（纺织工程专业论文）非织造布复合弹性渗水导管的研制.pdf

摘要 摘要 妒0 d d 7 3 3 5 本课题研制了一种新型的丙纶材料非织造布复合弹性渗 水导管。f 对渗水导管各构件的选材做了分析和比较，采用高 弹弹簧作内部支撑骨架，丙纶纺粘法热轧加固的非织造布做 过滤材料，高强丙纶丝做复合丝，乳液型胶粘剂做粘接剂。 过滤布拉伸强力、顶破强力、有效孔径和渗透系数等各项性 能的测试数据说明弹性渗水导管能够满足实际的使用要求， 弹性渗水导管的研制取得了初步的成功。 本文对过滤布及i 土滤布与土体组合体的过滤排水机理进 行了深入的探讨，指出筛分作用、惯性碰撞、直接拦截和重 力沉降是过滤布的四种主要过滤机理，在不同的情况下由其 中某一机理起主要作用。f 土体在过滤排水作用中也起到了非 常重要的作用。它是通过过滤布渗透系数的变化，引起相邻 土层水头损失的变化，导致了土层中土粒的流失或淤积。达 到稳定状态后，土体中的颗粒重新排列，形成了一定厚度的 天然滤层，保证了土体渗流作用下的稳定。 本文肘有效孔径实验数据的处理方法进行了改迸。f 传统 的处理方法是根据实验数据在坐标纸上画出曲线，再由曲线 对应出0 。0 。；或0 。的值。这种方法使结论受人为因素影 响。新的处理方法以数值分析理论为基础，利用拉格朗日插 值法求得一条经过实验数据各个点的曲线，建立起过筛率与 孔径之间的函数关系式。此时，令过筛率等于1 0 。解得的 孑l 径值即为o 。值。这个求孔径值的过程由牛顿迭代法实现。 这些利用插值法求函数关系式及迭代法求孔径值的过程都是 由计算机来实现。本文给出了实现这些步骤的计算机流程 图。根据这些框图又编写了一个c 语言程序对数据进行处理。 处理结果与传统方法所得结论一致，充分证明了这一新处理 方法的有效性、科学性。y a b s t r a c t t h eq u e s t i o nf o rs t u d yi st om a k ean e wf l e x i b l e a n d p e r m e a b l ep i p eo fp o l y p r o p y l e n en o n w o v e n f a b r i c t h em a t e r i a l s e l e c t e di sa sf o l l o w s ：h i g h e l a s t i c i t ys p r i n gw o r k sa ss u p p o r t e l p o l y p r o p y l e n e n o n w o v e nf a b r i c p r o d u c e db ys p i n l a y i n g a n d b o n d e db yh o t r o l l i n ga c t sa s f i l t e r i n gm a t e r i a l ，h i g h s t r e n g t h p o l y p r o p y l e n e f i l a m e n ts e l v e sa s c o m p o s i t e f i l a m e n ta n d e m u l s i o nc o m b i n ea l lt h e p a r t st o g e t h e ct h et e s t i n gd a t a ，s u c ha s s t r e t c h i n gi n t e n s i t y , e f f i c i e n to p e n i n ga n do s m o t i cc o e f f i c i e n t s h o wt h a tt h ef l e x i b l ea n dp e r m e a b l ep i p ec a nm e e tt h ea c t u a l r e q u i r e m e n t t h e ya l s op r o v e t h a tt h er e s e a r c hi ss u c c e s s f u l w ea l s o d e e pi n q u i r e i n t ot h e f i l t e r i n g a n d d r a i n i n g p r i n c i p l e o f f i l t e r i n g m a t e r i a la n ds o i l f i l t e r c o m p l e x ，i t i s p o i n t e do u tt h a ts i f t i n g , i n e r t i ac o l l i d i n g ，d i r e c ti n t e r c e p t i n ga n d g r a v i t yd r o p p i n ga r et h ef o u rm a i np r i n c i p l e s ，e a c ho fw h i c hm a y s e lv e sa st h em a i nf a c t o ru n