（岩土工程专业论文）土工合成材料渗透性能评价指标及测试方法研究.pdf

中文摘要 土工织物具有优良的排水、渗透和反滤功能，土工膜具有良好的抗渗功能， 二者被广泛应用于各种土木、水利工程中。土工织物的垂直渗透系数是衡量土工 材料渗透性的重要指标。然而，以垂直渗透系数评价，存在测量厚度的问题，厚 度在测试时难以测准，使得垂直渗透系数存在较大误差。另外，测试时必须保持 层流，因此层流的控制显得尤为重要。目前，土工织物的垂直渗透性测试中，存 在单层和多层测试两种，试样层数对试验结果是否有影响是人们关心的问题：压 力作用下的渗透系数较无压状态下的变化也是重要的；水平渗透性与上覆压力和 水力梯度的关系；有些工程需应用土工膜的透气性，其抗渗性以何种指标来评价 也是本文研究的问题。 本文针对以上问题，参考前人所做研究，通过设计织物透水性试验、电镜试 验，得出以下几点结论： 1 土工织物的垂直渗透性最好以透水率来评价，试验时建议初始水头为5 c m ， 并通过改变水头，绘制弘日曲线，确定层流范围。通过对同种非织造土工织 物不同层数的垂直渗透测试，结果表明垂直渗透系数随层数增加逐渐减小。 2 织物的垂直渗透系数和水平渗透系数都随压力增大而降低，且都小于无压状 态下的渗透系数，建议在重要工程中，测定压力状态下的渗透性能。 3 水平渗透测试时，根据实际情况选取上覆压力和水力梯度，并以导水率作为 评价指标。 4 以耐静水压力作为土工膜抗渗性评价指标：垃圾填埋场时，建议增加水蒸汽 透湿系数。 上述几个方面的研究成果，为土工合成材料的测试和生产厂家对产品透水性 的预测提供参考，并为土工合成材料测试规程的修改提供建议。 关键词：土工织物土工膜垂直渗透水平渗透透气性抗渗性耐静水压力 a b s t r a c t g e o t e x t i l e sh a v ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s i nd r a i n a g e ，w a t e rp e r m e a b i l i t y a n d f i l t e r a t i o n ，a n dg e o m e m b r a n e sw o r kv e r y w e l li nw a t e r - p r o o f b o t ho ft h e ma r e w i d e l vu s e di nav a r i e t yo fc i v i le n g i n e e r i n ga n dw a t e rc o n s e r v a n c yc o n s t r u c t l o n s v e r t i c a l p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n to fg e o t e x t i l e s i sa n i m p o r t a n t 1 n d i c a t o ro t p e 舯e a b i l i t y h o w e v e lw h e nu s i n gv e r t i c a lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，t h et h i c k n e s so f g e o t e x t i l e sm u s tb em e a s u r e d b u tt h et h i c k n e s si sd i f f i c u l tt ob e m e a s u r e da c c u r a t e l y , 锄dt h i sc a u s e sal a 唱ev a r i a t i o ni nv e r t i c a lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t i na d d i t i o n ，t h e t e s tr e s u i tm u s tb ep r o v i d e di nal a m i n a rf l o w , t h e r e f o r et h ec o n t r o lo f l a m i n a rf l o w1 s p a r t i c u l a r l yi m p o l r c a n t a tp r e s e n t , t h e r e l a l es e v e r a lk i n d so ft e s t i n gm e t h o d s t oo b t a l n g e o t e x t i l ev e r t i c a lp e r m e a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，s i n g l e l a y e rs p e c i m e nt e s t 粕d m u l t i 1 a y e rs p e c i m e n sa r eg e n e r a l l y u s e d s ot h ei n f l u e n c eo fl a y e rn u m b e r s o f s p e c i m e n sf o rt h e p e r m e a b i l i t yt e s ti sg r e a t l yc o n c e r n e d t h ep e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t u n d e rac e 确np r e s s u r eh a sg r e a t l yc h a n g e dc o m p a r e d t ot h ef r e e 。