簡述土工合成材料在水利工程中的應用

簡述土工合成材料在水利工程中的應用何麗雅摘要：土工合成材料是巖土工程領(lǐng)域中一種新型的巖土工程材料,在各類工程中應用廣泛。本文以土工合成材料在水利工程中的應用為例，就土工合成材料的功能、分類、特性及工程實際應用概況進行了較詳細的闡述。關(guān)鍵詞：土工合成材料應用防護加固工程一、前言土工合成材料是一種新型的巖土工程材料。它以人工合成的聚合物,制成各種類型的產(chǎn)品,置于土體內(nèi)部、表面或各層土體之間,發(fā)揮加強或保護土體的作用。土工合成材料可分為土工織物、土工膜、特種土工合成材料和復合型土工合成材料等類型。土工材料是工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物,其出現(xiàn)已經(jīng)有100多年的歷史,但應用于土建工程則是20世紀30年代末才開始的。首先是將塑料薄膜作為防滲材料應用于水利工程。到20世紀50年代末,土工織物開始應用于海岸護坡工程。直到20世紀70年代末,隨著非織造型織物(俗稱無紡織物或無紡布)的應用,給土工織物帶來了新的生命,土工織物才以很快的速度發(fā)展起來,從而在巖土工程學科中形成一個重要的分支。1977年在法國巴黎舉行的第一屆國際土工織物會議上,J.P.Giroud把它命名為“土工織物”(Geotextile),并于1986年在維也納召開的第三屆國際土工織物會議上將它稱之為“巖土工程的一場革命”。從20世紀60年代中期到20世紀70年代末,有紡織物開始在我國應用于河道、涵閘及防治路基翻漿冒泥等工程;20世紀80年代初,無紡織物開始在鐵路工程上試用;20世紀80年代中期,土工織物才在我國的水利、鐵路、公路、軍工、港口、建筑、礦冶和電力等領(lǐng)域逐漸推廣應用。二、土工材料的種類和功能1、土工合成材料種類：土工合成材料（Geosynthetics）是一種新的巖土工程材料，它以人工合成的聚合物，如料、化纖、合成橡膠等為原料，制成各種類型的品，置于土體內(nèi)部、表面或各層土體之間，發(fā)揮強或保護土體的作用?！巴凉ず铣刹牧稀笔且桓爬ㄐ孕g(shù)語，標識很廣泛的產(chǎn)品，土工合成材可分為土工織物、土工膜、復合型土工合成材料和特種土工合成材料等類型。目前已廣泛應于水利、水電、公路、鐵路、建筑、海港、采礦、軍工等工程的各個領(lǐng)域。（1）土工織物。土工合成材料是以高分子聚合物等制成的新型建筑材料。目前大致可分為：①有紡土工織物；②針織土工織物；③無紡土工織物；④復合土工織物。（2）土工膜。它主要是由透水性低的聚合物、瀝青以及合成纖維和織物另加一定的填充料和外加劑制成的材料。它具有很好的防滲和防水性能及很強的抗變形能力和耐久性。它的厚度一般為0。25~7。5mm，它主要有以下優(yōu)點：①改進荷載分布狀況；②減少填料層厚度，并能滿足抗剪強度的要求；③限制土體的側(cè)向位移；④抗拉性能高，能避免產(chǎn)生裂縫；⑤增加土層剛度。（3）復合型土工合成材料。它包括土工格柵、土工網(wǎng)、超輕型土工合成材料、土工膜袋、土工墊、土工格室等。常用的特種土工合成材料為前3種。（4）特種土工合成材料。它由土工織物、土工薄膜和某些特種土工合成材料中兩種或兩種以上的材料互相組合而成，它可將不同構(gòu)成材料的性質(zhì)結(jié)合起來，滿足具體工程的需要。2、土木合成材料的功能：（1）隔離作用：將土工合成材料放在兩種不同的材料之間或同一材料不同粒經(jīng)之間以及土體表面與上部建筑結(jié)構(gòu)之間，使其隔離開來。當受外部荷載作用時，雖然材料受力相互擠壓，但由于土工合成材料在中間隔開，不使其互相混雜或流失，保持材料的整體結(jié)構(gòu)和功能。土工合成材料隔離作用己廣泛應用于鐵路、公路路基、土石壩工程、軟土基礎(chǔ)處理以及河道整治工程。（2）防護作用：土工合成材料可以起到分散應力的作用。也可由一種物體傳遞到另一物體，使應力分解，防止土體受外力作用破壞，從而起到對材料的防護作用。