d 盯d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s s o i la l s o p l a y si m p o r t a n tp a r ti nf i l t e r i n ga n dd r a i n i n g d u et ot h ec h a n g e i no s m o t i cc o e f f i c i e n to ff i l t e r i n g m a t e r i a l ，t h el o s so fw a t e r p r e s s i n s o i l l a y e rn e a r b y a l s o c h a n g e s ，w h i c hr e s u l t si n t h e l o s i n go rd e p o s i t i n go fs o i lg r a i ni nt h el a y e r i nt h ee n d ，s o i l g r a i nr e a r r a n g e sa n df o r m sn a t u r a lf i l t e r w h i c he n s u r e st h e s t a b i l i z a t i o no fs o i lu n d e ro s m o s i s t h ed a t a p r o c e s s i n gm e t h o d o f e f f i c i e n to p e n i n gi si m p r o v e d t h et r a d i t i o n a lm e t h o di st od r a wac u r eo nc 0 0 r d i n a t ep a p e ra n d t h e ne s t i m a t e0 o o r 0 9 ib yt h ec u r v e w h i l et h en e wm e t h o d i s 。o nt h eb a s i s o fn u m e r i c a l a n a l y s i s ，t o f i n dt h ef u n o t i o n b e t w e e n p a s s i n g s i f t e rr a t i oa n dt h eo p e n i n gv a l u e t h i si sd o n e b yl a g r a n g ei n t e r p o l a t i o n l e tp a s s i n g - s i f t e rr a t i ob e1 0 ，t h e o p e n i n gv a l u ew o r k e do u ti so t h ep r o c e s so fc a l c u l a t i n gt h e o p e n i n gv a l u e i sd o n eb yn e w t o ni t e r a t i v em e t h o d a l lt h e p r o c e s s e s a r ed o n e b yc o m p u t e r a n d t h ef l o wc h a r tf o rc o m p u t e r i s d e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ef l o wc h a r t ，a p r o g r a m o fc l a n g u a g ed e a l tw i t ht h et e s t i n gd a t aa g a i n ，t h er e s u l to fw h i c h s h o w sn od i f f e r e n c ew i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d t b u st h en e w m e t h o d p r o v e s t ob ee f f i c i e n ta n ds c i e n t i f i c k e y w o r d s ： f l e x i b l ea n dl e r m e a b l e p i p eo fn o n w o v e nf a b r i c ，f i l t e r i n g ， d r a i no f f w a t e r , e f f i c i e n to p e n i n g 第一章概述 第一章概述 水是自然界的宝贵资源，动植物生长离不开水，人类的 生产生活也离不开水。但是水却能给土木、水利工程带来致 命的破坏。水的存在会使土壤软化、增大土重、降低土壤的 内摩擦力和粘聚力，使土壤的承载能力和稳定性降低；土壤 含水在严寒地区冬季易造成冻裂的危害；水流的汇聚和冲击 又会造成水土流失，使工程建筑基础被冲刷而失去稳定性以 及堤坝、防护坡等流土和坍塌渗水严重时形成管涌，后果 更是不堪设想。 