p r e s s u r es t a t e t h e l e v e lo fp e n n e a b i l i t yi nr e l a t i o n s h i pw i t ho v e r b u r d e np r e s s u r e ，a n dh y d r a u l i cg r a d l e n t i s t i l ei s s u eo ft h i sa r t i c l e i na d d i t i o n ，s o m ep r o j e c t s m a yr e q m r e t ou s et l a e p e n n e a b i l i t yo fw a t e rv a p o ro fg e o m e m b r a n e ，w h a t s h o u l db eu s e dt oi n d i c a t et h e g e o m e m b r a n ei m p e r m e a b i l i t yp e r f o r m a n c e i sd i s c u s s e d i nt h i sp 印e r ，a c c o r d i n gt op r e v i o u sr e s e a r c h ，p e r m e a b i l i t yt e s t o fw a t e ra n d e l e c t r o nm i c r o s c o p et e s ta r ed e s i g n e d ，a n ds e v e r a lc o n c l u s i o n st h u s a r ed m 啪a s f o l l o w s ： 1 i ti sb e t t e ru s i n gp e r m i t t i v i t y t oe v a l u a t ev e r t i c a lp e r m e a b i l i t y o fw a t e ro f g e o t e x t i l e s ；i n0 r d e rt oe n s u r el a m i n a rf l o w , t h ei n i t i a l h e a ds h o u l db e5 c m b y c h a n g i n gt h ew a t e rh e a d ，a n dt h e r e f o r ed r a w i n g v - hc u r v e ，t h es c o p eo fl 锄i n 缸 f l o wi sd e t e r n l i n e d ；t h ev e r t i c a lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n te x p e r i m e n t so nd i f f e r e n t l a t e rn u m b e ro fn o n w o v e ng e o t e x t i l e s i n d i c a t et h a tt h ev e r t i c a lp e r m e a b i l i t y c o e f f i c i tw i l id e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gl a y e r sn u m b e r o fs p e c i m e n s 2 t | 陀v e r t i c a l 锄dh o r i z o n t a lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to ff a b r i cd e c r e a s ew i t h t h e p r e s s u r ei n c r c a s e ，a n dt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tu n d e rp r e s s u r e i sl e s st h a nt t l a t w i t hn op r e s s u r e i ti sp r o p o s e dt h a tt h ep e r m e a b i l i t yu n d e rt h ep r e s