科技论坛嚣 无纺土工织物作为某均质土坝反滤排水材料的试验研究 冯治刚［ｆ】吴杰旧杨中［”崔飞【１ｌ王桂生［１１ （１．中水淮河规划设计研究有限公司蚌埠２３３０００ ２．安徽省水利科学研究院蚌埠２３３０００） 【摘要】本文以筑坝土料和无纺土工织物为对象，按照相关试验规程，通过室内试验对无纺土工织物进行了相应的试验研究， 根据试验结果选择相应的土工无纺织物作为该土坝的反滤排水材料，可为类似工程提供一定的参考依据。 【关键词】试验研究无纺土工织物淤堵试验反滤排水 １ 引言 （２）淤堵试验内容 土工织物是一种应用较为广泛的岩土工程材料，它具有 淤堵试验在管涌仪中进行，试验装置见图１。根据不同 稳定性好、质量轻、造价低、便于运输和施工等优点，土工织 的土料，进行平行试验，每次试验均采用历时为６００～８００ｈ 物的价格比砂石反滤料要低廉得多，可以缩短工期３５％一 的渗透试验。试验中施加较大的水力坡降（Ｊ＝４０～５０）作用 ８０％，费用降低３０％一５０％，因此发展潜力大。同时，从功能 于“土＋布”系统上，定时测定系统渗透系数，直到渗透系数 上完全可以替代砂石反滤料。某工程为～等大（１）型工程，主 趋于一个稳定数值，即可停止试验。系统渗透系数与时间关 坝为１级建筑物，坝型为碾压式均质土坝，坝体总长８５４５ｍ， 系为：试验开始阶段，渗透系数变化较大，随着时间的推移， 平均坝高１２ １３ｍ，最大坝高２１ｍ。坝体上、下游护坡均采用 渗透系数逐渐趋于一个稳定值。 无纺土工织物滤层，反滤、排水的可靠性直接影响大坝的安 试验中将土料按图１所示次序装入试验仪器中，每类土 全，为确保工程安全，需对该土坝的无纺土工织物反滤、排水 料及土工织物分别做２—３组平行试验。试验完成后，将系统 设施进行专项试验研究，其目的是确定无纺土工织物反滤、 的土工织物和土料仔细地分离，再分别测出淤后土和织物的 排水的相关参数，以合理选用适当的无纺土工织物。 渗透系数，分别将淤前、淤后织物与土的渗透系数记为Ｋ 前、 ２土工织物反滤、排水试验 Ｋ±＿前、Ｋ布后、Ｋ上后，试验数据见表Ｉ、表２。通过对淤前、淤后渗 ２．１土料试验及土工织物试验 透系数的比较来评价织物与土的匹配关系的好坏。 根据土工试验相关规程，对Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ料场、坝基土、老 ３试验结果分析及织物选型 坝土、减压井６种土料进行相关土工试验，测定被保护土的 根据试验数据对试验结果从织物的保土性要求、透水 粒径级配和渗透系数。设计反滤层时，要对反滤层的透水性 性要求、抗淤堵性要求三方面进行综合分析，最终选定无纺 和保土性进行综合考虑，才能合理地选择土工织物滤层。对 于不同的保护对象，土工织物的选择标准是不相同的，必须 从被保护土的性质、粒径级配、渗透性等基本特性出发。根 据被保护土的渗透特性和粒径分布特征，参照相关规范，确 定土工织物的物理指标和力学性能指标。通过试验，其结 果为：拉伸强度２ ＞３ ＞１ ，撕裂强度２ ＞１ ＞３ ，圆球顶破强 度２＃＞ｌ ＞３ 。经综合比较放弃２ 土工织物，选取１ 、３ 土工 织物作进一步的淤堵试验。 ２．２水力作用下系统淤堵试验 （１）淤堵试验目的 淤堵试验一方面主要是验证在一定渗透力的作用下被 保护土是否会穿过织物大量流失而产生管涌；另一方面是 验证所选定的ｌ 、３ 两种无纺织物孔径是否会被土颗粒堵 塞而导致织物的透水性严重衰退而失去排水作用。通过淤 堵试验最终验证整个反滤系统性能的有效性和稳定性，确 出水 定所选织物与被保护土料匹配是否合理。 图１淤堵试验装置 ｌｌ科技论坛ｌｌ 表１ １ 布与土料淤堵试验前后土、布渗透系数 土料 平行试验 淤前（ｃｍ／ｓ） 淤后（ｃｍ／ｓ） 类别 组次 Ｋ Ｋ＿Ｌ＝ Ｋ Ｋ土后 Ｋ ／Ｋ Ｋ市后／Ｋ土后 １ １．６７Ｘ １０一 １．０４×１０一 １．６７×１０－５ １．６１ Ｂ料 ２．２６×１０＿５ ＞＞１０００ ２ ２．１８×１０一 １．