1 9 7 6 年美国提堂坝( t e t o nd a m ) 的溃决就是一个由于水 的破坏造成土工建筑失事的典型实例。提堂坝于1 9 7 6 年6 月3 日开始发现渗水。此后渗水情况不断恶化，至5 日上午 1 1 点4 0 分坝体就彻底溃决。失事使三分之一坝体土料冲失， 电站厂房的上部建筑等全部破坏，损失达4 亿美元以上。 国内这样的事例也不罕见。9 8 年抗洪期间九江口决堤事 件就是一例。究其原因，主要是经洪水长期浸泡，堤坝承载 能力和稳定性降低，导致堤坝最终在渗流作用下决堤。 另外，在我们的生活中，运动场、足球场、高尔夫球场 及公园等休憩绿地也常因雨后排水不良而造成地面积水，场 地泥泞、潮湿，难以正常使用。所有这些情况都要求我们设 计和选用具有良好过滤和排水性能的土工合成材料。 目前市面上的排水器材有多种。因使用环境、排水量不 同而有土工布、排水格栅、排水板、排水管等等多种形态。 仅就排水管来讲，目前工程上使用的又有如下几种：1 金 属管，外面包覆棕皮或土工布，如打井用的花管。2 木制 管，外面包覆棕皮或土工布，如工程中为减少地下水压对地 基的压力而使用的减压井。3 塑料管，包覆棕皮或土工布 4 波纹管( 波沟处有眼，以增加渗透) ，外覆土工布。5 水 泥管，表面有透水孔，周围铺以砂砾做过滤材料。这些排水 第一章概述 管都是内部使用有眼硬管做骨架，外面包覆棕皮或土工布做 过滤材料。它们都存在致命的缺点：1 透水不全面。孔眼 处透水，其它地方不透水。而这些管件为保证强力又不能打 太多的孔眼，因此透水面积十分小。2 本身为硬制管件， 不能弯曲。由此带来一系列问题。如考虑到运输安全，管件 长度要短；管件短，接头多；硬制管件，须两端打螺扣方能 接头，工艺复杂，施工不便。 针对以上弊端，非织造布复合弹性渗水导管( 简称弹性 渗水导管) 应运而生。它用弹簧作内部骨架，外面包覆非织 造过滤布及长丝，是对传统过滤管材的项根本性变革。它 具备传统过滤管材所不具备的优点：全方位透水，透水 效果好。滤料与管材自成一体，不需要另外包覆。可 以盘卷，管体长度长，运输、施工方便。接头简单，只 需用一根管的过滤布将另一根管系牢即可。可以进行“三 通”处理。所谓的“三通”即三根支管相连。 能够弯曲， 铺设旌工时容易改变方向。价格便宜，有利于降低工程 成本。 目前国内外对弹性渗水导管都有一定的研究。马来西亚 一家生产厂已生产出涤纶材料的渗水管，我国的部分工程， 如北京地铁西单站大量使用了这种渗水管，但是价格较高， 限制了它的广泛应用。国内也有部分厂家如江苏宣兴排水器 材厂，正在试制，但效果不好，未能推出产品。我们这项研 究与河北衡水化纤总厂合作，开发的丙纶材料渗水导管必将 给厂家带来可观的经济效益，同时它的广泛使用也必将产生 良好的社会效益。 2 第二章弹性渗水导管的材选 第二章弹性渗水导管的制造 弹性渗水导管内部以弹簧作支撑体以保证渗水管的可弯 曲性和耐压性能，外面用非织造布和长丝作过滤布，从而保 证了过滤性能 弹性渗水导管的结构如图2 一l 所示： 1 - - 弹簧2 - - 高强丙纶丝( 横) 3 高强丙纶丝( 纵) 4 - - 纺粘过滤布 图2 1 第一节过滤布的选择 过滤布是弹性渗水导管的核心部件，因此我们对它的选 材及加工方法进行详细说明。 一、 过滤布的选材 美国材料实验学会( a s t m ) 给土工布下的定义是：“一 切和地基、土壤、岩石、泥土或任何其它土建材一起使用， 并作为人造工程、结构、系统的组成部分的纺织物，叫做土 工布。”因此，我们所讲的过滤布也是一种土工布。 合成纤维因其强度高、耐腐蚀性和耐酸碱性能较好而广 泛应用于土工布。常用的有涤纶、丙纶、锦纶、乙纶、维纶 等。其中最常用的是涤纶和丙纶。天然纤维容易腐蚀变质， 目前一般不用于土工布。 丙纶材料在土建类用布中占7 6 ，与涤纶相比，其主要优 点有： 1 耐腐蚀性好。对无机酸、碱有显著的稳定性。 第二章弹性渗水导管的制造 2 吸水性小，受湿润或干湿反复多次，尺寸稳定性好 3 密度轻。仅为0 9 9 c m 3 是所有天然及合成纤维中密度 最轻者。 4 强度高。普通型丝为4 0 5 6 7 5 9 f t e x ，高强丙纶丝强 度可达6 7 5 8 1 9 f t t e x ，而且受湿后强度不变。 鉴于弹性渗水导管埋设予地下，始终处于一种潮湿状态， 而且极有可能遇到酸碱所以选用丙纶作过滤布和长丝材料 能够很好地满足要求。 二、过滤布的加工方法选择 ( 一) 土工布的种拳及其性能比较 土工布的结构可以是非织造布、机织布或纠织布。可以 经过涂层、复合等加工处理，以增加它的强力、防水或过滤 性能。 1 机织土工布 机织布的经、纬向强力较高，伸长率较小。因此，机 织布适用于各_ 种对强力要求高的地方，起加固和分离作 用。但机织布的对角拉伸强力较低，且纱线的位移会改 变土工布的孔径尺寸，从而影响过滤性能。另外，机织 土工布经纬纱所构成的孔隙通道是直通型的，不利于提 高过滤效率，这些因素都使得机织布不宜用作过滤用途。 2 针织土工布 针织土工布也存在同样的问题，纱线在外力的作用下 容易产生位移，从而改变土工布的孔径尺寸。