土工合成材料在水利工程防渗中的应用

李延忠,吕 晓

(山东省泗水县水务局,山东泗水273200)

水利工程中的土坝体在水压和水流冲击作用下,容易形成各种渗流灾害,特别是在蚁穴鼠洞等动物侵袭条件下,以及各种植物根系的侵蚀作用下,渗流灾害更加严峻[1]。所以,采用土工合成材料的工程学意义在于实现有效阻水的同时,有效避免动物植物对坝体结构的侵袭作用[2]。

当前技术条件下的土工合成材料,在精筛三合土的基础上,融入石灰、粉煤灰等材料,降低坝体土壤肥力以避免植物滋生[3],适当增加针对蚂蚁、老鼠等打洞动物的驱逐效果,最终实现对坝体的有效保护[4]。同时该材料应该具有易夯实的特性,避免其自身致密度不足造成渗流损坏[5]。

该领域研究中,国外文献较为丰富,虽然土工合成材料在国内相关项目中的应用已经逐渐普及,但相关研究落后于国外同时期水平。该研究通过文献调查法,分析多个坝体土工合成材料的实际应用效果,研究土工合成材料的最佳成分构成[6]。

1 土工合成材料对坝体阻水性能的影响

相关研究中,土工合成材料由精筛三合土作为主材料,经过500 目筛精筛的经过预干燥和预粉碎的三合土颗粒,混合经过1500 目筛精筛的熟石灰颗粒,5000 目粉煤灰颗粒,使用5:2:1的混合比,经过初步夯实后,可以形成坝体的阻水体系[7]。

相关分析中,使用SPSS 大数据分析软件中的双变量t 校验进行数据比较分析,分析结果中的Value 值作为t 值,Log 值作为P 值,其 中:当t<10.000 时认为存在统计学差异,t 值越小,认为数据差异性越大,当P<0.05 时认为分析结果处于置信空间内,当P<0.01 时认为分析结果具有显著的统计学意义,且P 值越小,认为数据显著性越高。

与传统夯土坝体相比[8],该土工合成材料构成的三合土结构形成的阻水效果见表1[9]。

表1 土工合成材料的阻水性能Table 1 Water resistance of geosynthetics

表1 中,使用土工合成材料构建坝体主体结构后,渗流流量控制能力提升5.7 倍,防侵蚀能力提升5.1 倍,坝体水土流失控制能力提升6.1 倍,且所有比较数据存在t<10.000、P<0.01的显著统计学差异。足以证明,使用上述土工合成材料后,坝体的防渗能力得到显著提升。上述三项阻水性能的工程学意义分别为:

(1)渗流流量指坝体内的土层渗流带来的水流量,即坝体内侧的地表水穿透坝体向坝体外侧地下水的补给速度。该渗流是造成坝体内部结构损伤的主要作用来源。即有效控制坝体渗流流量,才可以实现坝体的免维护周期在容许范围内,如果渗流量增加,则坝体需要进行高密度探伤作业,从而保障坝体的稳定性[10]。

(2)重度侵蚀深度指坝体靠近内测地表水一侧形成的饱和水土混合体厚度,此时土层中达到水饱和状态,如果发生冲击水流,则极容易造成坝体水土流失。常见坝体内测布置的砌碹层,即是对饱和水土混合体的流失进行控制,减少水流对坝体的冲刷。控制重度侵蚀深度,可以有效控制坝体损伤程度[11]。

(3)水土流失量指坝体受到水流侵袭,造成坝体土层损失。相关研究中,加强坝体夯实程度、构建地表水一侧的砌碹层等措施,可以控制水流侵袭。该比较策略是在以上其他相关策略保持一致的前期条件下的水土流失量表达[12]。

该土工合成材料在上述三种比较项目中均表现出数倍的抵抗能力,其根本原因在于该土工合成材料的粒径较小,最大程度减少了内部裂隙,且粉煤灰和熟石灰等材料会在水侵袭条件下发生粘性膨胀,进一步稳固坝体。

2 工合成材料对生物侵袭的防范作用

土工合成材料对生物侵袭的防范作用主要为熟石灰和粉煤灰等掺入材料会有效破坏土壤的肥力,使植物种子无法有效发育,同时其生物毒性导致在其中打洞的蚂蚁、老鼠等动物无法健康生存而主动迁移,形成驱离效果。且该毒性不会对水体带来次生污染,较在坝体内进行化学灭虫除草,其生态安全性更高[13]。

同样采用SPSS 双变量t 校验法,比较分析采用土工合成材料前后坝体的生物侵袭发生程度,得到表2。

表2 土工合成材料的防生物侵袭能力(m)Table 2 Biological invasion resistance of geosynthetics (m)

