土木工程中地下水的处理是一项很重要但又往往被人们所忽视的课题。因为处理不好有 时会给工程带来无法估量的损失。小的影响是形成水潴、地基松软、建筑物发生不均匀沉降,给 人们生产、生活造成威胁}大的影响则是造成山体滑坡、形成泥石流埋没村庄和道路等等,给人 们生命财产带来损失。 地下水位的上下变动除了受承压水、涌泉等工程地质条件因素影响外,还受到来自于地表 水,如雨水或溶化后的雷水下渗,江河湖海、水库水的渗入、补给的影响;人类活动,如工业、生 活污水的排放和渗漏,工程建设施工改变地下径流条件加大地下水补给或堵塞排水通道等也 都会对地下水位的变化产生影响。 地下水带来的工程问题是地下水上升,大面积土体遭到潜蚀,土地沼泽化,土体的物理力 学性质变差,当渗透水的水力坡降大于土颗粒的临界水力坡降时,就会引起冲刷,细颗粒土被 水流夹带流出,形成孔洞或通道,且孔洞或通道越冲越大,使土体结构松动导致建筑物倒塌;当 江河湖海及水库岸坡或斜坡被地下水浸润后土体被饱和软化,一旦因工程施工受到附加外力, 或是地下水位骤降,地下水向坡外渗流,水力坡降加大,即可促使土体产生变形,使流沙、管涌 发生或岸坡坍塌滑移,破坏建筑物。 针对地下水的不良作用,通常可从三方面采取工程措施:(1)阻止地表水或地下径流流人 保护范围的土层中;(2)改善土性,增强土体的抗渗能力和降低土层渗透性;(3)改变渗透水 流的水动力条件,减小其流速,使其水力坡降小于土颗粒的临界坡降。 这三方面的工程措施最终就是要设置一个堵截和排渗相结合的完善的、由一系列排水管网、明沟和盲沟组成的排水系统,堵截地表和地下来水,不 使其进人工程现场,对工程现场土体内的渗水则布置渗沟 (明沟或暗沟)等予以导出,见图1。 传统的盲沟是用天然砂石料制作而成的,以后逐步发 展到用钢管和硬质塑料管开孔、用无砂混凝土管制作的盲 沟。5~6年前软式排水盲管被引进中国,近2~3年中国才 首次推出了Fh河海大学研制开发的塑料盲沟。由于塑料盲 沟能较有效地克服此前所有类型盲沟的弱点,能保证盲沟 图1斜坡盲沟布置 的功能得到有效发挥,因而塑料盲沟作为一种新型的排水材料在国内得到推广。 塑料盲沟由塑料盲沟体及外包无纺土工布滤膜两大部分组成。塑料盲沟体为聚烯胫高分 子材料经热熔挤出塑料丝束然后经特种成型工艺制成的三维空间结构。现有的塑料盲沟产品 有四大类(断面分别为圆形、圆形中空、矩形、矩形中空)近20种规格。目前国内生产的塑料盲 沟是圆形断面的,其最大直径为30 cm,矩形的最大为40 em×5 cnl。表1为南京海河土工合成 材料有限公司的产品规格。塑料盲沟滤膜为针刺无纺土工布,根据盲沟周围的土质,按照反滤 的要求选用。常用的规格为100~250 g/m2。
表1 HM系列量料盲沟性能指标
式中0为通水量(m3/h)I H为换算标准试验水头损失。其中,H一江}i为设计水力坡降}L为标准试件长度 (m),除了HMFl550型其L为0.4m外,其余型号上均为0.5m。
2塑料盲沟在工程中的应用 塑料盲沟在国内已得到初步推广,并取得较好的应用效果,目前已在以下几类工程中得到 应用。
2.1大面积场地 2.1.1港口工程吹填场地施工期排水 该港区码头后方场地系在江滩上吹填粉质土造 陆形成,为加速场地吹填土排水以便争取时间尽早 进行软土地基处理,并保证施工期的场地排水,故在 场地上布置了塑料盲沟和明沟排水系统(见图2)。
2.1.2 运动场地塑料盲沟排水 图2港区场地塑料盲沟和明沟排水系统 该运动场为标准田径场和足球场,在跑道内圈和场地边布置了2条环形排水明沟,在跑道 内的足球场和田径场则布置了塑料盲沟(见图3)。
