)間也將將增大。若若粘土滲透透性小，則則固結(jié)時(shí)間間需要很長(zhǎng)長(zhǎng)，故建造造在軟土上上的建筑物物將長(zhǎng)期處處于持續(xù)下下沉的狀態(tài)態(tài)。為了加加速固結(jié)，可可以在軟基基中設(shè)置垂垂直方向的的砂井(砂井是用用造孔機(jī)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(guò)過(guò)軟土層)，同時(shí)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(jìn)入地地面的砂墊墊層，再沿沿水平方向向排走。根根據(jù)固結(jié)圖2-6利用砂井井加速軟土土地基排水水固結(jié)

l—排水；2—砂井；3—砂墊層理論，排水固結(jié)的時(shí)間與排水距離的平方成反比。例如在圖2-6中，不設(shè)砂井時(shí)的最大排水距離為H，設(shè)砂井后，相應(yīng)距離為de/2。式中的de約為砂井間距，則為達(dá)到一定的固結(jié)度后者所需的時(shí)間t與前者時(shí)間T的關(guān)系為：t＝[（de/2）2/H2]T，所以只要調(diào)整de，即可使固結(jié)所需的時(shí)間縮短到要求的時(shí)間。事實(shí)上，所需時(shí)間比上式計(jì)算的還要短一些，因?yàn)樵谏熬脚潘耐瑫r(shí)，還有土層自身的垂直向排水。砂井設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于按現(xiàn)有的土質(zhì)特性(固結(jié)系數(shù)Cυ等)、砂井的直徑和深度，現(xiàn)有的造孔設(shè)備規(guī)格(孔徑和造孔深度)，以及許可的固結(jié)時(shí)間，通過(guò)三維固結(jié)理論來(lái)估算砂井的分布間距。很明顯，間距愈小，固結(jié)將愈快，但為了使地基土不因砂井造孔而過(guò)分地?cái)_動(dòng)，砂井的間距不宜過(guò)小，一般為2～3m。塑料排水帶加速地基固結(jié)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(jì)算仍然采用砂井理論中的固結(jié)理論，所以需要將排水帶截面的周長(zhǎng)(寬度和厚度分別為b和δ)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)。在塑料排水帶插帶過(guò)程或砂井施工過(guò)程中，不可避免會(huì)引起地基土的擾動(dòng)，并因此在排水帶或砂井周圍形成一相對(duì)不透水的土層，這種因?qū)Φ鼗翑_動(dòng)引起透水性降低的作用，稱為涂抹作用。同時(shí)，塑料排水帶或砂井的導(dǎo)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(dǎo)水能力的有限性可稱之為井阻?？紤]涂抹和井阻作用的計(jì)算方法很多，有的方法可估算擾動(dòng)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(guān)的計(jì)算方法，僅引用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定：對(duì)長(zhǎng)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(yīng)