表2 中,虫蛀洞穴指直径10mm 以下的生物侵袭洞穴,一般由蚂蚁等昆虫节肢动物、蜈蚣多足纲节肢动物、蚯蚓蚰蜒等软体动物钻洞筑穴而成,其中蚂蚁洞穴的深度最大,分支较多,对坝体的破坏程度最大。大型动物洞穴指直径10mm 以上的生物侵袭洞穴,包括鼠、兔等啮齿哺乳动物,蛇、青蛙、蜥蜴等两栖、爬行动物,泥鳅等鱼类在坝体内的钻洞筑穴结果[14]。草本植物和灌木间距也进行分别统计。比较发现,使用土工合成材料后,虫蛀洞穴间距增加25.3 倍,大型动物洞穴间距增加10.8倍,草本植物根系间距增加53.8 倍,灌木根系间距增加23.8 倍,且该比较数据t<10.000、P<0.01,具有显著统计学差异。可见使用土工合成材料后,坝体对生物侵袭的主动防范能力得到显著提升,进一步配合相关的除草和杀虫驱离工作,可以在更小的化学药物用量条件下实现更彻底的坝体生物侵袭防范工作。

生物侵袭是坝体应用过程中发生持续损伤的重要来源,所以参照相关文献数据[15],比较使用土工合成材料的新型坝体与传统坝体在全面有人介入维护的前提下,5年内的实际运行数据,得到图1。

图1 坝体渗流流量变化图Fig.1 Variation diagram of dam seepage flow

图1 中,传统技术实现的夯土坝体,在投运5 年内,水流量急剧增加,增加幅度超过3 倍,从2.35m3/h·m 飙升到7.84m3/h•m,而采用土工合成材料的新型坝体,在投运5 年内,虽然也发生了渗流流量的大幅度增加,但其增加幅度从最初的0.41m3/h•m 增加到0.92m3/h•m,增加幅度为2.2 倍。但第1 年传统坝体渗流量为新型坝体的5.7 倍,第5 年传统坝体渗流量为新型坝体的8.5 倍,二者之间仍然保持了较大差距且该差距发生了显著放大。其根本原因为使用合成土工材料的新型夯土坝体的生物侵袭防范作用,使得坝体中长期稳定性得到了显著提升。

3 土工合成材料在新型夯土坝体中的应用策略

首先,应革新施工工艺充分压缩土工合成材料应用中的施工成本。该文中采用土工合成材料构筑夯土坝体的工程实现策略,可以在中短期内有效控制坝体稳定性,具有较显著的工程价值。但其施工过程中,因为增加了较多的三合土及相关材料的精磨精筛过程,带来额外的台班成本和工时成本。即其可能带来坝体施工成本的大幅度增加。所以需要在后续研究中对采用土工合成材料的夯土坝体构筑工艺进行充分优化。开发相关专用机械设备或者实现土工合成材料的集中加工工艺,是实现该施工成本控制的重要策略。

其次,开发新型土工合成材料配方,进一步提升坝体稳定性控制效果。文中选用的土工合成材料配方为:500 目三合土精筛颗粒,1500 目熟石灰颗粒,5000 目粉煤灰颗粒,采用5:2:1的配比形成一种土工合成材料。但相关研究中也提出了多种其他土工合成材料配方,如增加熟石灰配比增加土工合成材料的碱性,增加粉煤灰配比增加土工合成材料的酸性。也有其他土工合成材料引入其他组分进一步优化土工合成材料性能,或增加注浆等工艺对夯土坝体进行加固处理。相关数据表明,采用各种土工合成材料配方条件下,均较传统三合土坝体有显著的稳定性提升作用,但各种土工合成材料之间的数据差异性并不显著。所以,进一步研究土工合成材料的配方,使土工合成材料在防渗流、防生物侵袭等方面有更佳表现,是未来对土工合成材料的重要提升方向。当前国内新建沿河土石坝、夯土坝或拦河土石坝、夯土坝时,土工合成材料已经成为首选工程实现方式,未来研究更多指向对土工合成材料本身性能的提升。

4 总结

对既有文献资料进行梳理汇总[16],采用了土工合成材料的坝体,其防渗能力得到显著提升,且中短期如5年内,坝体防渗能力也可以得到有效控制,同时,土工合成材料有效降低了坝体土层肥力,使得生物侵袭作用得到有效控制,坝体上的动物洞穴分布密度和植物根系密度得到显著控制,使得坝体在持续运行过程中的稳定性得到持续保障[17]。后续研究应在土工合成材料制备工艺方面进行持续优化,降低土工合成材料制备成本,同时研究土工合成材料的新型配方,使得土工合成材料本身的稳定性指标得到进一步提升。