【正文】 堤壩工程中可以應(yīng)用土工合成材料作為排水設(shè)施的一些常用場(chǎng)合。(1)堤壩體內(nèi)煙囪式排水及下游排水褥墊層?！　?2)堤壩防滲土工膜下的排水、排氣墊層。(3)設(shè)于水力沖填壩中的孔壓消散層?！—?4)土堤下游坡的排水層。(5)擋墻及岸墻后的排水層。　(6)加速軟基固結(jié)的排水帶或排水板。　(7)凍脹區(qū)用于截?cái)嗝?xì)水上升，防止凍害；干旱區(qū)防止毛細(xì)水上升造成鹽堿化。三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)　　土工合成材料用作排水體的設(shè)計(jì)方法與反濾層的基本相同。但由于在此項(xiàng)用途中，織物應(yīng)有足夠的平面排水能力以導(dǎo)走來水，所以要進(jìn)行排水能力的校核。本節(jié)先介紹一般的排水設(shè)計(jì)方法，而后再就幾種特殊情況，做些說明?！　?一) 一般的排水設(shè)計(jì)　　與反濾設(shè)計(jì)中要求的類似，應(yīng)提供土體的物理力學(xué)特性，如土的分類、土的顆粒分析曲線、土的滲透系數(shù)等；有關(guān)地質(zhì)、水文資料；來水量(或根據(jù)條件估算)；土與水的化學(xué)成分等。　另外，應(yīng)提供待選土工織物的厚度δ、等效孔徑O9水平滲透系數(shù)Kh、垂直滲透系數(shù)Kυ等。　用于排水的無紡?fù)凉た椢锸紫葢?yīng)符合反濾準(zhǔn)則，故待選材料應(yīng)先按第一節(jié)中的三項(xiàng)準(zhǔn)則逐一加以檢驗(yàn)，如不合格，應(yīng)更換其他合格材料。　　這里我們先介紹一種反映土工織物透水性的指標(biāo)。土工織物排水是依靠其平面滲透性，按照理論應(yīng)該以其水平滲透系數(shù)Kh來表示。但是，由于織物埋在土內(nèi)要受到一定的壓力，其厚度δ要變薄，垂直滲透性和水平滲透性都將減小，為了回避可變的厚度δ，根據(jù)達(dá)西定理，推導(dǎo)出反應(yīng)織物滲透性的另外兩個(gè)指標(biāo)：透水率導(dǎo)水率 ψ=Kυ/δ=q/△hAθ=Khδ=q/i (28)(29) 式中： q表示單位寬度的來水量；△h為土工織物上下兩側(cè)的水位差值；A為通過水流的面積； i為水流通過織物時(shí)的水力梯度。某種土工織物用作排水時(shí)是否合適，需要先計(jì)算兩種導(dǎo)水率：一個(gè)是由需要排除的水量q(亦即來水量)計(jì)算得要求的導(dǎo)水率θr，另一個(gè)是根據(jù)所提供織物的指標(biāo)算出的織物可提供的導(dǎo)水率θa，按以上所述，它們可以按式(210)及式(211)計(jì)算：θr=q/i } (210) θa=Khδ 顯然，合格的土工合成材料應(yīng)該滿足下式：θa≥Fsθr (211) 式中：Fs是安全系數(shù)，一般應(yīng)不小于3；q為來水量，可以借流網(wǎng)法或其他方法估算(可參考有關(guān)資料)。式(211)如果得不到滿足，可以更換厚一些的織物，或改用排水量大的其他排水土工合成材料?！　?二) 煙囪式排水布置　　上游來水流到豎向排水體土工織物(圖24)，將沿織物往下流，通過下游底部排水層導(dǎo)向堤外?！　∵@種情況下的計(jì)算與上述（一）中所述的基本相同，即先按流網(wǎng)估算進(jìn)人煙囪式排水體的來水量q，由此按式(29)算出θr(其中的i＝sinβ)；其次由提供的土工織物指標(biāo)，按式(210)算出θa；再由式(211)檢驗(yàn)提供的織物是否合適?！