土工合成材料在水利工程中的应用

土工合成材料在水利工程中的应用

土木工程合成材料是指由高聚物制成的新材料。这一概念是指应用于土木工程的所有合成纤维及其织造物的统称。合成材料的主要范围包括土工织物、土工薄膜、土工隔栅、复合土工织物及复合土工薄膜等几大类。按照水力特性的角度可以分为透水(渗透系数K=10-3~10-4cm/s)和相对不透水(K=10-11~10-22cm/s)两大类。前者亦被称之为土工织物,主要起过滤、排水、分隔土层和防冲、强化土体的作用,后者统称为土工薄膜,其主要应用于截流、隔水、防冲等用途。1土工织物的作用在河道防护中,对于堤防设计是一最为重要的工作。由于对于堤防而言,其所能承受的水头压力一般都不会太高,因此土工合成材料突出的防渗性能在这种要求的环境下便能表现其显著优势。土工织物(geo-textile或者geo-fabric)是一种人工合成的新型建筑材料,其是指用于岩土工程的合成纤维材料,一般用于排水、反滤、防渗、隔离和增强。它的主要基础原料为涤纶、丙纶或锦纶。按照构造的不同可将其分为有纺土工织物和无纺土工织物两种,具有反滤、排水、隔离、加筋等作用。其显著特点是:产品规格化整体性较好;产品抗拉强度高可以有效适应岸坡变形;产品的铺设较为简单方便从而施工进度快;产品的质地柔软,能与土料密切结合,重量轻,运输方便。因此土工织物在被建筑工程行业得以认识后,已迅速得到发展。我国虽起步较晚,但发展速度很快,尤其近10多年来,在水利、交通等工程领域得到广泛应用。一般而言用于防渗的土工合成材料包括不加强土工膜、加强土工膜和复合土工膜3种,而目前水利工程中较为常见使用的是复合土工膜,其是在光膜的两侧或一侧复合土工织物形成的复合材料,提高了抗拉、抗刺穿强度。它具有防渗效果好、应变能力强等显著优势。而且使用土工织物在河道防护中作为加强材料,施工以及使用过程中均不易被刺穿,可以有效保证防渗效果,进而延长防护使用的寿命。而且在河道防护中使用土工织物,可以有效保证施工进度、缩短工期,土工织物的价格合理性也有效减少了工程造价,同时土工织物的引入可以显著减少或消除柳条木材等材料的使用,从减少森林消耗的角度以及减少水土流失的方面促进了环境保护。2土木工程材料在河流保护中的应用目前,土工织物在河道防护中的应用主要基于以下几种即成形式:2.1抽砂充填长管袋培养防护坝体的技术方法河道加固及防护的工程应用方式之一沉排应用的原理及结构为,应用土工织物沉排主要是利用了其材料强度高、柔性好、耐冲蚀性好、透水性强、延伸率高等显著优点,同时因其还兼备使用寿命长且易于施工等优势,因此得以广泛应用。沉排应用主要是利用了土工织物的反滤功能,将其铺放在坝前部位;使得排体随着前冲刷坑的发展逐步下沉,自行调整坡度直至稳定坡面,达到护底或护脚,防止发生淘刷,从而达到工程保护的目的。抽砂充填长管袋褥垫沉排一般由数个宽约15~20m,长约30m的两层土工布缝制的褥垫组成。使用抽砂充填长管袋褥垫沉排而成的防护坝体,在应用中较之传统防护方式存在如下显著的优势:(1)施工范围广可覆盖旱地与水地,同时压载管袋布抗老化周期寿命相对较长。(2)可以便利地就地使用河流产生的泥砂作为充填物。(3)可以通过使用泥浆泵作为充填机具,有效地保证了泥浆泵施工技术与经验的较好传承。