７５×１０叫 ｉ．８９ｘ １０Ｉ’ １．２５ １ １．８８×１０ １．６０×１０— ５．１５×１０ １．１８ Ｃ料 １．２９×１０ ＞＞１０００ ２ １．８６×１０ １．３７×１Ｏ １．９１×１０ １．３６ １ １．６６×１０一’ １．３８×１０Ｉ１ ５．９０Ｘ １Ｏ １．２Ｏ ＢＣ料 ｆ ＞＞１０００ ２ ２．２８×１０ ２．２５×１Ｏ ４．１４×１Ｏ １．０１ Ｄ料 １ １．０５×１０ １．８５ Ｘ１Ｏ ０．６９×１Ｏ ２．６７×１０ １．５２ ＞＞１０００ ２ １．７２Ｘ １０ １．５９×１０Ｉ１ １．８５×１０ １．０８ Ｅ料 １ １．３５×１０一 ２．５４×１Ｏ－７ Ｏ．９５×１０ ９．９０×１０ １．４２ ＞＞１Ｏ０Ｏ ２ １．４７×１０一 １．５７×１０ ８．７Ｏ×１０一 ０．９４ １ １．２５×１０ １．０７×１０ １．５８×１Ｏ １．１７ ＤＥ料 ｝ ＞＞１０００ ２ １－３０×１０ １．２２×１０～ ２．１６×１０ １．４０ １ １．６５×１０－１ １．１４×１０ １．６０×１０ １．４５ 老坝土 ４．６４×１０ ＞＞１０００ ２ １．５６Ｘ １０一 １．４５×１０一 ２．１３×１Ｏ １．０８ １ １．３０×１０ ０．８８×１０ ４．０６×１０ １．４７ 坝料基 ２ １．５５×１０ ３．１３×１０ １．３６×１０一 ３．９６×１０ １．１４ ＞＞１０００ ３ １．５６×１０一 １．５２×１０ ４．６７ Ｘ１０ １．０３ 表２ 布与土料淤堵试验前后土、布渗透系数 土料 平行试验 淤前（ｃｍ／ｓ） 淤后（ｃｍ／ｓ） 类别 组次 Ｋ Ｋ ｉ Ｋ Ｋ± Ｋ市前／Ｋ布后 Ｋ布后／Ｋ土后 Ｂ料 １ ２．７９×１０一 ２．２６×１０ １＿３８×１Ｏ １．２６×１Ｏ ２．０２ ＞＞１０００ ２ １．９２×１０一 １．２２×１Ｏ １．４５×１０— １．５７ １ ２．６９×１０一 １．１５ｘ １０一 １．１８×１０－５ ２．３４ Ｃ料 １．２９Ｘ １０－５ ＞＞１０００ ２ １．９３×１０一 １．１５ Ｘ１０一 ７．８９×１０ １．６８ １ ３．４５×１０一 １．２８×１０ ８．５２×１０－６ ２．７０ ＢＣ料 ｝ ＞＞１０００ ２ ３．０３×１０ １．５３×１０ １．３２×１Ｏ １．９２ １ １．４１ Ｘ １０一’ １．２９×１０ ３３４×１０－５ １．０９ Ｄ料 １．８５×１０ ＞＞１０００ ２ １．２６×１０一 １．３１×１０一 ３．１６×１Ｏ ０．９６ Ｅ料 １ １．４７Ｘ １０一 ２．５４×１Ｏ １．４５×１０ ８．１３×１０ １．Ｏ１ ＞＞１０００ ２ １．８４Ｘ １０一 １．６８×１０一 ６．１２×１Ｏ １．１０ ＤＥ料 １ １．７９×１０一 ｛ １．６４×１０一 １．９７×１０ １．０９ ＞＞１０００ ２ １．３６×１０一 １－３７×１０ ２．３３×１０－６ ０．９９ １ １．５９×１０ ’ １．３２×１０ ２．９１×１０＿６ １．２０ 老坝土 ４．６４Ｘ １０ ＞＞１０００ ２ １．３１ Ｘ １０ １．０７×１０ ４．３１×１Ｏ＿６ １．２２ １ １．３０Ｘ １０一 １．３２×１Ｏ１ ４．９９Ｘ １Ｏ ０ ９８ 坝料基 ２ １．２４×１０一‘ ３．１３×１０ １．２８×１０Ｉ１ ５．３３Ｘ １０ ０．９７ ＞＞１０００ ３ １．５２×１０一 １．４３×１０一 ４．２３×１Ｏ １．Ｏ６ 土工织物类型。 式中：０ 广一土工织物的等效孔径（ｍｍ），即在土工织 ３．１保土性要求 物孑Ｌ径大小分部曲线上小于该孔径的含量为９５％； 根据被保护土的渗透性和粒径分布特征值，参照规 Ｄ ！厂一被保护土的特征粒径，即土中小于该粒 程，对土工织物提出如下控制指标： 径的土料质量占总质量的８５％（ｍｍ）； 无纺土工织物有效孔径０ 值为： Ｎ——随土的粒径和织物孑Ｌ径确定的系数。 ０％≤ｎｄ８５ 单纯从土料的颗粒分析试验结果来看，似乎可以认为 科技论坛｛ｌ 白莲崖水库泄洪隧洞 压模型设计 王久晟 （安徽省水利水资源重点实验室・安徽省水利科学研究院蚌埠２３３０００） 【摘要】水工泄水建筑物的空化水流模型试验须在重力相似和空化数相等的条件下进行，密闭的减压箱是为适应这种性质的 模型试验而修建的专门设备。本文介绍了白莲崖水库泄洪隧洞减压模型设计、试验设备、模型自动控制系统等内容。 【关键词】水库泄洪隧洞减压试验空化 大工作水头近１００ｍ。进口底槛高程１６０ｍ，布置平板事故门 和弧形工作门各一扇。在弧形工作门后，洞底沿Ｘ ＝３ＯＯｙ的 常压模型试验和原型一样，是在大气压力下进行的，模 型中的大气压力并未按比例降低，与大气压力相关的模型 压力实际上不是绝对压力。模型中实测的正压力可较准确 地换算成原型的压力；但当原型水流中出现的负压接近绝 对压力零点时，由于水的汽化作用，水流中将会产生空穴现 抛物线下降，后接Ｒ＝８０ｍ的反弧段组成的“龙抬头”曲线与 下部平洞段连接。泄洪隧洞平洞段全长８８．１８４ｍ，底坡为 ０．５％，截面为５．９ｍｘ ８．５ｍ（宽×高）的城门洞形。出口为明流 泄槽，泄槽末端采用挑流消能，全长３５ｍ。 象，导致建筑物的空蚀破坏。严重的负压、空穴及空蚀现象 由于常压模型中的空气压力未按比例降低，不能与原型相 近，因而必须在减压箱中按重力相似定律设计模型，在空化 ２试验任务和目的 通过减压模型试验，验证设计方案的空化空蚀状况，观 数等于原型的情况下进行试验。减压试验可以在减压箱和 循环水洞中进行，将模型安装在减压箱内，利用真空泵抽气 来调节和控制模型的空化数。 测水流初生空化现象和相应条件以及水流空化生成和消失 的演变过程，从而为下阶段施工设计提供依据；通过对泄洪 洞的减压模型试验，测定发生空化的部位和初生空化数、洞 底及侧墙沿线压力分布，提出防空蚀的措施。 １工程概况 白莲崖水库泄洪隧洞位于大坝左岸，由导流洞改建为 “龙抬头”式明流洞，全长２４４．７１ｌｍ；最大泄量８９９ｍ％，最 ３试验设备及模型概述 为保证空化现象在模型中重演，模型与原型空穴数相 所选择的１ 、３ 织物的等效孔径偏大，不满足保土性要求， 但进一步考虑土工织物的有效孔径是在无压条件下测定 的，而实际工程中，土工织物上有外压存在，承受外压后土 ４结语 （１）该工程于２００７年竣工，并经过２００７年淮河流域特 大洪水的考验，主坝防渗排水系统运行安全可靠，说明主坝 防渗排水系统中无纺土工织物的选择是非常成功的。 工织物厚度变薄，渗透性减小，孔径亦随之减小；同时颗粒 分析试验中外加分散剂，破坏了粘土的团粒结构，使得所测 （２）无纺土工织物具有质轻、坚硬、抗拉强度高、防冲等 优点，与筑坝土料紧密结合，能充分发挥其透水反滤整体性 强的作用。 （３）无纺土工织物替代传统的砂、碎石材料做反滤层，施 工期短、见效快、工程造价低；选择无纺土工织物做反滤排水， 应科学比较、因地制宜，特别注意施工区土质情况，带有尖角 的砾质、碎石施工地段一般不宜采用，以防刺破土工织物。 得ｄ 比团体存在的ｄ 小；另外，“土＋布”渗透系统在较 大水力坡降（＞４０～５０）作用下未见细颗粒流出，且土工织 物在淤前、淤后的渗透系数之比在０．９４—２．７０之间，所以， １ 、３ 织物满足保土性要求。 ３．２透水性要求 无纺土工织物在无压条件下的渗透系数值： Ｋ织＞（１０—１ｏｏ）Ｋ± （４）严把无纺土工织物的质量关，必须经过有资质测试 从表１、表２可知淤堵后Ｋ ／Ｋ± ＞ＭＯＯ０，满足无纺 机构的测试，试验合格后才投入使用。 （５）随机性孔隙随机分布于织物内部，在某一部位不会 全为孔洞或密不透风。无纺土工织物在反滤中主要起媒介 作用，使被保护土一定范围内形成颗粒由细到粗的天然反 滤结构；同时，土颗粒进入织物具有层次性，随着与土层距 离的增加，织物滞留的土颗粒会依次递减● 土工织物作为反滤结构的透水性要求。 ３．３抗淤堵性要求 从淤堵试验过程和表Ｉ、表２知，织物在淤堵前后的渗 透系数很接近，即１ 、３ 织物作Ｂ、ｃ、Ｄ、Ｅ料场土、坝基土、 老坝土的反滤料都不会发生淤堵。