而且针织 布的结构特性使得针织纱线比机织纱线更易产生位移， 孔径尺寸更不稳定。针织物的孔隙通道也是直通型的。 因此针织布也不宜用作过滤用途。 3 非织造布 与机织布和针织布相比，非织造布在过滤排水方面有 着它独特的优势： 孔隙范围大。非织造布可以根据需要制成适当 4 第二章弹性渗水导管的常j 造 的孔隙。孔隙可以设计得很大或很小，也可以经过复 合、热处理等工序。以减小孔隙，这在保持沙土时特 别重要。而机织土工布的孔隙一般稍大，最小约为 0 0 5 m m 左右，不能有效地阻挡细小的沙土微粒通过。 纤维呈杂乱分布。在机织布和针织布中。纱线 有规律地交织或圈连，纱线中的纤维也尽量与纱线同 取向。限制了纤维的自由排列。而非织造布中纤维则 完全呈杂乱分布，纤维的这种曲径式系统可以加强被 过滤粒子的分散效应，有利于提高过滤效率。 工艺流程简单，生产速度高。非织造布可以在 一条连续的生产流水线上完成，生产周期短，劳动生 产率高。而机织布、针织布往往要经过多道不连续的 工序。因此，使用非织造布也有利于降低成本。 膨松性和透水性能好。非织造布可以制成不同 的定量和厚度，使其具有不同的膨松性和透水性能。 综上所述，非织造布在孔径大小和过滤效率上具有其 不可比拟的优势，因此选用非织造布做过滤布。 ( 二) 各种非织造布产品性能比较 非织造布的加工方法很多，常用于土工布生产的是针刺 法和纺粘法。 针刺法生产的短纤维针刺土工布质地松软，结构较蓬松， 吸水、渗水性能都很好。但是由于短纤维成网。强力较差， 易撕裂。 纺粘法由长丝直接铺网，后经针蒯或热轧加固而成。成 布强度高，伸长好，纵横向差异小，而且其生产过程简单， 生产率商，成本低，因而成为一种主要的非织造土工布，在 各种工程中大量使用。所以选用纺粘法非织造布做过滤布。 第二节胶粘剂 一、胶粘剂 l 肢粘剂的概念 5 第二章弹性渗水导管的制造 凡是能形成一薄膜层，并通过这层薄膜将一物体与另一 物面的表面紧密连接起来，起着传递应力的作用，而且满足 定的物理、化学性能要求的非金属物质称为胶粘剂，也叫 粘接剂，简称胶。 2 ，胶粘剂的组成 除了天然胶粘剂的组成比较简单外，合成胶粘剂大都由 粘料基料、固化剂、增塑剂、增韧剂、稀释剂、填充剂( 填 料) 、偶联剂( 增粘剂) 、溶剂和防老剂等多种成分组成。 胶粘剂的组成根据基本要求与用途还可以包括阻燃剂、 促进剂、发泡剂、消泡剂、着色剂和防霉剂等成分。总之， 胶粘剂的组成除了秸料不可缺少之外，其它的成分均视需要 来取舍。 3 弹性渗水导管对胶粘剂的性能要求 为了成品粘接良好，并且能够在实际使用中很好地发挥 作用，对胶粘剂的选择应满足以下几个要求： 与丙纶粘接良好。这是保证良好粘接的关键。 胶膜柔软性好，有弹性。如果胶膜脆硬会导致成品僵 硬，难以弯曲，不能满足使用要求。 耐水。弹性渗水导管将工作在一个潮湿、甚至有水的 环境中，胶膜必须耐水。 耐酸碱性好。弹性渗水导管埋设于地下，土壤及待排 水都有可能不呈中性，因此需要有一定的耐酸碱性。 在满足以上几个条件的前提下，尽量无毒、无污染， 易于操作， 4 胶粘剂的选择 胶粘剂按固化形式的不同可分为化学反应型、热熔型和 溶剂挥发型三大类。反应型胶粘剂一般是由多官能团的单体 或预聚体，通过催化或加热固化成三维交联的热同性胶粘剂。 反应条件较复杂，不便使用；热熔型胶粘剂的主要成分是热 塑性高聚物加热时它熔融呈流动液体，并浸润被粘物表面。 6 第二章弹性渗水导管的制造 冷却后即可固化，达到粘按但丙纶软化点仅为1 4 0 5 0 c ， 熔点也只有1 6 5 一1 7 5 适应温度低，故不能使用。只能选 用溶剂挥发型。一般有机溶剂都具有刺激性，甚至有毒。而 乳液胶粘剂是高聚物胶体颗粒在乳化剂的包围下分散在水中 的体系。粘接时乳液中的水分逐渐渗透到多孔性被粘材料中 去并挥发掉，促使乳液中的胶体颗粒凝聚形成连续胶膜而固 化，达到粘接。乳液胶粘荆不存在污染问题，对环境和操作 者无伤害。本课题采用厂家提供的一种乳胶，经实验证实胶 膜柔软，弹性好，能很好地满足使用要求。 二、粘接现象的各种理论解释 本世纪四十年代后期以来，国外学者研究粘接基本原理 时，曾提出过三种不同的解释，俗称粘接三大理论。 1 、吸附作用与吸附理论 吸附理论认为：粘接力的主要来源是粘接体系的分子作 用力。 按照吸附理论解释，胶粘剂分子与被粘物表面分子的相 互作用过程有两个阶段。第一阶段是液体胶粘剂分子借助于 热布朗运动向被粘物表面扩散，使二者所有的极性基团或链 节相互靠近。在此过程中，升温，施加压力。降低胶粘剂粘 度等因素都有利于热布朗运动的加强。第二阶段是吸附力的 产生。当胶粘剂与被粘物两种分子间的距离达到1 0 5 a 时。 两种分子便产生相互吸引作用，并使分子间的距离进一步缩 短到能够处于最大稳定状态的距离。 吸附理论正确地把粘接现象与分子力的作用联系起来。 但早期钓吸附理论过于强调了粘接力与胶粘剂极性之问的关 系，无法解释非极性聚合物能够牢固粘合的问题。 2 、静电作用与静电理论 这一理论认为：当胶粘剂一被粘物体系是一种电子的接受 体一供给体的组合形式时，由于电子从供给体相( 如金属) 转 移到接受体相( 如聚合物) ，在界面区两侧形成了双电层。