土工織物在堤壩防滲工程中的應(yīng)用

陳志國

（遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島125000）

土工織物在堤壩防滲工程中的應(yīng)用

陳志國

（遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島125000）

土工織物作為新型土工合成材料的一種，在土木工程基礎(chǔ)建設(shè)特別是水利工程防滲建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。研究土工織物材料特性，特別是其在堤壩防滲工程中的應(yīng)用，為土工織物在水利工程中應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和研究依據(jù)。通過理論分析、現(xiàn)場試驗研究以及工程實踐，深入分析土工織物防滲性能，提出了防滲過程中的關(guān)鍵問題。結(jié)合云南省高梁地水庫現(xiàn)場工程情況，對土工織物的防滲作用進行設(shè)計，提出了土工織物防滲材料的施工工序，并對土工織物的防滲效果進行了分析，指導(dǎo)類似的實際工程安全施工。

土工合成材料；土工織物；土工膜；堤壩防滲；防滲墻

引言

隨著我國基礎(chǔ)工程建設(shè)的迅速發(fā)展，特別是東部沿海、內(nèi)陸湖泊等水利工程在基礎(chǔ)工程建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位［1］。高水準(zhǔn)高要求的水利工程建設(shè)對防滲要求越來越高，對防滲材料的性能要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的防滲材料已不能滿足現(xiàn)代水利工程建設(shè)對防滲的要求，因此，亟需研究新型材料解決水利工程的防滲問題［2］。土工合成材料作為一種新型的土木工程材料，以其自身重量輕、材料強度高、耐腐蝕、運輸方便和價格便宜等優(yōu)點逐漸在土木工程建設(shè)中發(fā)揮重要作用。土工織物作為土工合成材料的一種，在水利工程抗?jié)B等施工中使用較多［3］。其中，針刺無紡?fù)凉た椢锏奶攸c孔隙率高，滲透性好，排水性能優(yōu)越，防滲性能和排水性能良好，可以作為排水反濾設(shè)施被廣泛應(yīng)用在水利工程壩體防滲中［4］。因此，針對我國水利工程防滲要求，研究土工合成材料防滲特性及其工程應(yīng)用具體問題，結(jié)合云南省高梁地水庫現(xiàn)場施工技術(shù)，分析了土工織物在水利工程防滲中的主要作用，深入探究了其應(yīng)用設(shè)計理念及施工技術(shù)，對加快新型土工材料的推廣應(yīng)用，提高水利工程建設(shè)過程中的經(jīng)濟和社會效益，具有重要的指導(dǎo)意義。

1土工織物防滲作用

1.1防滲材料

土工織物作為防滲材料，其優(yōu)點為防滲效果很好、質(zhì)輕價低、施工簡單。在水利工程防滲施工中，完全可以替代傳統(tǒng)的防滲材料進行施工［5-6］。

1.2防滲材料的工程應(yīng)用

防滲材料在水利建設(shè)中常見的工程應(yīng)用如下：①堤壩的防滲斜墻或心墻，②透水地基上堤壩的水平防滲鋪蓋和垂直防滲墻，③圬工壩、混凝土壩、碾壓混凝土壩的防滲體，④渠道的襯砌防滲，⑤涵閘、海漫與護坦的防滲，⑥隧道和堤壩內(nèi)埋管的防滲，⑦施工圍堰的防滲［7］。

圖1堤壩工程中的防滲作用

為了加快推廣土工織物在水利防滲工程中的進一步應(yīng)用，亟待解決的關(guān)鍵問題為：

（1）土工織物材質(zhì)。土工織物的原材料有多種，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件等進行適當(dāng)選擇。排水、排氣問題，土工織物下有可能積氣、積水，如不將它們排走，可能因受頂托而破壞。

（2）表面防護。聚合物制成的土工織物容易因日光紫外線照射而降解或破壞，故在儲存、運輸和施工等各個環(huán)節(jié)，都必須時時注意封蓋遮陽，特別是在施工過程中，應(yīng)盡量縮短其外露時間，原則上應(yīng)隨鋪隨用土覆蓋［8］。

電液轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的特性曲線表達式為一個包含速度、方向盤轉(zhuǎn)角(扭矩)、前輪氣壓和軸重等諸多因素的復(fù)雜非線性多元函數(shù)式.為了簡化求解過程,在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,本文忽略次要的影響因素,只考慮2個主要變量:方向盤輸入扭矩Td和速度v.全車速下助力特性曲線的函數(shù)表達式為

2土工織物工程應(yīng)用

2.1工程概況

以某水庫抗?jié)B施工為例。在某水庫大壩上游壩體發(fā)生滑動后，施工人員及時清理了滑坡體，并通過砌筑擋土墻對上游壩腳進行處理。但是，由于連續(xù)強降雨，水庫壩體在原滑弧面產(chǎn)生二次滑動。根據(jù)現(xiàn)場的勘察和專家論證，一致認(rèn)為產(chǎn)生滑坡的主要原因：筑壩材料的滲透性較差，多為褐紅色粘性土夾碎石，在壩體施工過程中，忽略了排水管道和排水措施。第一次的滑動處理沒有將基礎(chǔ)修筑在地基巖（土）體上，直接導(dǎo)致了二次滑動時擋墻作用失效［9］。在現(xiàn)場采集原狀土樣進行室內(nèi)試驗，測得滑坡體土料的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)列于表1中。

表1滑坡體土樣性能指標(biāo)

2.2工程設(shè)計

2.2.1土工織物的選擇

根據(jù)該滑坡體的特征，所選擇的土工織物除滿足強度高、密度大以外，還必須滿足擋土準(zhǔn)則、滲透性準(zhǔn)則和淤堵準(zhǔn)則。通過比較，選用湖南無紡布廠生產(chǎn)的針刺聚脂長絲無紡布，其物理性能指標(biāo)見表2。

