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水头压力及其加载路径对连续聚合土工膜渗透性能的影响陈 能基金项目:年高校优秀青年人才支持计划重点项目(编号)的成果之一收稿日期:作者简介:陈能()浙江温岭人 硕士 工程师 研究方向:工程建设领域检测技术研究:(台州市交通工程试验检测中心股份有限公司检测部 浙江台州)摘要:土工膜是一种重要的土工合成材料 在水利堤坝、灌渠、废料掩埋等工程领域有着大量的使用 相对其它土工合成材料而言 其功能定位更为专门 主要是在上述各类工程中发挥抗渗透作用 因此 对其渗透性能的测试和研究极具价值 文章以实验室渗透试验为基础探究了不同渗透压力下土工膜的渗透系数变化规律 又通过阶梯式加载卸载循环研究了渗透系数与压力加载路径之间的关系 结果发现:在不同的渗透压力下 土工膜的渗透系数变化主要有三种模式 即维持稳定、升高和降低 这与土工膜的表面结构完整性有关 此外 当表面存在缺陷或是遭受损伤后 土工膜的渗透性能随加载路径呈现出阶段变化 关键词:渗透性 压力 加载路径 土工膜 连续聚合物 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/土工膜是一种渗透性能十分有限的土工合成材料 形态呈薄膜状 主要用于堤坝、沟渠、路基、港口以及垃圾填埋场等各类岩土工程或是环境工程之中以控制部分液体以及气体的渗透迁移 相对于其它抗渗透材料 土工膜的抗渗透性更好、质量更轻、变形能力更强、施工更方便且价格更为低廉 目前大部分的土工膜 除部分特殊用途的土工膜外 基本都采用连续聚合的片状高分子材料制造而成 这类土工膜也称为连续聚合土工膜对土工膜而言 其功能定位相对其它土工材料更为专门化 而渗透性对其核心功能隔离和控制液体及气体流动极为重要 是评价其水力学性能中不可或缺的一项指标 现有的研究及应用中一般以垂直渗透试验的方法来评价土工膜的渗透性能 国内学者在此方面积累了一定的成果:崔中兴等总结对比了土工膜渗透测试中的各种方法对不同测试方法的优缺点做了系统总结 代春波、宫爱华等分别以理论及室内试验的方法探究了温度对土工膜渗透系数的影响 并就其工程应用给出了针对性意见 张光伟等以统计和室内试验的方式探究了测试仪器及制造缺陷对土工膜渗透性的影响 结果指出了柔性壁渗透仪的优越性及制造缺陷与渗透系数间的关联性 然而 这些研究都未对影响土工膜渗透系数变化的机理做出更进一步的阐述 对渗透试验中各类影响因素缺少进一步的确定性描述文章为改进这一现状 以室内垂直渗透实验的方式对连续聚合土工膜的渗透性影响因素做了初步探究 分析了水头压力及加载路径与渗透系数之间的联系 为土工膜的工程应用和室内检测提供了参考依据 连续聚合土工膜垂直渗透试验的设备及水力学表征 试验设备试验采用 型柔性壁渗透仪 其工作(总第 期)(.)年第 期 九江学院学报(自然科学版)()结构及工作原理如图 所示 与其它类型的渗透检测设备相比 柔性壁渗透仪有更好的密封性能改善实验过程中的侧壁渗漏状况 另外检测过程中的渗透压力也能实现精确控制图 柔性渗透仪结构示意图 试验结果的水力学表征一般用渗透系数来评价土工膜的渗透性能渗透系数是指单位水头压力下的单位渗流量 文章采用垂直渗透试验的方法来测定连续聚合土工膜的渗透系数 其计算定义如下:()()()()式中:为渗透系数 单位/为输送管的断面面积 单位 为渗流长度 单位 为试验开始和结束时的时间 单位 为流出管和流入管的水头 单位 为开始和结束时的气压 单位 连续聚合土工膜垂直渗透试验设计实验选取 组试样、分别在、的渗透压力下测定其渗透系数 为保证结果不受偶然因素干扰 每组试样以 个试件的平均结果作为该组的最终结果 此外 选取 组试样、同样每组 