双 7 第二章弹性渗水导管的制造 电层电荷的性质相反，从而产生了静电引力。 在干燥环境中从金属表面快速剥离胶层时，可用仪器或 肉眼观察到放电的光、声现象，证实了静电作用的存在。但 静电作用仅存在于能够形成双电层的粘接体系，因此不具有 普遍性。此外，有些学者指出：双电层中的电荷密度必须达 到1 0 ”电子厘米3 时，静电吸引力才能对胶接强度产生较明 显的影响。而双电层栖移电荷产生电荷密度的最大值只有1 0 ” 电子厘米3 ( 有的文献认为只有1 0 ”一1 0 “电子厘米3 ) 。因 此，静电力虽然确实存在于某些特殊的粘接体系，但决不是 起主导作用的因索。 3 扩散作用与扩散理论 两种聚合物在具有相溶性的前提下，当它们紧密接触时， 由于分子的布朗运动或链段的摆动产生互相扩散现象。这种 扩散作用是穿越胶粘n - 被粘物的界面交织地进行的。扩散的 结果导致界面的消失和过渡区的产生。粘按体系借助扩散键 形成牢固接头。 扩散理论在解释聚合物的自粘作用方面已得到公认。但 对不同聚合物之间的韬接，是否存在穿越界面的扩散过程， 目前尚在争议阶段。 虽然目前这三种理论都还不太成熟，但它对我们理解粘 接现象及粘接机理却是很有帮助的。 第三节加工工艺 在弹性渗水导管的研制过程中，我们综合考虑排水和过 滤的内在关系。在原料选择和工艺设计方面进行了一系列的 研究和实验，取得了理想的加工工艺。 弹性渗水导管的加工流程为： 弹性支撑体的准备一防锈处理一包覆非织造布一纵向长 丝涂胶一铺放纵向长丝一横向长丝缠绕一胶粘剂的固化 一、弹性支撑体及防锈处理 采用高弹弹簧作为基础材料。它的螺线型结构可将外荷 8 第二章弹性渗承导管的村造 均匀地分布于整个弹性体，有利于提高渗水导管的耐压性能。 而且这种结构灵活性、柔韧性好，使渗水导管可以弯曲、盘 卷。对于直径为5 0 r a m 的排水管，其规格为：钢丝直径1 6 m m ， 螺距1 8m m 。根据捧水量要求，可以加工多种直径的排水管。 其钢丝直径和螺距要相应变化，使其耐压强度满足施工要求。 为防止弹簧钢线在水的作用下产生锈蚀，影响弹性渗 水导管的寿命，将弹簧钢线外涂p v c 塑胶。 二、过滤布 过滤布为纺粘法热轧加固非织造布，定量为4 i o g m 2 。过 滤布裁成1 0 0m m 宽长条螺旋式缠绕于弹性支撑体上，滤布 间保持1 0m m - 2 0m 功的搭接。搭接处涂有胶粘剂，确保过滤 布全面包覆弹性支撑体。 三、纵横向长丝规格及横向长丝缠绕工艺 纵、横向长丝均采用高强丙纶丝，线密度为1 5 0 0 旦。 横向长丝缠绕式包覆到弹性支撑俸( 简称预制体) 上， 缠绕时要求长丝张力均匀、适中。长丝与长丝之间不能重叠。 1 缠绕张力： 缠绕张力是缠绕工艺的重要参数，对缠绕长丝施加张力 可以控制每根长丝接触到的胶液，并使长丝在缠绕时能够整 齐排列于预制件上。张力的大小、张力均匀性对成品性能有 很大影响。张力时大时小，会使长丝取向不佳，制品不致密， 与内层粘接不牢。 2 渗水管的横动速度v 。 当周向缠绕速度一定时，渗水管的横动速度就决定了长 丝的缠绕密度，从而也影响了渗水导管的各项性能，如横向 强度、有效孔径和渗透系数等。因此横动速度也是渗水导管 生产的一项重要参数。 峥南 式中： 9 第二章弹性渗水导管的制造 v z - 一渗水管横动速度 v 一周向缠绕速度 p 一缠绕密度 d 一一渗水管直径 四、胶粘剂的固化处理 为了使胶粘剂与被粘物表面产生物理或化学作用，获得 粘附力，必须使胶粘剂的分子与被粘物的分子充分接近。因 此，胶粘剂在粘接过程中必须是能润湿被粘物表面的液体， 但是，液体能流动，用液体粘接起来的部分不能承受力的作 用。因此，胶粘剂在湿润被粘物表面之后，还必须经过适当 的方法将它变成固体，才能承受各种负荷。胶粘剂变成固体 的过程称为胶粘剂的固化。胶粘剂按固化温度不同可分为常 温固化( 3 0 以下固化) 中温固化( 3 0 - 9 9 固化) 和高温固 化( i 0 0 以上固化) 。实验中采用的乳胶常温即可固化，但 由于乳液凝胶速度慢，一般需2 4 小时才能达到表面不互相粘 连，不利于机械化生产。因此，需对渗水导管进行加热固化 处理。由于采用丙纶原料，加热温度不宜过高，选8 0 - 9 0 处理2 0 分钟，使渗水导管表面不再粘连，然后将其放置一旁， 待粘接强度慢慢达到虽高。 l o 第三章弹性渗水导管的过滤捧水机理 第三章弹性渗水导管的过滤捧水机理 第一节过滤排水作用 一、过滤排水的概念 过滤又称渗滤、反滤和倒滤等等，在工程上是指水流入过 滤材料时水分可以通过，而主要部分的土粒却被截留下来的现 象。 排水是指排除土体中的水，主要目的在于增加土体的稳定 性。 在弹性渗水导管与土体相接触并存在着渗流的情况下，渗 水导管的排水和过滤作用是同时存在不可分割的两种作用。当 水从土体中渗出并流入弹性渗水导管时，就有产生土体渗透变 形的可能。所以渗水导管既要畅通地排去入渗的水量，又要保 护土体不至于产生有害的变形。排水和渗滤是两种作用，它们 考虑问题的着眼点是不同的。例如就滤层孔径来讲，排水方面 希望孔径大一点为好，而渗滤方面则可能希望它小一些更合 适。 