土工织物在堤坝防渗工程中的应用

陈志国

（辽宁省葫芦岛水文局，辽宁葫芦岛125000）

土工织物在堤坝防渗工程中的应用

陈志国

（辽宁省葫芦岛水文局，辽宁葫芦岛125000）

土工织物作为新型土工合成材料的一种，在土木工程基础建设特别是水利工程防渗建设中发挥着越来越重要的作用。研究土工织物材料特性，特别是其在堤坝防渗工程中的应用，为土工织物在水利工程中应用提供理论基础和研究依据。通过理论分析、现场试验研究以及工程实践，深入分析土工织物防渗性能，提出了防渗过程中的关键问题。结合云南省高梁地水库现场工程情况，对土工织物的防渗作用进行设计，提出了土工织物防渗材料的施工工序，并对土工织物的防渗效果进行了分析，指导类似的实际工程安全施工。

土工合成材料；土工织物；土工膜；堤坝防渗；防渗墙

引言

随着我国基础工程建设的迅速发展，特别是东部沿海、内陆湖泊等水利工程在基础工程建设中占据越来越重要的地位［1］。高水准高要求的水利工程建设对防渗要求越来越高，对防渗材料的性能要求越来越严格，传统的防渗材料已不能满足现代水利工程建设对防渗的要求，因此，亟需研究新型材料解决水利工程的防渗问题［2］。土工合成材料作为一种新型的土木工程材料，以其自身重量轻、材料强度高、耐腐蚀、运输方便和价格便宜等优点逐渐在土木工程建设中发挥重要作用。土工织物作为土工合成材料的一种，在水利工程抗渗等施工中使用较多［3］。其中，针刺无纺土工织物的特点孔隙率高，渗透性好，排水性能优越，防渗性能和排水性能良好，可以作为排水反滤设施被广泛应用在水利工程坝体防渗中［4］。因此，针对我国水利工程防渗要求，研究土工合成材料防渗特性及其工程应用具体问题，结合云南省高梁地水库现场施工技术，分析了土工织物在水利工程防渗中的主要作用，深入探究了其应用设计理念及施工技术，对加快新型土工材料的推广应用，提高水利工程建设过程中的经济和社会效益，具有重要的指导意义。

1土工织物防渗作用

1.1防渗材料

土工织物作为防渗材料，其优点为防渗效果很好、质轻价低、施工简单。在水利工程防渗施工中，完全可以替代传统的防渗材料进行施工［5-6］。

1.2防渗材料的工程应用

防渗材料在水利建设中常见的工程应用如下：①堤坝的防渗斜墙或心墙，②透水地基上堤坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙，③圬工坝、混凝土坝、碾压混凝土坝的防渗体，④渠道的衬砌防渗，⑤涵闸、海漫与护坦的防渗，⑥隧道和堤坝内埋管的防渗，⑦施工围堰的防渗［7］。

图1堤坝工程中的防渗作用

为了加快推广土工织物在水利防渗工程中的进一步应用，亟待解决的关键问题为：

（1）土工织物材质。土工织物的原材料有多种，应该根据当地的气候条件等进行适当选择。排水、排气问题，土工织物下有可能积气、积水，如不将它们排走，可能因受顶托而破坏。

（2）表面防护。聚合物制成的土工织物容易因日光紫外线照射而降解或破坏，故在储存、运输和施工等各个环节，都必须时时注意封盖遮阳，特别是在施工过程中，应尽量缩短其外露时间，原则上应随铺随用土覆盖［8］。

电液转向助力系统的特性曲线表达式为一个包含速度、方向盘转角(扭矩)、前轮气压和轴重等诸多因素的复杂非线性多元函数式.为了简化求解过程,在不影响分析结果的基础上,本文忽略次要的影响因素,只考虑2个主要变量:方向盘输入扭矩Td和速度v.全车速下助力特性曲线的函数表达式为

2土工织物工程应用

2.1工程概况

以某水库抗渗施工为例。在某水库大坝上游坝体发生滑动后，施工人员及时清理了滑坡体，并通过砌筑挡土墙对上游坝脚进行处理。但是，由于连续强降雨，水库坝体在原滑弧面产生二次滑动。根据现场的勘察和专家论证，一致认为产生滑坡的主要原因：筑坝材料的渗透性较差，多为褐红色粘性土夹碎石，在坝体施工过程中，忽略了排水管道和排水措施。第一次的滑动处理没有将基础修筑在地基岩（土）体上，直接导致了二次滑动时挡墙作用失效［9］。在现场采集原状土样进行室内试验，测得滑坡体土料的主要物理力学性质指标列于表1中。

表1滑坡体土样性能指标

2.2工程设计

2.2.1土工织物的选择

根据该滑坡体的特征，所选择的土工织物除满足强度高、密度大以外，还必须满足挡土准则、渗透性准则和淤堵准则。通过比较，选用湖南无纺布厂生产的针刺聚脂长丝无纺布，其物理性能指标见表2。