s a r es h o u l d b e m e a s u r e di ni m p o r t a n tp r o j e c t s 3 i nh o r i z o n t a lp e r m e a b i l i t yt e s t ，ac e r t a i np r e s s u r ea n dh y d r a u l i cg r a d i e n ts h o u l db e 4 i n d i c a t e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o na n dt r a n s m i s s i v i t yi ss u g g e s t e dt ou s ea s e v a l u a t i o ni n d e x h y d r o s t a t i cp r e s s u r e r e s i s t a n te v a l u a t i o ni sr e c o m m e n d ea st h ei m p e r m e a b i l i t yo f g e o m e m b r a n e ；w h e nu s e di n t h el a n d f i l ls i t e ，i ti sp r o p o s e dt h a tp e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n to fw a t e rv a p o rs h o u l db et e s t e d t h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c hr e s u l t s ，m a yb eo f f e r e da sr e f e r e n c e sf o r e n g i n e e r i n gd e s i g na n dm a n u f a c t u r e rt e s to fg e o s y n t h e t i c s ，a n dc a na l s op r o v i d e s u g g e s t i o n sf o rt h em o d i f i c a t i o no fg e o s y n t h e t i c st e s t i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：g e o t e x t i l e s ，g e o m e m b r a n e s ，v e r t i c a lp e r m e a b i l i t y , h o r i z o n t a l p e r m e a b i l i t y , p e r m e a b i l i t yo fw a t e rv a p o r , i m p e r m e a b i l i t y , h y d r o s t a t i cr e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑7 又灵灵 签字同期： 嘶年6 月2 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：哥双，双 导师签名： 签字同期： 2d 萨占月2 同 签字同期：冲二月弓同 | 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 土工合成材料的发展 第一章绪论 1 1 1 土工合成材料的定义及分类 土工合成材料是应用于土木工程的合成材料产品的总称。它以人工合成的聚 合物，即塑料、化学纤维、合成橡胶为原料，制造成各种类型的产品，广泛用于 土体内部、表面或各层土体之间，发挥过滤、排水、隔离、加筋、防渗、防护等 作用。土工合成材料在早期曾被称为“土工织物”( g e o t e x t i l e ) 和“土工膜 ( g e o m e m b r a n e ) 。但随着一些新材料新产品不断涌现，例如土工格栅、土工网和 土工模袋等，原来的名称已不能准确地涵盖全部产品，这样，在其后的一段时期 内，把它们称之为“土工织物、土工膜和相关产品( r e l a t e dp r o d u c t s ) 。为此1 9 9 4 年在新加坡召开的第五届国际土工合成材料学术会议上，正式确定这类材料的名 称为“土工合成材料 ( g e o s y n t h e t i c s ) t 1 h 2 1 。 土工合成材料种类繁多，一般按功能和生产方法可分为土工织物、土工膜、 复合土工合成材料和特种土工合成材料等类型3 1 。土工合成材料广泛用于水利、 电力、公路、铁路、建筑、海港、采矿、机场、军工、环保等工程的各个领域。 