无纺土工织物作为某均质土坝反滤排水材料的试验研究

冯治刚吴 杰 杨 中崔 飞 王桂生

（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）

1 引言

土工织物是一种应用较为广泛的岩土工程材料，它具有稳定性好、质量轻、造价低、便于运输和施工等优点，土工织物的价格比砂石反滤料要低廉得多，可以缩短工期35%～80%，费用降低30%～50%，因此发展潜力大。同时，从功能上完全可以替代砂石反滤料。某工程为一等大（1）型工程，主坝为1级建筑物，坝型为碾压式均质土坝，坝体总长8545m，平均坝高12～13m，最大坝高21m。坝体上、下游护坡均采用无纺土工织物滤层，反滤、排水的可靠性直接影响大坝的安全，为确保工程安全，需对该土坝的无纺土工织物反滤、排水设施进行专项试验研究，其目的是确定无纺土工织物反滤、排水的相关参数，以合理选用适当的无纺土工织物。

2 土工织物反滤、排水试验

2.1 土料试验及土工织物试验

根据土工试验相关规程，对B、C、D、E料场、坝基土、老坝土、减压井6种土料进行相关土工试验，测定被保护土的粒径级配和渗透系数。设计反滤层时，要对反滤层的透水性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#>1#>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1#、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，确定所选织物与被保护土料匹配是否合理。

（2）淤堵试验内容

淤堵试验在管涌仪中进行，试验装置见图1。根据不同的土料，进行平行试验，每次试验均采用历时为600～800h的渗透试验。试验中施加较大的水力坡降（J=40～50）作用于“土+布”系统上，定时测定系统渗透系数，直到渗透系数趋于一个稳定数值，即可停止试验。系统渗透系数与时间关系为：试验开始阶段，渗透系数变化较大，随着时间的推移，渗透系数逐渐趋于一个稳定值。

试验中将土料按图1所示次序装入试验仪器中，每类土料及土工织物分别做2～3组平行试验。试验完成后，将系统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渗透系数，分别将淤前、淤后织物与土的渗透系数记为K布前、K土前、K布后、K土后，试验数据见表1、表2。通过对淤前、淤后渗透系数的比较来评价织物与土的匹配关系的好坏。

3 试验结果分析及织物选型

根据试验数据对试验结果从织物的保土性要求、透水性要求、抗淤堵性要求三方面进行综合分析，最终选定无纺土工织物类型。

表1 1#布与土料淤堵试验前后土、布渗透系数

表2 3#布与土料淤堵试验前后土、布渗透系数

3.1 保土性要求

根据被保护土的渗透性和粒径分布特征值，参照规程，对土工织物提出如下控制指标：

无纺土工织物有效孔径O95值为：

O95≤nd85

式中：O95——土工织物的等效孔径（mm），即在土工织物孔径大小分部曲线上小于该孔径的含量为95%；

D85——被保护土的特征粒径，即土中小于该粒径的土料质量占总质量的85%（mm）；

N——随土的粒径和织物孔径确定的系数。

单纯从土料的颗粒分析试验结果来看，似乎可以认为所选择的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，使得所测得d85比团体存在的d85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>（10～100）K土

从表1、表2可知淤堵后K布后/K土后>>1000，满足无纺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1、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。

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。

（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。

（4）严把无纺土工织物的质量关，必须经过有资质测试机构的测试，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