土工合成材料的防護作用分兩種情況：一是表面防護，即將土工合成材料放置于土體表面，保護土體不受外力影響、破壞：二是內(nèi)部接觸面保護，即將土工合成材料置于兩種材料之間，當一種材料受集中應力作用時，而不使另一種材料破壞。（3）濾層作用濾層作用是土工織物的主要功能，被廣泛地應用于水利、鐵路、公路、建筑等各項工程中，特別是水利工程中用作堤、壩基礎(chǔ)或邊坡反濾層已極為普遍。在沙石料緊缺地區(qū)，用土工合成材料做反濾層，更顯示出它的優(yōu)越性。因此通過把土工織物置于土體表面或相鄰土層之間，土中水分可以通過織物排同時織物可阻止土顆粒流失，以免造成土體失穩(wěn)（管涌），可代替砂、礫石等反濾層。（4）排水作用土工合成材料是良好的透水材料，無論是材料法向或水平向均具有較好的排水能力，能夠?qū)⑼馏w內(nèi)的水集聚到織物內(nèi)部，形成排水通道，排出土體。土工合成材料現(xiàn)己廣泛應用于土壩、路基、擋土墻建筑以及軟土基排水固結(jié)等方面。它與工程中的其他排水結(jié)構(gòu)充分配合，形成完善的排水體系，排除地下水、地表水和結(jié)構(gòu)中的多余水份。（5）加筋作用土工合成材料有較高的抗拉強度，將土工合成材料埋在土體中或路面結(jié)構(gòu)適當位置，可以分布土體或路面結(jié)構(gòu)應力、傳遞拉應力、限制其側(cè)向位移，增強它與土體或路結(jié)構(gòu)層材料之間的摩阻力，使土或路面結(jié)構(gòu)層———土工成材料復合體的強度提高，從而約束土體或路面結(jié)構(gòu)層的形，并抑制或減少土體的不均勻沉降，提高土體或路面結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定性具有加筋功能。（6）防滲作用土工膜和復合型土工合成材料，可以作為各種工程的防滲材料。土工合成材料用于某一項工程會發(fā)揮主次作用，如公路的碎石基層與地基之間鋪放織物，一般說，“隔離”是主要的，“濾層”和“加筋”是次要的，“排水”是不甚重要的設(shè)計者合考慮，如選用光滑的土工膜來隔離，則可能引起路基中孔隙水壓力升高，造成路基失穩(wěn)。弱地基上修路，“加筋可能起控制作用。三、土工合成材料在南水北調(diào)中線應急供水工程中的應用：1、工程概況南水北調(diào)京石段19標段樁號范圍為307+000～312+790.6，位于河北省曲陽縣境內(nèi)的支曹村、南杏樹村及辛莊村等附近，工程區(qū)為華北沖積平原，地形總體平坦，地面高程66.0～79.0m。本標段所在區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候區(qū)，四季分明，冬季天氣寒冷干燥，春季氣溫回升快，風速大，蒸發(fā)量大，天氣干燥少雨；夏季氣候溫濕多雨，為河北省的雨季；秋季降雨量較少。據(jù)渠段附近氣象站資料統(tǒng)計，多年平均氣溫12.3℃，極端最低氣溫-19.2℃，極端最高氣溫41.7℃。多年平均風速2.1m/s，最大風速20m/s。多年平均無霜凍期189天，最大凍土深度66cm，穩(wěn)定凍結(jié)初日最早為11月29日，開始解凍日期最晚為3月9日。多年平均降水量524mm。本渠段位于華北沖積平原，地形總體平坦。沿線范圍內(nèi)地面高程66.0m～79.0m。本渠段處于傾斜平原，其間夾河流地貌。本渠段地表全部被第四系地層覆蓋，揭露的地層為第四系沖洪積層及人工堆積物。巖性多為黃土狀壤土、黃土狀砂壤土、砂壤土、壤土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂、卵礫石；人工堆積(rQ)棄土、棄渣、人工堤防、路基等。本渠段所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元為三級構(gòu)造單元的太行山隆起的東部邊緣。主要區(qū)域斷裂構(gòu)造有望都—新樂斷裂、石家莊斷裂、井徑—長冶斷裂、元氏斷裂、柏鄉(xiāng)斷裂、衡水斷裂。本渠段地震動峰值加速度為0.05g渠段內(nèi)地下水的類型主要為孔隙水，主要賦存于第四系全新統(tǒng)的砂土及礫卵石含水層中。地下水埋深一般9.5m～15m，多屬潛水。