r 机织( 含编织) 鸟造l 针织 厂土工织物r 针刺 lu 织划热粘结 il 化学粘结 l 土工膜 jr 复合土工膜 土工合成材料复合土工材料 复合土工织物 ll 复合防排水材料：排水带、排水管、防水排水 i 材料等 ir 土工格栅、土工带、土工格室、土工网、 灶工特种材料 土工模袋、土工网垫、土工织物膨润土垫( o s l ) l 聚苯乙烯板块( e p s ) 等 图1 1 土工合成材料的种类 - 1 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 土工合成材料的发展及工程应用 在中国，以天然植物纤维或将它与土、石等材料混合用于土木工程建设的历 史，可以追溯到五六千年前；在国外，3 0 0 0 多年前巴比伦人就曾用加筋技术修 建过塔庙。 关于土工合成材料的应用历史，可以追溯到2 0 世纪的5 0 年代。现已考证， 土力学的奠基者太沙基( k t e r z a g h i ) 当时用滤层布( 土工织物) 作为柔性结构 物结合水泥灌浆，封闭m i s s i o n 坝岩石坝肩与钢板桩间隙。在同一工程中，用池 垫( 土工膜) 防止上游粘土铺盖脱水。m i s s i o n 坝位于加拿大，现故己改称太沙 基坝。土工合成材料在我国的应用始于2 0 世纪6 0 年代，主要采用土工膜用于渠 道、水库和大坝的防渗防漏【4 】。7 0 年代后期，无纺织物、塑料排水带等新型产品 开始引入我国。8 0 年代，无纺织物在整治铁路路基、翻浆病害工程、水利、港 口、林农及围垦等4 0 余项工程应用中，取得了较好效果。1 9 9 8 年，长江、松花 江和嫩江流域发生了历史上的特大洪水，土工合成材料在防汛中发挥了独特的作 用，这给土工合成材料的发展带来前所未有的机遇，一批规范、规程相继颁布， 土工合成材料引起全国各行各业的极大兴趣。尤其是在水利水电建设部门，如三 峡水电站、秦山核电站、京杭大运河等工型5 1 。此后，土工合成材料工程协会与 水利部合作编写了土工合成材料试验规程s l t 2 3 5 19 9 9 ，这是我国第一本土 工合成材料材料工程应用的测试规程，这对我国土工合成材料按工程要求进行测 试，保证其工程应用的质量，起到了积极作用。 目前应用土工合成材料较多的工程有提防工程、道路工程、江河治理工程、 垃圾填埋场、有毒废弃物填埋场等。 1 1 3 土工合成材料的未来发展趋势 土工合成材料是一种极富生命力的新型岩土工程材料，其应用己渐趋成熟， 主要体现在：土工合成材料产品的多样化、使用日趋广泛、应用技术不断进步。 土工合成材料属一门综合性跨学科的科目，它涉及纺织、塑料、石化、岩土、水 利、土木建筑等专门学科，是近代新学科群的产物。其经济效益，社会效益都非 常显著，有很高的推广应用价值。今后我们要不断进行技术改造、革新，以此增 强企业科技创新能力，从而进一步的开发、应用土工合成材料，科学地、合理地、 有效地应用土工合成材料。 随着土工合成材料的应用日益广泛，土工合成材料的研究也日益深入，目前 已就土工合成材料的性能、工程测试、参数分析以及计算机分析等方面展开了研 究。土工研究土工合成材料力学性质、水力学性质、蠕变老化和其它功能，显著 天津大学硕士学位论文第一章绪论 提高了工程设计水平，这又反过来进一步促进了土工合成材料的应用。土工合成 材料在我国工程建设、防灾救灾和美化环境等多个方面正起着越来越多的作用， 展现了广阔的应用前景。 1 2 土工合成材料的功能特性 1 2 4 功能 土工合成材料为达到使用目的和要求，应具备一下六种功能： ( 1 ) 防渗功能( 也叫密封功能，形成不透水层)在水利工程中的储水和 输水建筑物，各种工业液体的存储均需防止水的大量渗漏，地下工程的建造( 隧 道和地下建筑等) 也都要防渗漏。在土工合成材料表明涂一层树脂或橡胶等防水 材料，现多用土工膜或复合土工膜。 ( 2 ) 加筋功能土工合成材料具有较高的拉伸强度和较大的破坏变形率， 以适当方式将其埋在土中作为加筋材料，可控制土的变形，增加土体稳定性。 ( 3 ) 隔离功能永久阻止两种材料混合，对两层具有不同物理性质( 如粒 径大小、密度等) 的土进行隔离，使两者不能掺混。 ( 4 ) 过滤功能土工织物置于土体表面或相邻土层之间，有效阻止土颗粒 通过，而水和气体可以自由排出，防止土中细颗粒被渗流潜蚀。 ( 5 ) 排水功能有些土工合成材料如织物是多孔隙透水介质，埋在土中可 以汇集水分，并将水排除土体。它们不仅可以沿垂直其平面的方向排水，也可以 沿其平面的方向排水，现已广泛应用于土坝、路基、挡土墙和软土地基的排水固 结。 ( 6 ) 保护功能对土体、水面或对土工膜的表面起防护作用，防止移动、 扩散、刺破等，主要用于河道整治、护岸、护堤工程，以及海岸防潮、道路坡面 防护等工程方面。 土工合成材料的六个功能不是绝对独立的，有时一种土工合成材料应用于某 一项工程中，同时具备上述几种功能。 1 2 5 特性 土工合成材料的突出优点有质量较轻，整体性强。抗拉强度高，可依据工程 所需设计和生产所要求的各种类型产品，施工方便。按其特性的类别可分为一下 4 类性能。 ( 1 ) 物理性能：单位面积的质量、厚度、空隙率、受热后的变化、孔径等。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 力学性能：机械性能( 如抗拉、刺破、项破、撕裂、耐冲击等) 、延 伸性、弹性和蠕变、与土体间的摩擦( 界面特征) 。 ( 3 ) 水力学：透水性或不透水性、淤堵情况。 ( 4 ) 耐久性：抗老化、耐腐蚀、霉变。 1 3 土工合成材料的水力学特性及重要性 在工程应用中，土工合成材料的物理力学指标与水力学指标是最重要的指 标，水力学指标中土工合成材料的渗透性能尤其重要。土工合成材料的水力学特 性的主要指标是各类土工织物和透水性能和土工膜的抗渗透性能。 土工织物的渗透性是过滤标准及其它有关水力学设计中一项不可缺少的重 要指标。根据工程的需要常要确定垂直于织物平面的渗透性和平行于织物平面的 渗透性，另外还包括土工膜的抗渗性。 1 3 1 垂直于织物平面的渗透性 土工织物起渗滤作用时，水流的方向垂直于织物平面，应用中要求土工织物 必须能阻止颗粒随水流流失；同时还要具有一定的透水性。 土工织物的渗透性主要是用渗透系数表示。渗透系数是在水力梯度等于l 时 的渗流速度，即： 屯：兰：罢 ( 1 1 ) 吒一i2 石 ( 1 1 ) 式中 岛l _ 渗透系数( c m s ) ； v 一渗透流速( c m s ) ； 卜土工织物的厚度( c m ) 卜渗流水力梯度； 出广- 土工织物上下游测压管水位差( e r a ) 土工织物的透水性还可用渗透率来表示。透水率是水位差等于l 时的渗透流 速，即 l f ，：三( l f ，2 a h 【1 - 2 ) 一水率( s 0 ) 从公式( 1 3 ) 和( 1 - 4 ) 可知透水率与渗透系数之间的关系： y ：冬 ( 1 3 ) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 土工织物的透水性能受多种因素影响，除取决于织物本身的材料、结构、孔 隙的大小和分布外，还与实际应用中织物平面所受的法向应力、水质、水温和水 中含气量等因素有关。 土工织物的垂直渗透系数约为8 l o 气5 1 0 c m s ，其中无纺织物的渗透系 数为4 1 0 - 35 1 0 c m s 。一般土工织物的透水率j i c ，为0 0 2 - 2 2 1 s 6 j 。 1 3 2 平行于织物平面的渗透性 土工织物用作排水材料时，水在织物内部沿织物平面方向流动。土工织物在 内部孔隙中输导水流的性能用沿织物平面的渗透系数或导水率表示。 沿织物平面的水平渗透系数定义为水力梯度等于1 时的渗透流速，即 k ：兰：兰(t1 - 4 ) = 一= 一 l fa h 式中 七r 沿织物平面的渗透系数( c m s ) ； ，一沿织物平面的渗透流速( c m s ) ； 卜渗流水力梯度； j ：r 土工织物上下游测压管水位差( c m ) ： 三一织物试样沿渗流方向的长度( c m ) 根据在一定时间内的输导水量，渗流速度v 用下式计算： y ：j 生( 1 5 ) t b 6 式中旷r 时间内沿织物平面输导的水量( c m 3 ) ； 卜测定输导水量的时间( s ) ； 州样宽度( c m ) ： 删样厚度( c m ) 。 土工织物输导水流的特性还可以用导水率来表示。导水率等于沿织物平面的 渗透系数与织物厚度的乘积1 7 口= t 万 ( 1 6 ) 式中卜导水率( c m 2 s ) 将公式( 1 5 ) 代入( 1 6 ) ，可得 口：旦( 1 7 ) i b 式中g 一沿织物平面输导的水流的流量( c m 3 s ) 因此，导水率是水力梯度等于1 时，单位宽度沿织物平面输导的流量。 土工织物的导水率和沿织物平面的渗透系数与织物的原材料、织物的结构有 天津大学硕士学位论文第一章绪论 关外，还与织物平面的法向应力、水流状态、水流方向与织物的经纬向夹角、水 的含气量和水的温度等有关。无纺织物的岛值大约在1 0 一1 0 一e m s 之间。 1 3 3 土工膜抗渗性 土工膜可以阻挡水、水汽、气体及有害物质( 如甲醇、丙酮和二甲苯等) 的 渗透。水力工程中主要用土工膜挡水，其渗透的动力为土工膜两侧的水头差。在 环境工程中，常可以阻挡水汽、气体及含有有害物质的地下水。对于气体渗流产 生的动力为膜两侧的水汽压差。 土工膜是一种薄型、连续、柔软的防渗材料，具有如下优点：防渗性能好( 可 减少渗漏损失达9 0 9 5 以上) ；适应变形的能力强；质量轻、用量少、 运输量小；耐腐蚀性能强；施工方便，工期短；工程造价低( 相当于混凝 土防渗的1 1 0 - 1 5 ；或为浆砌块石的1 1 0 - 1 4 ) 。但是，土工膜在施工、运行 管理中易刺破，影响防渗效果。 由于使用条件不同，引起渗流的原因不同，所以各类土工膜抗渗试验的仪器 设备和方法也不尽相同。目前主要有两种： l 水压力作用下的抗渗试验：如土工合成材料规程( s l t2 3 5 1 9 9 9 ) ，具 体方法将在后面详细介绍。 2 水汽渗透试验：水汽渗透试验是在试样两侧保持一定的蒸汽压差的条件 下，测量透过试样的蒸汽量，用以评价土工膜的渗透性。 1 4 选题意义、依据及主要工作 1 4 1 选题意义 原有的“土工合成材料测试规程 s l t2 3 5 。1 9 9 9 ，作为水利部行业标准于 1 9 9 9 颁布实施。该标准在实验室质量管理过程中起重要作用。 在工程应用中，土工合成材料的物理力学指标与水力学指标是最重要的指 标，水力学指标中土工织物的渗透性能尤其重要。