—∫⒁獾氖橇魅肟椢锏臐B流量是由上而下累計(jì)增大的，如圖24(b)，其底部流量最大，應(yīng)該逐段驗(yàn)算。 圖24 煙囪式排水計(jì)算圖(a)堤壩橫斷面團(tuán)；(b)土工織物內(nèi)部滲流示意圖l—土工織物；2—浸潤(rùn)線 (三) 堤壩底部排水層　軟基上堤壩底部鋪設(shè)土工織物作為排水層的示意如圖25。飽和軟土地基在堤壩重力作用下將排水固結(jié)，排出的水量通過土工織物向兩側(cè)流走?！—∵@種情況的排水計(jì)算較前述的稍復(fù)雜，因?yàn)樗婕巴恋墓探Y(jié)計(jì)算。這里不作詳細(xì)介紹，僅寫出以下公式作為參考。式(212)假設(shè)土工織物的最大承壓力為地基中最大水壓力的10％～15％，并根據(jù)單向固結(jié)理論推導(dǎo)得出： 圖25 土堤底部排水示意圖 (212) 式中：B為堤壩底寬；Ksυ是地基土的垂直向滲透系數(shù)； Cυ為土的固結(jié)系數(shù)，它是由地基土的固結(jié)試驗(yàn)求得的反映固結(jié)快慢的一個(gè)指標(biāo)；t為筑堤的時(shí)間?！—⊥瑯?，可按式(211)檢驗(yàn)所采用的織物是否有足夠的導(dǎo)水能力。(四) 塑料排水帶垂直排水設(shè)計(jì)在第一章中已簡(jiǎn)單介紹了塑料排水帶的構(gòu)造，它是由塑料排水芯材外包非織造土工織物(濾膜)構(gòu)成的一種土工復(fù)合排水材料，在軟土地基加固中應(yīng)用廣泛。這種材料是由早期的“排水砂井”演變而來。利用砂井加速軟土地基固結(jié)的基本概念如下：假設(shè)有一處飽和軟土地基，如圖26(a)，在其表面施加外荷載(建筑物重量)，土中會(huì)產(chǎn)生超過靜水壓力的孔隙水壓力，于是，土體中多余水分逐漸從排水面(地表)排出，這種現(xiàn)象稱為排水固結(jié)。當(dāng)土層厚度H(假設(shè)其下為不透水層)較大時(shí)，排水行程(即H)太長(zhǎng)，土層完成排水固結(jié)的時(shí)間也將增大。若粘土滲透性小，則固結(jié)時(shí)間需要很長(zhǎng)，故建造在軟土上的建筑物將長(zhǎng)期處于持續(xù)下沉的狀態(tài)。為了加速固結(jié)，可以在軟基中設(shè)置垂直方向的砂井(砂井是用造孔機(jī)械在平面上按一定間距和布置方式(常為正方形或梅花形分布)造孔(一般穿過軟土層)，同時(shí)填入砂料，形成砂柱，如圖26(b)。砂柱為軟土提供了排水面，排入砂柱的水向上進(jìn)入地面的砂墊層，再沿水平方向排走。根據(jù)固結(jié) 圖26利用砂井加速軟土地基排水固結(jié)l—排水；2—砂井；3—砂墊層 理論，排水固結(jié)的時(shí)間與排水距離的平方成反比。例如在圖26中，不設(shè)砂井時(shí)的最大排水距離為H，設(shè)砂井后，相應(yīng)距離為de/2。式中的de約為砂井間距，則為達(dá)到一定的固結(jié)度后者所需的時(shí)間t與前者時(shí)間T的關(guān)系為：t＝[（de/2）2/H2]T，所以只要調(diào)整de，即可使固結(jié)所需的時(shí)間縮短到要求的時(shí)間。事實(shí)上，所需時(shí)間比上式計(jì)算的還要短一些，因?yàn)樵谏熬脚潘耐瑫r(shí)，還有土層自身的垂直向排水。