表2土工织物性能指标

2.2.2土工织物加筋层布置

（1）总加筋力确定。确定原滑动面所需的总加筋力Ts，按下式计算：式中：Ts—单位坡长所需加筋力的总和，作用点位于H/3，kN/m；Fsr—滑动处理后的安全系数，一般情况下取1.3；Fsv—滑动处理后的安全系数，一般情况下取0.91；Md—滑动圆心的滑动力矩之和，kN/m；D—Ts作用力臂，一般取D=R，m。

（2）加筋力分配。为保证土工织物在水利防渗工程中受力均匀，沿高度方向将总加筋力Ts进行3区划分，其中，底区Tz1=Ts/2；中区Tz2=Ts/3；顶区Tz3=Ts/6。代入有关数据得：Tz1=64.8kN/m；Tz2=43.2kN/m；Tz3=21.6kN/m。

（3）土工织物间距和层数确定。根据该工程特点，取底区、中区、顶区的高度分别为2、4、4.2m，根据承受拉力的不同确定不同区域的加筋层数和间距：

式中：Tr—该区每层土工织物承受的拉力，kN/m；Tz—传递到每区的总拉力，kN/m；N—施加的土工织物的层数。

代入数据得，地区层数为3.43层，取4层；同理可知：中区层数取4层（计算结果为3.3层）；顶区层数为2层（计算结果为1.15层）。底区、中区、顶区的间距分别为0.5、1.0、2.0m，如图2所示。

图2土工织物加筋断面图（　单位：cm）

（4）土工织物长度确定。要求的土工织物的下料长度按下式计算：

式中：L—土工织物下料总长度，m；La—滑坡面以内的长度，m；Le—锚固长度，m；Lu—锚固长度及转折长度之和，其中转折长度取1.5m，m；Ta—土工织物的容许拉力，一般情况下将抗拉强度的0.4倍作为其容许拉力；Fs—抗拔安全系数，取1.3；F—抗拔摩擦系数，取0.6tgφ；α—锚固范围内的非线性衰减系数，取0.6；σγ—土工织物加筋料上的垂直有效应力，kPa。

一般情况下，通过式（3）计算得到的Le往往偏小，取4m作为其设计长度［11-12］。作为加筋材料，各层土工织物的长度统计见表3。

表3各层土工织物加筋料长度m

2.2.3稳定性校核

稳定性校核主要考虑2个位置：其一为原滑弧面，由于每层土工织物提供的拉应力增加了滑体的抗滑力矩，采用瑞典条分法计算，其安全系数为2.06，大于1.3；其二为锚桩及抗滑桩底构成的圆弧面，是应力相对集中的位置，也是坝体中最危险的滑动面，通过稳定性计算，安全系数1.47，大于1.3，满足设计要求。

2.3施工工序

根据现场勘察及其施工情况，确定其施工工序如图3所示。

图3土工织物施工工序流程

2.4处理效果

为了从宏观角度对坡面位移进行观测，特制作200mm×200mm×10mm坚毅沉降板，其中心位置沿竖直方向焊接钢筋，其尺度为40cm，Φ20mm，并逐层布置。待施工一段时间后，将与前后的位移情况进行对比。经过一年半的水平位移观测，根据实测数据发现最大沉降量达到28mm，水平位移最大值为13mm，水库坝体的运行情况正常。因此，采用土工织物作为防渗材料应用于水利工程中具有较强的可行性，此外，施工成本节省30%，产生了良好的经济效益。

3结论

（1）土工织物材质和表面防护是堤坝防渗工程需要解决的关键性问题。避免因顶托作用致使土工织物在堤坝防渗过程中遭受破坏，在储存、运输和施工等各个环节，时时注意封盖遮阳，特别是在施工过程中，应尽量缩短其外露时间，做到随铺随用土覆盖。

（2）土工织物的选择除应根据该滑坡体的特征、高强度、大密度以外，还必须满足挡土准则、渗透性准则和淤堵准则；土工织物的防渗设计主要包括确定总加筋力、加筋力分配、确定土工织物间距和层数以及确定土工织物长度等方面。

（3）土工织物的堤坝防渗施工工序主要包括：清基及打抗滑桩、铺设织物、铺土及夯实、翻卷及锚固织物，通过对堤坝防渗进行土工织物的设计、施工和运行管理，取得了较好的堤坝防渗效果，对类似的水利工程防渗施工具有指导和借鉴意义。土工织物等新型土工合成材料的工程应用目前处于探索阶段，仍需要更进一步深入的研究。

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1008-1305（2016）03-0097-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.037

2016-04-02

陈志国（1963年—），男，工程师。