因此，土工合成材料渗透性的 测试方法在工程设计及检测中占有很重要的地位。主要体现在以下方面： 1 土工织物用作反滤材料时，如地基固结排水、墙背排水、护岸工程、堤 坝背水坡的贴坡排水等，水流方向垂直于织物平面，土工织物需要挡土排水。 2 土工织物用作排水材料时，如道路路边排水、挡土墙和防渗心墙后的排 水等，水流方向沿着织物平面，织物起着导水作用。 3 土工膜用于垃圾填埋场中时具有阻水透气作用。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 上述几个方面中，都是应用土工合成材料的渗透性能，因此，其渗透性能的 测试需要有统一的标准。本课题将对国内外土工织物渗透性能的测定方法进行研 究，以期获得更为合理规范的渗透性测试方法。 1 4 2 依据 目前各实验室根据该标准的检测方法对土工合成材料进行质量检测。它能统 一和规范检测方法，并能保证检测数据的准确与一致性，具有显著的社会与工程 效益。该标准制订多年，使用中发现一些问题，如某些检测方法操作不方便、有 些步骤不合理，需要进行修订；同时由于新的检测技术使用，对老的检测方法及 步骤需加以改进完善；随着工程建设的不断发展，新材料的不断出现，需要增加 一些工程中开始应用的性能指标的检测方法。 应用土工合成材料测试规程检测土工合成材料的渗透性时，存在一些问题： 评价指标究竟是以渗透系数还是透水率、试验要求水头、试样层数、有无压力； 平面渗透测试中水力梯度和上覆压力的确定等；土工膜测试中的评价指标，如渗 透系数、耐静水压力、水蒸汽透湿系数等。另外，渗透性能的测试标准国内外各 个标准相差很大，也没有针对渗透仪性能检测的统一定型设备，所提供的检测结 果也有较大差异，既不利于产品的优劣比较，也不利于生产厂家针对该指标提高 质量的要求，在使用过程中会给有关各方带来许多困惑。本文根据各国关于土工 合成材料渗透性能测试标准以及在实际中的应用情况，得到较适合的测试方法。 1 4 3 主要工作 土工织物的渗透系数是评价土工织物使用效能的重要指标，影响其渗透性的 因素十分复杂，主要有：试样面积的大小、织物本身的性质、织物的结构类型及 孔隙分布、织物平面上的法向应力、水位差、水温、水中气泡含量和测试仪器的 性能等。另外，由渗透系数的公式可知，渗透系数与土工织物本身的厚度有关， 土工织物的厚度随法向压力而变化，其测量误差将影响水力梯度及渗透系数的精 度。达西定律仅适用于层流状态，实际上当水力坡降大于某一数值后，流态将由 层流转变为紊流，达西定律不再适用。 本文针对土工合成材料水力学性能中的渗透性进行研究，按照一下几步进 行： ( 1 ) 了解从事土工合成材料检测的我国相关单位使用s l t2 3 5 1 9 9 9 标准情 况，掌握在使用过程中出现的问题； ( 2 ) 收集国外相关现行标准加以比对； ( 3 ) 分析国内外各渗透性测试方法的优劣； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 了解目前国内使用新型合成材料检测仪器对s l t2 3 5 1 9 9 9 标准的适用 性。 ( 5 ) 找出适合的土工合成材料渗透性评价指标及测试方法。 具体内容包括： ( 1 ) 确定垂直渗透性能的评价指标，通过试验数据分析得出垂直渗透性能 评价指标的取值； ( 2 ) 确定垂直渗透试验所用的最合理的水头差； ( 3 ) 分析影响垂直渗透系数的各因素( 主要包括试样层数以及实际应用中 不同荷载的影响) ：垂直渗透系数随试样层数和压力的变化规律； ( 4 ) 水平渗透性能分析：确定评价指标( 水平渗透系数或者导水率) 以及 不同压力和水力梯度下的水平渗透系数或导水率的变化； ( 5 ) 确定土工膜抗渗性指标以耐静水压力和水蒸气透湿系数哪一个评价更 为合理，因为土工膜本身属于抗渗性材料，若以渗透系数评价，短时间内往往很 难测得其渗透系数，在应用中通常由于顶破或刺破而发生破坏，从而失去防水能 力，所以以渗透系数评价其渗透性不合理。 天津大学硕士学位论文第二章垂直渗透性能测试方法研究 第二章垂直渗透性能测试方法研究 2 1 国内外垂直渗透测试方法 2 1 1i s o 无负荷时垂直渗透特性测定8 】 该标准适用于何种类型的土工布，但不适用于含有膜类材料的复合土工布。 流速指数( v i h 5 0 ) ：试样两侧水头差为5 0 m m 时的流速，精确到l m m s 。 一恒水头法 原理： 在系列恒定水头下，测定水流垂直通过单层、无法向荷载的土工布及其相关 产品的流速指数及其他渗透特性。 仪器： 1 仪器夹持试样处的内径至少为5 0 m m ，并满足下列要求： a ) 可以设置的最大水头为7 0 m m ，并在试验期间可以在试样的两侧保持恒 定的水头。要有达到2 5 0 m m 的恒定水头的能力。仪器示例见图2 1 a ) 水平式 b ) 立式 l 进水；2 一出水收集；3 试样；4 一水头差( h ) 图2 1 恒水头法渗透仪器示例 c ) 开放式 b ) 仪器夹持试样处的平均内径尺寸应已知，并至少精确到0 1 m m 。试样过 水外径应同仪器夹持试样处的内径相同。