个用以进行应力路径测试 应力测试加载分三个步骤进行:首先 自 开始 以 为间隔逐级台阶式提高渗透压力至 然后 再以 为间隔逐级台阶式进行卸压 最后 以相同的方式重复第一步 进行二次加载 试验中所用的试样如图 所示 其部分物理参数由表 给出图 连续聚合土工膜试样图表 连续聚合土工膜基本物理参数项目测定值单位面积质量(/)厚度()顶破强力()实验结果及讨论 渗透压力不同渗透压力下连续聚合土工膜的渗透系数变化如图 所示图 渗透系数与渗透压力关系曲线从图 可以看出 随着渗透压力的升高土工膜的渗透系数发生了规律性变化 其变化模式主要有三种:()渗透系数基本稳定 如 两组所示()渗透系数与原来相比有所提高 如 所示()渗透系数与原来相比有所降低 如 所示通过进一步的测量与观察发现 渗透系数基本维持稳定的两组土工膜在单位质量、表面结构完整度、以及损伤磨损程度上都要优于其他两组这说明对于质量更好的连续聚合土工膜 其渗透系数基本维持稳定 不会受渗透压力的影响而变化太多 而土工膜的质量不佳或是遭受一定的损伤以后 其渗透系数会出现下降或是升高的变化而具体的变化趋势由土工膜改变后的表面结构形态所决定 加载路径第 期 陈能:水头压力及其加载路径对连续聚合土工膜渗透性能的影响 组和 组在加载路径不同时的渗透系数变化情况详见图()()图 渗透系数与渗透压力加载路径关系曲线从图 ()中可知 对于 组:其第一步骤中渗透系数基本维持稳定 第二步骤中渗透系数略有增长 最后的二次加载步骤中渗透系数先有一定程度上升 后来逐渐下降至稳定从图 ()中可知 对于 组:其第一步骤中渗透系数持续攀升直到第一步骤的加载完成第二步骤中渗透系数基本维持在第一步骤结束时的水平 第三步骤中渗透系数与 组中相似 都是先升高 而后逐渐降低 最终稳定 造成 组在第一步中渗透系数变化的主要原因是由于该组土工膜的厚度不均匀以及膜表面结构中存在缺陷这些缺陷这使得土工膜内部的渗流通道增多或是减少 而相应的渗透系数则升高或是降低 结论文章以连续聚合土工膜的垂直渗透室内试验为依据 通过分析实验数据探究了不同渗透压力以及不同加载路径下土工膜的渗透系数的变化所得结论如下:()土工膜的渗透系数随渗透压力的变化模式有三种:维持稳定、降低和升高 具体的变化模式受土工膜的质量影响 质量越好的土工膜其渗透系数越稳定()土工膜渗透系数对加载路径变化的响应与土工膜内部渗流通道的改变有关参考文献:吴大志 余璐.土工膜缺陷对堤坝渗流影响的试验研究.浙江理工大学学报(自然科学版)():.马兰英 许有兵.土工膜防渗技术在堤坝维护工程中的应用.内蒙古水利 ():.杨建革.土工膜在渠道衬砌中的应用.江西农业 ():.丁浩.膜防渗技术在路基施工中的应用探讨.建筑技术开发 ():.常斯嘉 张羽.防渗土工膜施工工艺在葡萄岛项目的应用.山西建筑 ():.杨坪 段明石.垃圾填埋场用土工膜褶皱研究现状.湖南文理学院学报(自然科学版)():.裴自学.聚乙烯土工膜专用料的研制.天津:天津大学.崔中兴 刘兰亭.土工膜渗透特性测试试验研究.西北水资源与水工程 ():.代春波 佟峰.复合土工膜复合温度与渗透系数试验研究.黑龙江水利科技 ():.宫爱华.复合土工膜复合温度与渗透系数试验研究.中国水力发电工程学会.全国第六届土工合成材料学术会议论文集.中国水力发电工程学会:中国水力发电工程学会 .(下转第 页)九江学院学报(自然科学版)年第 期 ().)/./.(责任编辑 王一诺)(上接第 页)张光伟.固体废弃物填埋场衬里的水力缺陷及愈合机制.兰州:兰州大学.张光伟 张虎元 杨博.复合土工膜渗透性能试验研究.水文地质工程地质 ():.张虎元 赵天宇 吴军荣 等.膨润土改性黄土衬里防渗性能室内测试与预测.岩土力学 ():.(.).(责任编辑 罗江龙)九江学院学报(自然科学版)年第 期