砂井設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于按現(xiàn)有的土質(zhì)特性(固結(jié)系數(shù)Cυ等)、砂井的直徑和深度，現(xiàn)有的造孔設(shè)備規(guī)格(孔徑和造孔深度)，以及許可的固結(jié)時(shí)間，通過三維固結(jié)理論來估算砂井的分布間距。很明顯，間距愈小，固結(jié)將愈快，但為了使地基土不因砂井造孔而過分地?cái)_動(dòng)，砂井的間距不宜過小，一般為2～3m?！—∷芰吓潘畮Ъ铀俚鼗探Y(jié)的概念與砂井的完全相同，只是以截面為矩形的排水帶代替了截面為圓形的砂井，排水帶計(jì)算仍然采用砂井理論中的固結(jié)理論，所以需要將排水帶截面的周長(zhǎng)(寬度和厚度分別為b和δ)轉(zhuǎn)化為等效砂井直徑d，顯然d＝（2/π）(b十δ)。這樣排水帶就可以完全按直徑為d的砂井設(shè)計(jì)?！—谒芰吓潘畮Р鍘н^程或砂井施工過程中，不可避免會(huì)引起地基土的擾動(dòng)，并因此在排水帶或砂井周圍形成一相對(duì)不透水的土層，這種因?qū)Φ鼗翑_動(dòng)引起透水性降低的作用，稱為涂抹作用。同時(shí)，塑料排水帶或砂井的導(dǎo)水能力需要在一定的水頭差作用下才能起作用，以排出從地基土流人的水量，這種砂井導(dǎo)水能力的有限性可稱之為井阻?？紤]涂抹和井阻作用的計(jì)算方法很多，有的方法可估算擾動(dòng)土層的范圍和滲透系數(shù)，以及塑料排水帶的滲透系數(shù)，然而，這些量的確定仍然是困難的。這里不再介紹有關(guān)的計(jì)算方法，僅引用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定：對(duì)長(zhǎng)徑比較大和井料滲透系數(shù)小的袋裝砂井或塑料排水帶，應(yīng)考慮井阻作用，當(dāng)采用擠土方式施工時(shí)，尚應(yīng)考慮土的涂抹和擾動(dòng)影響?！??！—∮靡陨辖榻B的方法進(jìn)行軟土地基的排水固結(jié)計(jì)算一般已能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。在設(shè)計(jì)中還可針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)一步考慮其他因素(如分級(jí)加載，井深不穿過軟土層，或地基土強(qiáng)度等)的影響，這里不再作進(jìn)一步介紹，如有需要可參考有關(guān)文獻(xiàn)。第三節(jié) 隔離功能　一、隔離作用　隔離是指在兩種物理力學(xué)性質(zhì)不同的材料之間鋪設(shè)土工合成材料，使它們不互相混雜。例如將碎石和細(xì)粒土隔離，軟土和填土之間隔離等等。隔離可以為工程帶來許多預(yù)期的良好效應(yīng)，舉簡(jiǎn)例說明如下：(1) 通過隔離層，引起應(yīng)力擴(kuò)散作用，使地基土的沉降量得到一定程度的均化。　(2) 隔離提供排水面，加速地基土固結(jié)，使承載力提高。　(3) 隔離層起整體性作用，可使要求的地基粗粒料支持層的厚度減少，節(jié)約建筑材料。(4) 地基中有部分軟弱區(qū)域，或有小范圍洞穴，鋪隔離層有架橋作用，以掩蓋和減弱洞穴區(qū)或軟弱區(qū)的影響?！—?5) 在地下水位較高的地基中，隔離層可以切斷毛細(xì)水上升，防止鹽堿化，或減弱凍脹?！—?6) 道路基床中，隔離是防治翻漿冒泥的有效措施。　(7) 隔離層還起一定的保溫作用。　前面已經(jīng)談過，一種土工合成材料常具有多種功能。