表2土工織物性能指標(biāo)

2.2.2土工織物加筋層布置

（1）總加筋力確定。確定原滑動面所需的總加筋力Ts，按下式計算：式中：Ts—單位坡長所需加筋力的總和，作用點位于H/3，kN/m；Fsr—滑動處理后的安全系數(shù)，一般情況下取1.3；Fsv—滑動處理后的安全系數(shù)，一般情況下取0.91；Md—滑動圓心的滑動力矩之和，kN/m；D—Ts作用力臂，一般取D=R，m。

（2）加筋力分配。為保證土工織物在水利防滲工程中受力均勻，沿高度方向?qū)⒖偧咏盍s進行3區(qū)劃分，其中，底區(qū)Tz1=Ts/2；中區(qū)Tz2=Ts/3；頂區(qū)Tz3=Ts/6。代入有關(guān)數(shù)據(jù)得：Tz1=64.8kN/m；Tz2=43.2kN/m；Tz3=21.6kN/m。

（3）土工織物間距和層數(shù)確定。根據(jù)該工程特點，取底區(qū)、中區(qū)、頂區(qū)的高度分別為2、4、4.2m，根據(jù)承受拉力的不同確定不同區(qū)域的加筋層數(shù)和間距：

式中：Tr—該區(qū)每層土工織物承受的拉力，kN/m；Tz—傳遞到每區(qū)的總拉力，kN/m；N—施加的土工織物的層數(shù)。

代入數(shù)據(jù)得，地區(qū)層數(shù)為3.43層，取4層；同理可知：中區(qū)層數(shù)取4層（計算結(jié)果為3.3層）；頂區(qū)層數(shù)為2層（計算結(jié)果為1.15層）。底區(qū)、中區(qū)、頂區(qū)的間距分別為0.5、1.0、2.0m，如圖2所示。

圖2土工織物加筋斷面圖（　單位：cm）

（4）土工織物長度確定。要求的土工織物的下料長度按下式計算：

式中：L—土工織物下料總長度，m；La—滑坡面以內(nèi)的長度，m；Le—錨固長度，m；Lu—錨固長度及轉(zhuǎn)折長度之和，其中轉(zhuǎn)折長度取1.5m，m；Ta—土工織物的容許拉力，一般情況下將抗拉強度的0.4倍作為其容許拉力；Fs—抗拔安全系數(shù)，取1.3；F—抗拔摩擦系數(shù)，取0.6tgφ；α—錨固范圍內(nèi)的非線性衰減系數(shù)，取0.6；σγ—土工織物加筋料上的垂直有效應(yīng)力，kPa。

一般情況下，通過式（3）計算得到的Le往往偏小，取4m作為其設(shè)計長度［11-12］。作為加筋材料，各層土工織物的長度統(tǒng)計見表3。

表3各層土工織物加筋料長度m

2.2.3穩(wěn)定性校核

穩(wěn)定性校核主要考慮2個位置：其一為原滑弧面，由于每層土工織物提供的拉應(yīng)力增加了滑體的抗滑力矩，采用瑞典條分法計算，其安全系數(shù)為2.06，大于1.3；其二為錨樁及抗滑樁底構(gòu)成的圓弧面，是應(yīng)力相對集中的位置，也是壩體中最危險的滑動面，通過穩(wěn)定性計算，安全系數(shù)1.47，大于1.3，滿足設(shè)計要求。

2.3施工工序

根據(jù)現(xiàn)場勘察及其施工情況，確定其施工工序如圖3所示。

圖3土工織物施工工序流程

2.4處理效果

為了從宏觀角度對坡面位移進行觀測，特制作200mm×200mm×10mm堅毅沉降板，其中心位置沿豎直方向焊接鋼筋，其尺度為40cm，Φ20mm，并逐層布置。待施工一段時間后，將與前后的位移情況進行對比。經(jīng)過一年半的水平位移觀測，根據(jù)實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)最大沉降量達到28mm，水平位移最大值為13mm，水庫壩體的運行情況正常。因此，采用土工織物作為防滲材料應(yīng)用于水利工程中具有較強的可行性，此外，施工成本節(jié)省30%，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

3結(jié)論

（1）土工織物材質(zhì)和表面防護是堤壩防滲工程需要解決的關(guān)鍵性問題。避免因頂托作用致使土工織物在堤壩防滲過程中遭受破壞，在儲存、運輸和施工等各個環(huán)節(jié)，時時注意封蓋遮陽，特別是在施工過程中，應(yīng)盡量縮短其外露時間，做到隨鋪隨用土覆蓋。

（2）土工織物的選擇除應(yīng)根據(jù)該滑坡體的特征、高強度、大密度以外，還必須滿足擋土準(zhǔn)則、滲透性準(zhǔn)則和淤堵準(zhǔn)則；土工織物的防滲設(shè)計主要包括確定總加筋力、加筋力分配、確定土工織物間距和層數(shù)以及確定土工織物長度等方面。

（3）土工織物的堤壩防滲施工工序主要包括：清基及打抗滑樁、鋪設(shè)織物、鋪土及夯實、翻卷及錨固織物，通過對堤壩防滲進行土工織物的設(shè)計、施工和運行管理，取得了較好的堤壩防滲效果，對類似的水利工程防滲施工具有指導(dǎo)和借鑒意義。土工織物等新型土工合成材料的工程應(yīng)用目前處于探索階段，仍需要更進一步深入的研究。

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1008-1305（2016）03-0097-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.037

2016-04-02

陳志國（1963年—），男，工程師。