二、关于渗水导管过滤排水的两个说明 其一：渗水导管的过滤排水作用不只是导管自身的过滤排 水作用，而是导管的过滤排水作用以及由此形成的土壤层的过 滤排水作用的总和。二者的作用不是简单的叠加，而是两者的 有机结合，应把二者的组合体看作一种新的渗滤体。 其二：过滤排水过程并不是“粒土不漏”。实际上是允许被 保护土层中的部分细土粒进入过滤材料并流出，但土层骨架不 能被破坏。只要骨架不受扰动，土层就能保持渗流作用下的稳 定性。 第二节渗水导管的过滤排水机理 渗水导管与土壤组合体的过滤排水作用首先基于渗水导管 的过滤排水作用。本节主要讨论渗水导管自身的过滤排水机 理，土壤的过滤排水机理将在下一章详细讨论。 第三章弹性渗水导管的过滤排永机理 过滤布对接近它的土壤颗粒的捕集机理主要有四个： 筛分效应 惯性碰撞 直接拦截 重力沉降 土壤颗粒由于粒径大小不一而由某一种过滤机理起主要作 用。一般来讲，比滤材孔目大的颗粒的捕集可以认为是筛分作 用；粒径较大的粒子被捕集主要是由于惯性碰撞；中等大小的 粒子则是被过滤材料直接拦截而被过滤掉的：当粒子很重而流 体速度小时一般要考虑重力沉降作用。 2 1 筛分效应 。 滤材间的空隙或滤材上颗粒问的空隙较颗粒小时，颗粒从 纤维或被捕集的颗粒旁边通过就可能被捕集，这就是所谓的筛 分效应，显然，颗粒越大，纤维间隙越小，被筛分的机率就越 大。筛分作用的机理非常简单，然而它却是一种非常重要的作 用。 2 2 惯性碰撞 牛顿第一运动定律( 惯性定律) 指出；个物体在没有受 到外力作用的情况下降始终保持原来的运动状态。物体的这种 性质叫惯性。也就是说，运动的物体具有沿直线向前的惯性。 对于尺寸和重量较大的粒子，他们同流体微粒相比惯性就大得 多，惯性的影响就越大。当流体在过滤介质微粒前流线发生弯 曲时，土壤粒子就很容易由于惯性脱离流线而与介质微粒发生 碰撞，或反弹回流线或被粘附捕集。这里所说的介质微粒是过 滤材料的纤维微观化。惯性碰撞机理见示意图3 一l ： 惯性碰撞机理示意图3 - - 1 第三章葬性渗水导管的过漕捧水机理 基于这种规理的过滤效率与斯托克颠定律中定义的作用在 粒子上的阻力有关，并且可以作为流体流速的函数，其函数关 系式为： 式中： k 1 2 ( c 。p 。d p 2 ) ( 1 8nd f ) v 水流流速 c 。一坎宁安滑流修正因子 p 。粒子密度 d d _ 粒子直径 n - 流体粘度 d r 纤维直径 由上式可知，这种惯性碰撞作用将随着粒子尺寸的增大和 流体流速的增大而加强。 2 , 3 直接拦截 尺寸较小的粒子受惯 生作用也较小。在没有其它外力作用 时，粒子会随着流体的流线运动。通常我们都假定渗流水为层 流，因此渗流水会自动绕过过滤介质微粒。由流线分开后转到 介质微粒后面汇合当粒子随流体绕过介质微粒对，粒子中心 与介质微粒中心之间的距离小于它们的碰撞直径时，拦截作用 就发生了。直接拦截机理示意图如图3 - - 2 ： 直接拦截机理示意圄3 2 1 3 第三章弹性渗水导管的过滤排水机理 直接拦截作用的过滤效率与流体流速无关，其表达式为： f i a ) r i 队2 瓦可巧市 式中：n 过滤材料密实度 k 。库瓦巴哈流体动力因子，只取决于材料的密实 度 r - 拦截参数r 。= d “， 由此可见，直接拦截的过滤效率会随着过滤材料密实度和 拦截参数的增大而增丈。 2 4 重力沉降 只有当粒子缀重并且流体流速很小的时候，重力沉降的作 用才会变得十分明显。由于被过滤粒子为土壤粒子，相对流体 水来说较重，而且渗流水速度小，所以重力沉降作用是一种不 可忽视的作用。 g 等 当流体下冲流动对，过滤效率为： e 0 2 g ( 1 十d f ) 当流体水平流动时过滤效率为： e g = g 2 第四章土律与遘遗布的组合过黼承作甩 第四章土体与过滤布组合的过滤排水作用 第一节土体的组成与性质 一、土的组成 土是一种松散物质这种松散物质主要是矿物，在矿物 颗粒之间有许多孔隙。通常孔隙中间有液体( 一般是水) ， 也有气体( 一般是空气) 。所以，在一般情况下。土是由固 体颗粒、水和空气三部分组成。 1 固体颗粒 土的固体颗粒主要由矿物颗粒构成。它的矿物成分、土 粒大小与级配对它的性质有很大影响。土粒的矿物成分可分 为物理风化所产生的原生矿物和化学风化所产生的次生矿 物。士粒中所含的矿物成分不同，其性质就不同。土颗粒的 大小对土的性质也有很大影响。实验表明，随着土粒粒径由 粗变细，土的性质相应地发生很大变化，例如，可使土的透 水性由大变小，甚至变为不透水；可使土由无粘性变为有粘 性，等等。土的级配是指土壤中各粒径组占土壤总重的百分 数。显然，土中所含各粒组的相对含量不同，则表现出来的 土的工程性质也就必然不同。 2 土中的水 土中的气态水是指土中出现的水蒸气，一般对土的性质 影响不大。 土中的液态水包括化学结合水、表面结合水和自由水。 化学结合水：化学结合水是存在于土粒晶格结构内部的 水，可作为矿物颗粒的一部分。 表面结合水：，矿物颗粒表面一般带有负电荷，能吸引水 分子于土粒表面，从而形成土粒周围的结合水膜。结合水膜 分两层，内层为固定层，外层为扩散层。在固定层中的水因 受到吸力较大，成为强结合水，其性质接近于固体，有较大 的抗剪强度。