利用它作為隔離層，更能說明這一特征，在水利工程中，經(jīng)常遇到的是水流從土體中通過，有時(shí)要穿越顆粒粗細(xì)不同的土層，或從土體中流出。因此，應(yīng)用于隔離的材料除要求有一定的強(qiáng)度外，還需要有足夠的透水性，讓水流暢通，避免引起過高的孔隙水壓力；有足夠的保土性，防止形成土骨架的土粒流失，保證土體穩(wěn)定性；堤壩坡防護(hù)層下的土工織物墊層要保護(hù)墊層下的土體不被沖刷帶走，實(shí)際上也起到隔離作用。由此看來，隔離功能往往不是單獨(dú)存在的，它常與排水、反濾，甚至防護(hù)功能連系在一起，難以截然分開。本節(jié)中所述的隔離作用主要側(cè)重于那種用于持力層，因而對(duì)材料的抗頂破和刺破能力特別需要關(guān)注?！—《?、材料及其應(yīng)用舉例　用于隔離的土工合成材料應(yīng)以它們?cè)诠こ讨械挠猛緛泶_定。應(yīng)用最多的是有紡和無紡?fù)凉た椢?。如果?duì)材料的強(qiáng)度要求較高，有時(shí)還要求以土工網(wǎng)或土工格柵作為材料的墊層。當(dāng)要求隔離防滲時(shí)，則需要土工膜或復(fù)合土工膜。水利工程中要求隔離的實(shí)例很多，茲舉典型的如下：　(1) 堤壩粘土心墻和斜墻上下游的過濾層?！—?2) 堤壩排水體與壩體的隔離層?！—?3)　岸坡防護(hù)層下的墊層以及地基上填筑粗粒料時(shí)的界面隔離層等?！—榱酥攸c(diǎn)闡明隔離層的受力狀態(tài)，可以圖27作示意性解釋。圖27(a)為在粗粒土上覆蓋細(xì)粒土，并有荷載作用；圖27(b)與圖27(a)相反，為在細(xì)粒土上填筑粗粒土；圖27(c)則既有粗、細(xì)粒土的相鄰，又有滲流運(yùn)動(dòng)；圖27(d)則是在兩種不同界面處有孔穴存在。在這幾種情況中，明顯看出，在標(biāo)有號(hào)碼“1”處，隔離材料在粗粒土的孔隙部位或兩種材料界面的孔穴部位將受到來自受壓軟土的擠頂作用，為此，要求隔離材料必須有足夠的抗頂破能力；在標(biāo)有號(hào)碼“2”處，隔離材料則將受到由粗土粒棱角施加的穿刺力，故隔離材料還應(yīng)有抵抗刺破的能力。三、工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)　設(shè)計(jì)及驗(yàn)算的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)隔離層預(yù)計(jì)的工作條件來確定：　(一) 非持力層情況　　隔離層不要求承受施工應(yīng)力以外的較大荷載，不需要按受力部件來考慮，則按本節(jié)中“反濾”和“排水”兩段所述要求來選擇隔離材料即可。 圖27 土工合成材料的隔離作用(a)碎石地基；(b)軟基(無滲水)；(c)軟基(有滲水)；(d)裂縫地基1—頂坡；2—刺破 　(二) 持力層情況　如圖27所示情況，受上覆荷載作用，隔離材料有抵抗頂破和刺破的要求，則除滿足反濾和排水準(zhǔn)則，還需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。由于力學(xué)分析與Mullen脹破試驗(yàn)及CBR頂破試驗(yàn)緊密相連，因此有必要在這里先簡(jiǎn)單介紹這兩種試驗(yàn)的情況。(1)Mullen脹破試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)是為了模擬土工織物鋪在凹凸不平的層面上受到擠壓，評(píng)價(jià)其強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。