土工合成材料的排水功能

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1、排水功能　　一、排水作用　水利工程中需要将土中水排走的情况很多，例如堤坝工程中降低浸润线位置，以减小渗流力；挡墙背面排水，以消减水压力，提高墙体稳定性；土坡排水，减小孔隙压力，防止土坡失稳；隧道和廊道排水，以减轻渗水压力；软土地基排水，以加速土固结，提高地基承载力等等。传统的排水材料多采用强透水粒状材料，土工织物用作排水时兼起反滤作用，同时，不致因土体固结变形而失效，它具有施工简便，缩短工期，节约工程费用等优点。　二、典型应用(举例)　以下是堤坝工程中可以应用土工合成材料作为排水设施的一些常用场合。(1)堤坝体内烟囱式排水及下游排水褥垫层。　　(2)堤坝防渗土工膜下的排水、排气垫层。(3)

2、设于水力冲填坝中的孔压消散层。　(4)土堤下游坡的排水层。(5)挡墙及岸墙后的排水层。　(6)加速软基固结的排水带或排水板。　(7)冻胀区用于截断毛细水上升，防止冻害；干旱区防止毛细水上升造成盐碱化。三、设计要点　　土工合成材料用作排水体的设计方法与反滤层的基本相同。但由于在此项用途中，织物应有足够的平面排水能力以导走来水，所以要进行排水能力的校核。本节先介绍一般的排水设计方法，而后再就几种特殊情况，做些说明。　　(一)一般的排水设计　1.所需的基本资料　与反滤设计中要求的类似，应提供土体的物理力学特性，如土的分类、土的颗粒分析曲线、土的渗透系数等；有关地质、水文资料；来水量(或根据条件估

3、算)；土与水的化学成分等。　另外，应提供待选土工织物的厚度δ、等效孔径O95、水平渗透系数Kh、垂直渗透系数Kυ等。2.以反滤准则检验待选土工织物　用于排水的无纺土工织物首先应符合反滤准则，故待选材料应先按第一节中的三项准则逐一加以检验，如不合格，应更换其他合格材料。　3.排水能力校核这里我们先介绍一种反映土工织物透水性的指标。土工织物排水是依靠其平面渗透性，按照理论应该以其水平渗透系数Kh来表示。但是，由于织物埋在土内要受到一定的压力，其厚度δ要变薄，垂直渗透性和水平渗透性都将减小，为了回避可变的厚度δ，根据达西定理，推导出反应织物渗透性的另外两个指标：透水率导水率ψ=Kυ/δ=q/△h

4、Aθ=Khδ=q/i(2-8)(2-9)式中：q表示单位宽度的来水量；△h为土工织物上下两侧的水位差值；A为通过水流的面积；i为水流通过织物时的水力梯度。某种土工织物用作排水时是否合适，需要先计算两种导水率：一个是由需要排除的水量q(亦即来水量)计算得要求的导水率θr，另一个是根据所提供织物的指标算出的织物可提供的导水率θa，按以上所述，它们可以按式(2-10)及式(2-11)计算：θr=q/i}(2-10)θa=Khδ显然，合格的土工合成材料应该满足下式：θa≥Fsθr(2-11)式中：Fs是安全系数，一般应不小于3；q为来水量，可以借流网法或其他方法估算(可参考有关资料)。式(2-

5、11)如果得不到满足，可以更换厚一些的织物，或改用排水量大的其他排水土工合成材料。　　(二)烟囱式排水布置　　上游来水流到竖向排水体土工织物(图2-4)，将沿织物往下流，通过下游底部排水层导向堤外。　　这种情况下的计算与上述（一）中所述的基本相同，即先按流网估算进人烟囱式排水体的来水量q，由此按式(2-9)算出θr(其中的i＝sinβ)；其次由提供的土工织物指标，按式(2-10)算出θa；再由式(2-11)检验提供的织物是否合适。要注意的是流入织物的渗流量是由上而下累计增大的，如图2-4(b)，其底部流量最大，应该逐段验算。图2-4烟囱式排水计算图(a)堤坝横断面团；(b)土工织物内部渗流

6、示意图l—土工织物；2—浸润线(三)堤坝底部排水层　软基上堤坝底部铺设土工织物作为排水层的示意如图2-5。饱和软土地基在堤坝重力作用下将排水固结，排出的水量通过土工织物向两侧流走。　这种情况的排水计算较前述的稍复杂，因为它要涉及土的固结计算。这里不作详细介绍，仅写出以下公式作为参考。式(2-12)假设土工织物的最大承压力为地基中最大水压力的10％～15％，并根据单向固结理论推导得出：图2-5土堤底部排水示意图(2-12)式中：B为堤坝底宽；Ksυ是地基土的垂直向渗透系数；Cυ为土的固结系数，它是由地基土的固结试验求得的反映固结快慢的一个指标；t为筑堤的时间。　同样，可按式(2-11)检验所

7、采用的织物是否有足够的导水能力。(四)塑料排水带垂直排水设计在第一章中已简单介绍了塑料排水带的构造，它是由塑料排水芯材外包非织造土工织物(滤膜)构成的一种土工复合排水材料，在软土地基加固中应用广泛。这种材料是由早期的“排水砂井”演变而来。利用砂井加速软土地基固结的基本概念如下：假设有一处饱和软土地基，如图2-6(a)，在其表面施加外荷载(建筑物重量)，土中会产生超过静水压力的孔隙水压力，于是，土体中多余水分逐渐从排水面(