在扩散层中的水，因受到土粒的吸力较小，故 第四章土体与过滤布的组合过滤捧求作用 称弱结合水，其性质呈粘滞体状态在外界压力下可以挤压 变形。 自由水：在结合水膜之外的水，有重力水和毛细水两种。 重力水存在于她下水以下的土孔隙中，只受重力作用而移 动，能传递永压力和产生浮力作用。毛细水存在于遗下水位 以上的土孔隙中，在土粒之间形成环状弯液面，弯液面与土 粒接触处的表面张力反作用于土粒，形成毛细压力使土粒 挤紧。 3 土中的气体 褪粒土中的气体常与大气相通，在土受力时很快逸出。 细粒土中的气体常与大气隔绝而成为封闭气泡，在受力时气 体体积缩小，卸荷后体积恢复，使土的弹性变形增加而透水 性减小。 土的工程性质不仅与这三部分的性质有关，还与这三部 分之间的比例有关。例如，土的含水量是指土中水的质量与 土颗粒质量之比，含水量越大说明土越湿一般来说地越软。 土的孔隙比是土中孔隙体积与土颗粒体积的比值。孔隙比越 大，表示土中孔隙体积越大，土越疏松，反之越密实 二、土的结构 土体的结构对土的过滤排水性能有着很大的影响。土的 结构主要是指体中粒的排歹 与连接。的结构有单粒结 构、蜂窝结构和绒絮结构。蜂窝结构和绒絮结构又称海绵结 构。 具有单粒结构的土是由砂粒等较粗土粒组成土粒排列 有疏松状态及密实状态土粒排列密实时，土的强度较大。 具有蜂窝结构的土是由粉粒串联而成。具有绒絮结构的土是 由粘粒集合体串联而成后两种结构存在着大量的孔隙。结 构不稳定当其天然结构被破坏后，土的压缩性增大而土的 强度降低，故对海绵结构的土也称结构性土。 三、无粘性土和粘性土的性质 1 6 第四章士体与过滤布的姐合过滤捧水作用 1 无粘性土 无粘性土一般是指具有单粒结构的碎石土与砂土，天然 状态下无粘性土有不同的密实程度。琉松状态时。其压缩性 与透水性较高，强度较低密实状态时，其压缩性小，强度 较高 2 粘性土 粘性土主要成分是粘粒，土粒细，土的比表面大( 单位 体积的颗粒总表面积) ，土粒表面与水相互作用的能力较强。 土粒表面带有负电荷，在电场的作用下具有电性质。土粒间 存在粘聚力而使土具有粘性土的结构有很大的孔隙，使土 具有结构性。随着土中含水量的不同而使土具有不同的工程 性质。 第二节土体与过滤布的组合过滤排水机理 土体由于其组成和结构多样，其过滤机理也随具体条件 而异对于每种土在过滤捧水中的具体情况我们不能一一论 述。仅挑选出常见的粘性土和无粘性土进行说明。 当土与过滤布相接触时土粒在重力的作用下一般是不 会进入过滤布的。正象过筛实验中那样当砂样倒入筛盘中 时只有极少数的砂会穿过砂盘。虽然筛孔上的砂的粒径比筛 孔小，但由于砂粒之间拱的作用妨碍了砂粒的移动。只有施 加一定的作用力后砂粒才能穿过筛孔。同样，土粒之所以能 够产生移动和进入过滤布是因为水流的渗透力作用如果土 粒之间有着粘聚力或土粒之间传递着应力，因而土粒之问有 着摩擦力。这样只有较大的渗透力才能使得土粒产生相对位 移所以对粘性土来说产生渗透变形是较不容易的。 根据目前土力学的概念，土体受荷时( 外荷或土层自重) 应力传播并不是均匀的分布到各土粒的，而是沿应力枝传送 的。应力枝经过的土粒( 或土团) 为受荷的骨架，而在应力 枝内包含的土粒则基本上不受力，那些不受力并且粒径远小 第四章土体与过滤布的组合过游捧水作用 于骨架孔隙限制孔径的细粒成为自由土粒，他们容易在渗透 力的推动下在骨架的孔隙中移动。对骨架土粒是均匀的土来 说，不受力的土粒约占土重的3 0 以下。对骨架土粒是不均 匀的土则约为2 0 以下。当然自由土粒还和土体的极配、 密度、受力大小和渗透力的大小有关。 对于无粘性土来说又是另一种情况。无粘性土的土粒之 间几乎没有任何粘聚力，土粒的保持主要靠土粒之间形成的 限制孑l 径。如果细土粒的尺寸大于限制孔径的尺寸，则细土 粒不会因为渗流丽移动；如果细土粒的尺寸小于限制孔径尺 寸，细土粒就会沿孔隙产生移动。 粘性土的自由土粒和无粘性土的细小土粒是过滤布要重 点保护的对象。过滤布有适当大的孔径，一方面允许土中一 部分细土粒进入过滤布，而另一方面其孔径翁大小又不足以 让构成土层骨架的较大土粒进入过滤布，因而保证了土层骨 架的稳定性。同时这又使得过滤布在其表面形成一薄层由较 粗土粒组成的拱架，又称为天然滤层( 相对于人工滤层一一 过滤布) ，这又阻碍了细粒土的进一步移动，这样又在天然 滤层上部产生一层由于细粒被阻挡而形成的一层透水性变 化的滤饼，见图4 1 。 图4 - 1 天然滤层示意圈 1 8 第四章土体与过滤布的组合过滤捧承作用 在一个土工布的渗透试验中，当土工布起到了应有的渗 透作用，并渗流稳定后实测的土工布上方被保护砂土中细粒 土含量的变化列于表4 - 2 。这些数值很好地说明了上图的区 分是客观存在的。 粒组( m m ) 天然砂织物上方织物上方7 c m l c m 处处 2 5 0k g f 三、顶破强力 对许多用途来说，非织造布所受到的为的作用往往不是 单一方向的，而是各个方向同时受力。对于铺设于地下的排 水管更是如此，因此顶破强力测试也是重要的测试指标 顶破强力测试的方法有弹子式和气压式两种，国内目前 多采用前者。 