浅谈土工合成材料在黄河防汛抢险中的应用(一)

更新时间:2022-11-02 17:03:28 来源: 作者:苌生瑜 浏览175次 文字大小:

1  土工合成材料应用现状

1.1土工合成材料分类

土工合成材料品种繁多,防汛中应用最广的有下列数种:(1)土工织物,分为有纺土工织物和无纺土工织物两大类,由聚合物的聚丙烯(PP)、聚酯(PET)纤维或扁丝等织成或铺成,为透水材料。其中无纺织物有反滤、排水功能,可用作反滤层和排水层;有纺织物有反滤、隔离、加筋和包容等功能,可用作坡面护面下的垫层、缝制土袋、长管袋及软体排等。(2)土工膜,由聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等制成的基本不透水片材,与土工织物结合形成各种复合土工膜,可用作隔水层或挡水软体排。(3)土工网,由聚丙烯、高密度聚乙烯(HDPE)等压制成板后,再经冲孔,然后通过单向或双向拉伸而成的带长孔或方孔的、具有高拉伸强度和较高拉伸模量的加筋片材,它可以用于填土加筋。其他尚有土工格栅、土工加筋带等。

1.2土工合成材料的特点

土工合成材料的特点如下:(1)原材料来源丰富(石油、天然气的副产品),工厂制造,规格标准,质量可靠;(2)无需或减少挖土、伐木,保护生态,在缺料处更显优势;(3)质量轻,运输搬移方便;(4)材料有良好的反滤性能,柔性佳;(5)施工简便,需要的施工设备甚少;(6)体积小、重量轻,多数可以回收,便于存贮。

应用土工合成材料抢险可采用机械化作业,且抢险用料大为减少,从而可提高抢险速度。如采用泥浆泵充填面积750m的褥垫长管袋仅需1~1.5小时。且土工合成材料质地柔软,能与堤坡、坝垛或河底紧密结合,并能随河床断面的淘刷变化而自行调整其位置。随着基础冲刷下蛰,能很好地适应河床变形,能与不同地形的河岸(堤坡)较好地贴合,有利于保护堤防、坝垛基础下的河床土壤不被冲失,较好地发挥防冲护岸作用。

1.3土工合成材料的应用

土工合成材料之所以能够发挥防护作用,是因为它们在土与水流之间形成隔离层,避免水流直接冲刷,消减其能量。它们既能渗水,却又不让土粒被水流带走;或是直接封堵水流通道,消除冲蚀动力等。  

目前,土工合成材料在水利工程、环境工程、公路建设、港口建设、机场建设等领域均有应用,发展前景广阔。从以前黄河抢险的应用实例来看,土工合成材料制品抢险效果较好。黄河下游多数地区缺乏砂石反滤料,即使是砂石料丰富地区,往往因抢险条件限制,抢险材料不能及时运输到位,也不能从容施工。这类险情往往因抢护不及时,贻误抢险时机而酿成严重后果。应用土工合成反滤材料替代砂石反滤进行抢险,可大大减少运输量,赢得时间,争取抢险主动。

但是,土工合成材料是否适用于所有的防汛抢险工程中,还存在着争议。事实上,在防汛抢险工程的应用实践中,尤其是在1998年洪水的抢险中,由于各种因素和条件的影响,以致一些险情的抢护达不到预期效果,有的甚至导致抢险的失败,从而致使人们对土工合成材料能否适用于抢险产生了怀疑。为推动土工合成材料在工程抢险中的应用,除对应用技术进行深入研究外,还应对经济的合理性进行研究。

2  土工合成材料在防汛抢险中的应用

堤防、涵闸等各类建筑物的安全渡汛主要采取两个层次的措施:第一是防护,就是避免险情发生;第二是抢险,即一旦险情出现,要迅速采取有效措施消除险情。针对各种不同类型的险情,本文从以下几个方面进行论述,探讨土工合成材料在防汛抢险工程中的应用。

2.1前堵后排

前堵后排也称为上截下导,即在集中贯穿渗流处,找到上游的进水漏洞人口加以盖堵,再在下游的出水口处同时采用排渗或导渗措施。此种方法常用于管涌、漏洞及散浸等险情的处理。“前堵”是以土工膜或其它不透水材料制成的软体排等,沉入上游水下,截断可能集中渗流孔洞,制止集中渗流。“后排”要求在有控制的条件下拦截管涌出口处的细粒流失且不影响渗水溢出。