所用儀器如圖28。環(huán)形夾具中間為一可擴(kuò)散的薄膜(加筋的人造橡膠)。試驗(yàn)時(shí)將土工織物試樣覆蓋在薄膜上，用環(huán)形夾具將其夾緊，然后開動(dòng)機(jī)器加液壓，使薄膜連同土工織物同時(shí)鼓脹，直到織物被脹裂，將脹破壓力扣除使薄膜擴(kuò)張至脹裂狀態(tài)所需的壓力稱脹破強(qiáng)度或頂破強(qiáng)度。(2)CBR頂破試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)是為模擬粗粒石料對(duì)土工織物的頂壓作用，評(píng)價(jià)其強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的。試驗(yàn)所用CBR試驗(yàn)儀如圖29。試驗(yàn)方法是將土工織物試樣緊夾在圖28(a)的環(huán)形夾具中，然后用圖28(b)中直徑為50mm的CBR儀的圓柱頂壓桿在織物 圖28 Mullen脹破試驗(yàn)l—薄膜；2—環(huán)形夾具；3—液壓 圖29 CBR試驗(yàn)儀1—織物；2—夾具；3—頂壓桿；4—百分表；5—應(yīng)力環(huán)；6—托盤 平面垂直向以一定速率頂向織物，直至試樣被頂破，頂破過程中的最大頂壓力稱頂破強(qiáng)度或刺破強(qiáng)度。(1)頂破強(qiáng)度分析。針對(duì)圖210的情況研究在兩個(gè)相鄰大顆粒下鋪有土工織物時(shí)，孔隙空間處的土工織物受到基土的反力作用的情況。受力條件與Mullen試驗(yàn)相似，假設(shè)大顆粒的平均粒徑為d50、顆粒與土工織物的平均接觸面直徑為dc，則根據(jù)接觸面周邊(假設(shè)圖中段變形后呈半球形)單位長(zhǎng)度上的拉力和Mullen試驗(yàn)達(dá)到頂破強(qiáng)度PM時(shí)周邊單位長(zhǎng)度上的拉力相等的條件，并考慮一定的安全系數(shù)Fs(至少為3)，可以得到要求的頂破強(qiáng)度如下：PM=Fs[（d50dc）/dM]qu (213) 圖210 土工織物頂破與刺破分析 式中：dM為Mullen脹破儀的直徑；qu為地基土的極限承載力，可借土力學(xué)一般方法計(jì)算。　故用作隔離的土工織物的Mullen試驗(yàn)的頂破強(qiáng)度應(yīng)不小于按式(213)算得的數(shù)值。有的學(xué)者建議dc取值如下：　帶棱角顆粒dc＝（1/4）d50　圓鈍顆粒 dc＝（1/2）d50　(2)刺破強(qiáng)度分析。仍按圖210，段的頂刺情況與CBR試驗(yàn)的相似。同樣，按兩種情況接觸面周邊徑向拉力相等，且考慮一定的安全系數(shù)Fs(至少為3)，可得到CBR刺破強(qiáng)度FCBR的計(jì)算式如下：FCBR=FsFp（dCBR/Dc） (214) 式中：dCBR為CBR試驗(yàn)圓柱頂桿直徑；Fp為接觸點(diǎn)處顆粒所受向下壓力和向上反力之差。　故用作隔離的土工織物的刺破強(qiáng)度應(yīng)不小于按式(214)算得的數(shù)值。第四節(jié) 防滲功能一、防治作用及其應(yīng)用舉例防滲是防止流體滲透流失的作用，也包括防止氣體的揮發(fā)擴(kuò)散。日常生活中要求防滲的事例很多，水利工程中要修建大量的擋水蓄水、引水和輸水等建筑物，更有防滲、防漏的要求。在水利工程中常見的防滲工程可列舉如下