仪器：y 6 3l 型摆锤式弹子顶破强力试样机 ( 摆锤a ，满刻度1 0 0k g f ，分度值o 5k g f ) l试样 l2345 i 强力( k g f ) 5 9 97 8 97 6 65 4 96 7 o 计算结果：6 7 5k g f 四、有效孔径 由于土工布具有各种形状和大小的孔隙通道，因此一般 用孔径来表示其特征。孔径是土工布在水力学特性中的一项 重要指标。土工布的孔径反映了土工布阻止土颗粒通过的能 第五章性能测试 力。这种能力常用有效孔径0 e 表示。有效孔径的测定有助于 工程上合理地选用土工材料。其测定方法很多，如干筛法、 湿筛法、水银压入法等等。其中干筛法和湿筛法由于操作简 单易行，数据稳定可靠而被国内外广泛采用。本次实验采用 干筛法进行。 干筛法是用已知粒径范围的干燥球形玻璃珠或标准砂放 在以过滤材料为筛底的震动筛装置上过筛，通过测量材料上 剩余玻璃珠或标准砂的百分率求得有效孔径的一种方法。以 0 9 。为例：0 。是当1 0 的颗粒穿过过滤材料。而其余9 0 的颗 粒留在材料面上时，颓粒粒径的值，用以反映材料孔径的大 小。测试时，将已分好等级的玻璃珠取出连续的三组，分别 测得其过筛率，然后以每组玻璃珠粒径的下限值为横坐标， 过筛率为纵坐标，在坐标纸上画出孔径分布曲线。在该曲线 上。纵坐标为1 0 ( 即过筛率为1 0 ) 的点所对应的横坐标 值即为材料的有效孔径值。类似地，还可以求得0 9 。、吼。 值这一项铡试委托河北水力水电设计院迸行。 振动筛装置简图5 - 1 ： - - 玻璃球2 - - 盖3 样品4 筛子5 - - 收集盘6 - - 摆动嚣 圈5 - 1 燕动缔装置 实验数据如衰5 - 2 ： 第五章性船测试 处 表5 - 2 l 孔径( 衄) o 0 90 1 2 50 1 5 4 l 过筛率( ) 8 0 0 64 3 0 02 1 7 5 孔径 图5 3 从坐标图可以看出，纵坐标1 0 对应的横坐标为o 1 8 ， 纵坐标5 对应的横坐标为0 2 1 因此0 。= 0 1 8 。0 9 。= 0 2 l 。 河北水利水电设计院的测试结果附于附录一。 数据的处理过程是这样的：先在坐标纸上描出实验数据 对应的几个点，然后再依据常规的曲线形状，将这几点连成 光滑的曲线。在坐标纸上纵坐标为1 0 的点对应的横坐标即 为0 。的值，纵坐标为5 的点对应的横坐标即为0 9 ；的值，同 样，2 对应的横坐标为0 9 e 的值。由此可以看出，实验数据 的几点就能够确定整条曲线! 因此一个想法诞生了；就是以 数值分析方法为基础，利于计算机将实验数据转变为一条过 筛率与孔径之间的关系式，再利用求方程解的方法求得的 0 9 。、0 。或0 9 。的值。这一过程涉及数学、计算机的内容较多t 在下一章将详细介绍。 五垂直渗透系数 渗透系数是土工布水力特性的一项主要指标，也是反映 第五章性能最i 试 水在土工布孔隙中运移的一种特性参数。 当土工布用作反滤材料时，水流的方向垂直于土工布的 平面，既要求它能阻止土颗粒随水流失，叉要求它具有一定 的透水性。透水性主要用垂直渗透系数来表示。垂直渗透系 数的定义是渗流的水力梯度等于1 时的渗透流速，即： 式中：k 。渗透系数( c m l s ) v 渗流流速( c m s ) i 渗流水力梯度 6 土工布的厚度( c m ) h 土工布上下面测压管水位差( c m ) 土工布在法向水流作用下( 即水流垂直土工布平面方向 流动时) 的渗透特性，其垂直渗透系数的测试方法标准及仪 器，目前国内尚未统一。大多数单位参照美国、日本、前苏 联等国的测试方法。其原理是以达西定律为基础。当水力梯 度不大时，通过测定试样的厚度、水位差及一定时间内的透 水量来确定，从而计算出垂直渗透系数。 垂直渗透系数测试装置如图5 - 4 ： 第五章性能裂试 】供永瓶2 一供水嚣问3 一常水位装置4 一溢管 s 一捌压蕾6 一f $ 气竹7 一加压多孔疆b 玻璃璩 疲蹙璋9 加压f f i o 一毒透仪1 1 一土工织物 1 2 一承压多孔板 1 3 调节臂l 卜一量筒 此项测试委托河北水力水电设计院进行，测试结果附于 附录一，测试结果为： k n = 8 9 1 1 0 2 六、耐压性能 弹性渗水导管是利用高强力弹簧铰内部支撑骨架，可以 把外荷均匀分布于四周。 、扁平率 2 5 1 0 内径 5 0 , m 1 7 k g 以上1 l o k g 以上4 4 0 k g 以上 8 0 m s 3 7 k g 以上2 2 9 k g 以上4 6 2 k g 以上 1 0 0 s r n 7 7 k g 以上3 7 4 k g 以上6 2 7 k g 以上 1 5 0 m 1 7 k g 以上2 2 4 k g 以上5 2 4 k g 以上 2 0 0 , m 8 8 k g 以上3 6 3 k g 以上4 8 1 k g 以上 备注：测试长度为2 5 c m ，若以1 m 测试，则加压荷重为本表的四倍 2 7 七、耐酸碱性测试 将试样裁成5 0 m m * 5 0 m m 的正方形，取2 块，分别浸泡于 1 0 的盐酸和l o 的氢氧化钠溶液中。7 2 小时后，肉眼观察。 溶液无浑浊现象。取出试样。外观无异状。认