图1  土工膜截渗示意图

图2  土工织物反滤层示意图

传统的反滤层由砂砾石组成,其形成的等效孔径(按均匀的砂径1mm),可达0.2~0.3mm。这一孔径远大于常用无纺土工织物的等效孔径O95。无纺土工织物常用型号(也是目前我国生产厂家生产最多的)的等效孔径仅为0.1mm左右,远达不到传统砂石料反滤的孔径。可见,常用无纺土工织物的保土能力远高于传统砂石料反滤层。但这样就会带来一些同题。本来应该让一些粉粒、粘粒、粉细砂通过反滤层而流失,以保证反滤层的透水准则;而常用土工织物恰好将这部分细粒料保住,在土工织物前形成一层泥饼,使其排水作用达不到要求而失效。因而,在抢护管涌带出细粒料(粘粒、粉粒)时,要慎重选用土工织物,按等效于传统反滤料的孔径可选择孔径0.2~0.3mm左右的土工织物用于“前堵后排”措施抢险。同时允许一部分细粒料流失,使其下部土料形成自身反滤系统,达到新的平衡。

这样,对土工合成材料就存在一个设计反滤准则的问题,即将土工织物孔径和土壤特征粒径间的关系建立联系,依次来确定土工织物的最佳设计参数。要在土壤中建立反滤层,就需要土颗粒在织物的孔隙间形成拱架。然而,目前对土壤在渗流破坏或结构破坏状态下与织物界面的拱架结构和反滤特性研究得很少。实践证明,应用土工合成材料抢险时,要想达到排水减压的目的,就必须合理解决防淤堵问题。从无纺织物的反滤排水特征分析,无纺织物作为反滤材料应具有保土性、透水性和防堵性。由于大多织物滤层隐蔽于土中,所以很难观测评价其实际工况,但根据对堤坝背水坡脚排水系统运行的观察,效果往往很不理想,渗水很难透过织物滤层在织物下坡面产生接触冲刷。更不利的是织物遮住了流土或管涌的出口,不得已去除排水系统的织物滤层,甚至有的部门规定不用其作堤防的贴坡排水。从挖出的无纺织物看,迎水一面已形成泥面,受到不同程度堵塞。  

因此,各防汛管理单位有必要在充分调研自己防区内的土壤特征粒径的基础上,制造并储备适用于作为反滤层的专门土工织物,使土工织物更好地用于管涌、漏洞及散浸等抢险工程中。

2.2保土排渗

在水流从堤身、地基流向临空或由细粒土料流往粗粒土料处,须严防土粒随水流失,以保持土体结构稳定;同时要让水流顺畅流走以消减水流顶托力和土中孔隙水压力。此种方法也常用于管涌、漏洞及散浸等险情的处理。

若是土工合成材料的等效孔径过大,则粗颗粒土也会随水流流失,使得堤坝地基土层被掏空而失稳;若是等效孔径过小,则会发生淤堵现象,使得土工合成材料甚至失去排水功能。这里,应优先考虑土工织物的排水能力。因此,在充分调研自己防区内的土壤特征粒径后,根据设计反滤准则,制定最佳的等效孔径,进而制造并储备适合于各个防汛区内的土工织物,以备在险情发生时,尽快投入到抢险工程中并最大程度的发挥作用。

经验表明,若被保护土料为Cu<2或Cu>6的少黏性土或松散土体时,容易发生淤堵现象。因此,在满足保土性的条件下,应尽可能选用较大的孔径。如果按上述方法难以选定合适的土工合成材料时,可在土工合成材料与被保护土料间增铺一层砂料或秸料,以改善反滤效果。

2.3消能固本

大风浪或高流速时,注意采用适当的消能措施,减煞风浪的浪击能量和滞减流速,以部分消除外界破坏影响。尚应尽量保持堤身的稳定结构,如遭破坏,应采取削坡减载或帮戗以加固堤身。此种方法常用于洪水漫顶或风浪冲蚀等险情的处理。

由于土工织物有较高的抗拉强度,在土体中起到了加筋作用,不仅可以约束土体的应变,而且能够提高土体的综合变形模量,减小土体变形,改善土体的受力状况。根据改善后

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