在试样两侧，仪器的内径至少应在2 倍 内径范围内保持恒定( 见图2 1 a 和2 1 b ) ，避免直径的突然变化。 或者( 见图2 1 c ) ，水流可以充入直径至少为试样外径4 倍的水槽中。在这 天津大学硕士学位论文第二章垂直渗透性能测试方法研究 种情况下，从土工布到水槽底部的距离至少为试样外径的1 5 倍。 如果产品有明显的图案，则这种图案在试样直径范围内至少重复3 次。 c ) 如有必要，为避免试样明显变形，要使用直径为l m m 的金属丝网格和( 1 0 1 ) m m 尺寸的筛网放置在试样的下面，以在试验期间支撑试样。 d ) 当仪器中无试样但有试样支撑网格时，在任何流速测定的水头差必须小 于l m m 。 2 水的供给、质量和调湿： a ) 水温宜在1 8 2 2 。 注：由于温度校正只同层流相关，如果流动状态为非层流，工作水温宣尽量接近2 0 1 2 ， 以较少同不适当的修正系数有关的而不准确性。 b ) 由于试样处会截留气泡而影响试验，水不能直接从主给水处直接进入仪 器。水最好经过消泡处理或者从静止水槽中引入。水不宜连续重复使用。 c ) 水中的溶解氧不得超过1 0 m g k g 。溶解氧含量的测定在水进入仪器处实 施。 d ) 如果水中有肉眼可见的固体悬浮物，或者固体积聚于试样上或试样内而 使流量随时间减少，要对水进行过滤处理。 3 秒表，精确到0 1 s ； 4 温度计，精确到0 2 ； 5 量筒，测定水的体积，精确到l o c m 3 如果直接测量流速，测量表要校正 准确到其读数的5 ； 6 水头的读数精确到0 2 m m 。 试验步骤： a ) 在实验室温度下，试样置于含湿润剂的水中，轻轻搅动以驱走空气，至 少浸泡1 2 h 。湿润剂采用体积分数为o 1 的烷基苯磺酸钠。 b ) 将1 个试样安装于仪器内，并使所有连接点不漏水。 c ) 向仪器注水，直到试样两侧达到5 0 m m 的水头差。关掉供水，如果试样 两侧的水头在5 m i n 内不能平衡，查找仪器中是否有隐藏的空气，重新实施本程 序。若水头在5 m i n 内还不能平衡，则需要在报告中注明。 d ) 调整水流，使水头差达到( 7 0 5 m m ) ，记录此值，精确到l m m 。待水 头稳定至少3 0 s 后，在固定的时间内，用量杯收集通过试样的水量，水的体积精 确到l o c m 3 ，时间精确到1 秒。收集水量至少1 0 0 0 m l ，或收集时间至少3 0 s 。 如果使用流量计，宜设置能给出水头差约7 0 m m 的最大流速，读取至少间隔 l5 s 的三个连续值，取平均值。 e ) 分别在最大水头差的约0 8 、0 6 、0 4 和0 2 倍时，重复d ) 步骤，从最 天津大学硕士学位论文第二章垂直渗透性能测试方法研究 高流速开始，到最低流速结束。如果使用流量计，适用同样的原则。 注；如果土工布及其相关产品的总体渗透性能已经预先确定，则为了控制材料的质量， 只需测定5 0 m m 水头差时的流速指数。 f ) 记录水温，精确到o 2 。 g ) 对余下的试样，重复步骤b ) 到f ) 。 计算及成果的表达： a ) 计算流速v 2 d ( m s ) ( 2 0 时的流速) ，公式如下： v 2 0 ：堡 ( 2 一- 1 )v = 2llj 彳f 式中 卜所测得的水的体积( m 3 ) ； r 厂屯0 水温校正系数； 卜水温( ) ： 彳试样过水面积( m 2 ) ； 卜达到水的体积v 的时间( s ) 。 当流速直接测定时，则： v 2 02 v r 吩 ( 2 2 ) 注：单位为m m s 的流速v 2 0 同单位为l ( m 2 s ) 的流量q 相等。 计算每个试样在每个水头差日下的流速v 2 0 。 用水头差日对流速 l ，加作曲线，按照下述对每个试样通过原点选择最佳拟合 曲线，可以使用计算法或者图解法。在一张图上绘制5 个试样的，坍曲线。( 对 于控制材料质量的目的，只需测定5 0 m m 水头差的流速值。) b ) 计算5 块试样5 0 m m 水头或其他水头差的平均流速指数值及其变异系数。 附1 ： 水头差和流速之间的关系 水头差h 和流速v 之间的关系一般可用二次函数表示： h = a v + b v 2 一 ( 2 3 ) 使用如下试验数据1 ，和何可以确定通过原点的最佳拟合二次曲线，如图2 - 2 所示，从该 曲线上可以确定水头差为5 0 m m 的流速。 表2 1 温度校正后流速v 和水头差日的试验数据 v2d(mms)hmm 1 9 72 0 o 2 8 - 33 0 1 3 5 34 0 0 4 1 95 0 o 4 6 86 0 o 天津大学硕士学位论文 第二章垂直渗透性能测试方法研究 二降水头法 原理：同恒水头试验 仪器： 渗透仪器由两个互相连通竖直 圆筒构成，圆筒的直径相等，直接最 少为5 0 m m 并符合下列要求： a ) 仪器至少要能达到2 5 0 m m 的水头。 注：为达到至少5 0 m m 的水头，建议 从更高的水头开始，因为开始时记录的水 头值不能用来计算。 藐逢v f = w s ) 图2 - 2v 2 0 ，h 二次拟合曲线 b ) 仪器平均内径尺寸应已知，并至少精确到o 1 m m 。试样过水外径应同仪 器的内径相同。在试样两侧，仪器的内径至少应在2 倍内径范围内保持恒定。