地下水與地表水聯(lián)系緊密，具有較強或強的富水性和強透水性，部分具中等透水性。地下水對混凝土均無腐蝕性。渠段內(nèi)凍土為季節(jié)性凍土，凍土厚度0.62m～0.66m。2、土工織物應急處理技術(shù)渠道采用明渠設(shè)計，梯形斷面，型式為上口寬53.6～57.1m，底寬18～21m，邊坡1：2，渠深8.9m，坡面長20m。正常水深7m，加大水深7.384m。渠道底板結(jié)構(gòu)型式自下而上為：土基面、5cm粗砂墊層、2cm厚的保溫板、防滲復合土工膜、8cm厚混凝土面層；渠道襯砌混凝土面板全部采用4m×4m分縫設(shè)計，底板縱縫全部是通縫設(shè)置，橫縫依次為半縫、通縫、半縫……，交叉布置，縫寬統(tǒng)一為2cm，半縫深度統(tǒng)一為6cm，通縫深度底板8cm。由于特殊原因，渠道需提前臨時過水。由于時間緊迫，若按原設(shè)計施工將無法滿足過水要求。經(jīng)南水北調(diào)京石段指揮部及設(shè)計、監(jiān)理、施工單位四方會議研究決定，采取應急處理辦法，用無紡土工布結(jié)合混凝土錨固帶對開挖渠道進行防護加固處理，確保渠道按時供水。具體措施如下：2.1施工方案選用300g/m2無紡土工布（幅寬不小于6m），沿渠道縱向分別于坡腳及距上口1m處各設(shè)一道混凝土錨固帶，橫向間距30m；錨固帶截面尺寸30×30cm，采用C20一級配混凝土。2.2土工布的鋪設(shè)方法渠道大面積開挖完成后，采用人工開挖錨固槽，裝載機配合自卸車清運土方。土工布采用人工滾鋪，布面要平整，并適當留有變形余量。長絲或短絲土工布的安裝通常用搭接、縫合和焊接幾種方法。2.3土工布的縫合本工程采用專用縫紉機縫合。所有的縫合必須要連續(xù)進行（不允許點縫）。在重疊之前，土工布必須重疊最少150mm。最小縫針距離織邊（材料暴露的邊緣）至少是25mm。縫好的土工布接縫最少1行線鎖口鏈形縫法。用于縫合的線應為最小張力超過60N的樹脂材料，并有與土工布相當或超出的抗化學腐蝕能力。任何在縫好的土工布上的“漏針”必須在受到影響的地方重新縫接。必須采取相應的措施避免在安裝后，尖銳物質(zhì)進入土工布層。2.4錨固帶混凝土澆筑錨固帶為30×30cm、C20一級配混凝土，采用泵送法澆筑。泵管鋪設(shè)時應墊砂袋，泵管安裝、拆移、及抹面時應注意，防止對土工布造成破壞。3、土工布鋪設(shè)的基本要求3.1基層檢查：檢查基層是否平整、堅實，如有異物，應處理妥善。3.2試鋪:根據(jù)現(xiàn)場情況，確定土工布尺寸，裁剪后予以試鋪，裁剪尺寸應準確。3.3接縫須與坡面線正交，縫合時縫合線應平直，針腳應均勻。3.4在坡面上，對土工布的一端進行錨固，然后將卷材沿坡面放下以保證土工布保持拉緊的狀態(tài)。3.5所有的土工布鋪設(shè)時都須用砂袋壓住，砂袋將在鋪設(shè)期間使用并保留到錨固槽混凝土澆筑時。3.6縫合后應檢查土工布是否鋪設(shè)平整，是否存在缺陷。如存在不合要求的現(xiàn)象，應及時進行修補。四、結(jié)論通過采取應急方案，確保了本渠段在2008年9月28日（規(guī)定時間內(nèi)）成功通水。渠道過水后，經(jīng)聯(lián)合工作組沿線勘查，本渠段無水力沖刷破壞痕跡，渠坡未出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，渠道運行安全。并且本渠段還經(jīng)受住了08年嚴冬的考驗，開春解凍之后，聯(lián)合工作組再次對渠道沿線進行勘查，未發(fā)現(xiàn)土工布有凍裂破壞現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)明顯的冰排割裂損傷，渠道岸坡未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。本應急方案取得了圓滿成功。通過對土工合成材料在工程中應用的介紹,可得出如下意見:1)土工合成材料，尤其是新型的合成型材料,在工程中占有越來越重要地位。2)合成材料應用于邊坡表面防護,能夠提高邊坡的穩(wěn)定性和承載能