(4)使用长管袋作为承载模具,该材料因其质轻柔性强使得便于长途运输,有效缩短了工期。(5)成型后的压载长管袋与护底反滤布形成有机整体,综合了其双重优点。既无反滤布被压载滑动破坏之虑,又无压载体脱离反滤布之忧。2.2混凝土框格植生这一工程主要基于土工织物特性及河流的工程实际而选择,其主要的结构型式如下:底层设置为一层有纺土工织物,并在其上放置预先加工好的聚乙烯网绳,将网绳同土工织物连结成一体。然后在其上铺设好断面尺寸约为0.2m×0.1m混凝土预制格条,纵向长1.5m,横向长1.4m,铺设后形成1.5m×1.5m的混凝土框格,并通过预留孔与土工织物网帮扎。框格节点用12号铅丝固定,形成柔性结以便适应岸坡的变形。框格内进行0.2m厚的填土并在土表之上植种草皮,同时保证每个框格内种植一棵柳桩,且柳桩的露出地表约为10cm。这一工程型式在施工时具备操作简单、取材便利以及相对而言工程造价较低、后期维护费用低以及生态友好型等显著优点,值得广泛推广。2.3因反滤层施工要求而高的岸坡对护岸质量的影响对于河岸土质以粉砂土和粉土等不稳定且易坍塌的土质为主,则通常可以采用块石或混凝土预制块进行岸坡的防护。如选择砂石料作为反滤层,往往因反滤层施工要求较高导致质量难以保证,尤其对于土质以粉砂土和粉土为主的岸坡更易于发生因反滤层失败而导致护岸损坏的现象。针对这一问题,可以通过结合土工织物具有的反滤特性,在设计之处便通过对被保护土体的取样进行室内试验,然后再根据土样的试验资料按照既能挡住被保护土的骨架颗粒,又能保证渗流通畅,并具有一定强度的要求,经计算和综合分析后选择土工织物的品种、型号。2.4铺设土工织物对于河岸多为砂层的坡基,往往历经河水不断冲刷而导致了护岸基础悬空。考虑到以往经常采用抛石进行基础加固,这一方法难以阻止基础砂颗粒被水流的淘刷带走,而且每次逢遇涨水,往往都导致抛石会出现不同程度的沉陷、滑塌,工程后续的维修不断。但考虑到土工织物具备透水保砂的特性,使用土工织物在此类工程中进行处理,可以规避这一现象。具体的做法是:在抛石之前先铺设一层土工织物,然后在土工织物上面进行抛石。土工织物的品种、型号可以通过对被保护土体室内试验资料和反滤设计准则计算后再进行选择,而铺设的范围可以根据实测资料和冲刷速度的计算之后确定。2.5驳岸带地基土工织物防冲剂这一工程的型式是通过土工织物的排水、隔离作用,将有纺土工织物根据设计要求加工制作成设计厚度的平面袋状体,铺放在修整好的岸坡上,固定到位后通过预留孔向袋内灌注混凝土,凝固后直接形成的一种龟壳状混凝土整体护岸工程。这一工程的特点是不需要施工围堰,可直接在水下施工因而施工进度较快。若同时采用水泥土材料作模袋护坡,还可利用河槽淤积泥沙进而起到岸坡防护和河道清淤的双重作用,同时使得工程造价得以有效降低。这一工程型式对于河水较深河段的岸坡防护,具备更为显著的优越性,因此应用前景较为广阔。除了上述应用外,土工织物在防汛时也存在较为广阔的应用空间。土工织物之中可以选择较为密实的防老化编织布进行防冲。例如迎水坡堵漏相似,可以将土工布制成排体,在险工位置进行展放,利用系绳控制其高度和位置,上游竖袋要沿坡面的方向缝扎尽可能多的绳子,以控制布枕位置。在土工布纵面上缝制若干竖向袋,使布枕放到预定的位置。要先在上游竖向袋内填充压载,然后依次向下游推进。压载可用编织袋装土进行填充,也可直接倒入沙子或