在 水头变化范围内，直径要保持恒定。应避免直径的突然变化。 c ) 如有必要，为避免试样明显变形，要使用直径为l m m 的金属丝网格和0 0 1 ) m m 尺寸的筛网放置在试样的下面，以在试验期间支撑试样。 d ) 当仪器中无试样但有试样支撑网格时，在任何流速测定的水头差必须小 于l m m 。 e ) 连接两个竖直圆筒的连通管的直径至少为圆筒直径的4 0 。如果使用重 力传感器法，应使用柔性连接。仪器示例见图2 3 。 l - 模拟记录仪或计算机；2 - 重力传感器；3 试验开始时的水平面差；4 释放阀；5 试样；6 支撑网格； 7 - 主阀；8 - 柔性连接管；9 - 刚性连接管：l o 压力计 图2 3 降水头法渗透仪器示例 水的供给、质量和调温：同恒水头法。 水头变化测定装置，应能记录水头随时间的变化，水头精确到0 2 m m 。 注1 ：测定装置可以： 天津大学硕士学位论文 第二章垂直渗透性能测试方法研究 a ) 测定竖筒中重量的变化( 精确到l g ) ； b ) 测定水压的变化( 精确到1 p a ) ； c ) 用光学法( 使用数字化视频设备读数) 或超声波法测定水平面的变化。 注2 ：建议自始至终使用模拟记录仪或计算机对连续的数据读数进行记录。 温度计精确到0 2 。 试验步骤： 步骤a ) c ) 同恒水头试验； d ) 关闭阀门。向仪器的降水筒注水，直到当阀门全开后可利用的水头差达 到至少2 5 0 m m 。 e ) 记录水温，精确到0 2 。 f ) 开启本方法的所用的全部仪器( 见注2 ) ，打开阀门。 e ) 当水头差和流速回零时，试验终止。 注：对于高渗透试样，由于惯性影响，在v = 0m s 时的水平面高度可能不相等。在这种 情况下，同v = 0m s 对应的水平面高度可以取作参考高度，以计算水头差。 f ) 对其余的每个试样，重复b ) 一e ) 进行试验。 计算及结果表达： a ) 在模拟图或计算机数据中间选择水平面区间，按下式计算2 0 时的流速： l y 2 。：竽弓( 2 - 4 ) j 式中： 卜时间间隔内高水平面玩和低水平面厅之差( m ) ； 卜嘞“和h ，之间的时间间隔( s ) ； r 厂- 2 0 水温的修正系数。 水头差h ( m ) 由公式( 2 5 ) 给出 h = 吃+ 啊一2 1 0 ( 2 - 5 ) 式中： 押= 0m s 时的水平面高度； h 。和厅，计算所依据的上下水平面高度。 注：单位为m m s 的流速 v 2 0 同单位为l ( m 2 s ) 的流量q 相等。 b ) 对五个试样中的每个试样，在每个曲线上至少5 点对每个水头差日分别 计算流速v 。 注：计算水头下降曲线时，建议时间间隔为实施试验的总时间的1 5 至1 1 0 。 参照i s o 无负荷时垂直渗透特性测定附l 嘲，用计算或图解法，对每个试样，用水头差 日对流速1 ，通过原点作曲线并选择最佳拟合曲线。在一张图上绘制5 个试样的v - h 曲线。 c ) 计算5 块试样5 0 m m 或其它水头差的平均流速指数及其变异系数。 1 3 _ 无漳大学硕士学位论文 第二章垂直渗透性能测试方法研究 对于恒水头试验和降水头试验各有优缺点，可根据实际情况选用。但当试样 渗透系数太大，流速过快无法准确读取水位变化值时，建议采用静水头试验。 2 1 2a s t m 法向渗透性测试9 1 试验仪器要求 i 对静水头试验来说应该维持水头不变； 2 试验仪器不能影响水的流动。这样才便于建立永头与流量的的关系曲线： 试验装置参见图2 - 4 。它包括上下两 部分两个部分紧连在起。上工织物试 样位于仪器的底端。由直管钡i 试水头值 由弯管调节试样下侧水头。 - 试验用水的准备 l 为了使试骑结果具有重现性需 要在7 1 0 m m 水银柱大气压下除去溶于水 中的氧气，氧气的含量要求不大于6 ； 2 把除去了气体的水用密封容器盛 装，置于试验环境中段时间使其与环 境有相同的温度。 三试样的准备 l 为了使试杆数据其有代表性在 面积为1 m 2 范围内取样； 2 圈2 - 5 给出取a 、1 3 、c 和d 四个 试样的要求：a 位丁r 中心，b 位于一 角( 中心距角2 0 0 m m ) ，c 位于a 与 b 的中点。d 与a 的距离同c 与a 的距离。a 、1 3 、c 和d 位于同一条 直线上。试样的大小应与仪器的尺寸 相匹配。试样直径不得小于2 5 r a m ； 3 在环境条件下，把试样浸泡在 除去脱气水中2 小时。 四静水头试验步骤及计算 i 安装试样； 2 打开阀门使整个系统充水，排 尽气雄， 幽2 - 4 静木头和变水头渗透试验仪 图2 - 5 取样位置示意图 天津大学硕士学位论文第二章垂直渗透性能测试方法研究 3 当仪器中充满水时关闭阀门； 4 调节排水阀门使初始水头为5 0 m m ； 5 在试样上轻轻移动一支与真空源相连的试管，用于排尽气体，再次调节 水头至5 0 m m ； 6 记录时间、流量和水温，每个试样 至少要有5 组值，以求取平均值； 7 第一个试验在5 0 m m 水头下完成 试验后，用同样的试样，从l o m m 水头开 始，重复试验步骤，以后读5 组数，水头 增加5 m