2.2公路与高速公路 当在多雨和地下永较丰富的地带建高速公路时, 设置完善的排水系统以保护路基和路面不受雨水和 地下水的侵蚀,使公路和高速公路始终处于良好的 工作状态,延长其寿命,是非常关键的。塑料盲沟可 应用于以下部位; (1)中央隔离带。为防止雨水通过中央隔离带表 面下渗到路基填料及路面结构中,使其软化破坏,常 在中央隔离带下设肓沟排水(见图4)。 (2)高填方(填高≥i.5 m)路基及路面基层。对 高填方路基,从路基地基处理开始到路面施工,需要 较长的时间,特别是软基地带,往往需要经历1~2 强 /\ 碳 匕§倩 盘越 ‰Ⅱ [” 弋 ∥“】 :底tg虐塾堡丝 1_Jl刚. #g 、 f鼍趟 【Ⅻg强蛐 愁 ,^■∞t+■∞_+-,-土I一
年甚至更长的时间,因此必须分别考虑路基填料 和路面基层二套排水系统。图5为某市外环高速 公路剖面示意图。 (3)低填方(填高<1.5 m)路基及路面基层。 低填方道路(包括具有较宽绿化地带的城市景观 路)的施工期较短,填高小,路基及路面基层可合 用一个塑料盲沟排水系统。图6为某市景观路塑 料盲沟布置图。 2.3地铁、公路隧道和地下通道 自■N崩镕i阱Ⅲm删 当公路或地下铁道隧道穿过含地下水较丰的 图5高填方塑料盲沟排水布置图 土层和节理发育有渗水的岩层时,为防止和减小透过隧道衬砌的渗水,保持隧道干燥,设计时 往往在隧道村砌防水层后(向岩面)和隧道底部间隔设置若干横向环形塑料盲沟,并通过沿隧 道纵向布置的塑料盲沟形成塑料盲沟排水网,流人隧道底部的排水沟排走。图7为某公路隧道 塑料盲沟布置。 2.4边坡及岸坡 为防止边坡、岸坡坍塌及滑坡,必须采取截流(渗)、排渗和护坡的综合治理的工程措施。对 于自然边坡采取的综合工程措施可参见图1。截渗淘可采用明沟,也可采取盲沟,依沟的深度 而定,当沟的深度大于2 m时采用盲沟,塑料盲沟应是最新的首选的盲沟材料;当沟的深度小 于2 m时,宜采用明沟。排渗沟采用塑料盲沟时的布置如图1所示。 对于填方边坡采取的综合工程措施如图8所示。 2.5挡土墙 挡土墙是土木工程中最常见的建筑物,为减小墙背填土中作用于挡土墙背的渗水压力,常 在挡士墙身适当位置设置若干排水孔排除渗水。为防止墙后土料随渗水从排水孔流出,在墙背 排水孔处设置砂石反滤垫。但这种处理方式排水效果并不理想,而且随着时间的增加会逐步淤 堵失效。改用塑料盲沟在墙后竖向间隔布置,根据墙高横向布置1~2条塑料盲沟,串通各个竖 向布置的塑料盲沟,使地下渗水通过横向布置的盲沟或沿横向盲沟设置的排水孔排走(见图 9)。 2.6堤坝工程中塑料盲沟的应用 我国在水利工程中已有多处应用塑料盲沟和软式透水管盲沟的例子,应用的部位主要有 以下几类: 2.6.1城市防洪墙后截渗盲沟 某市防洪墙为轻型钢笳混凝土结构,墙后回填砂石料底部铺设塑料盲沟(见图10)。塑料 盲沟型号为HMY200。试用后应用效果良好,已在该市防洪墙工程中正式使用。 2.6.2堤坝背水面坡脚排渗体 为提高排渗体排渗减压效果,以及让排渗体中的水按规定的位置排出,故布置了盲沟排水 2置擐料盲沟。 3.2.3盲沟的埋设 塑料盲沟一般埋设于地面下50~100 cm的淘槽中,在盲沟体四周最好包以中粗砂或碎砾 石。对于边坡上的排渗塑料盲沟,塑料盲沟埋设好以后,回填以粗填料,找平后,在上面铺以各 种护坡压块。 3.3水力计算 塑料盲沟排除地下渗水,属于渗流问题。渗流的基本微分方程组为 垫+丝+丝:n 缸。劫’娩 。 .aH ,拊 ,aH “:一一。面,“,5一。面,“=一一o i 渗流的连续方程为 耄+雾+耄=o 缸2’却2。如2。 渗流的水力计算主要是确定渗流量、渗流速度和浸润线位置。其渗流量的水力计算适用达 西定律。即 V—埘一一^髻;Q…kAJ=kA可dH}(,一一&t,—一^等 式中,y为渗流平均流速;^为土的渗透系数;,为渗流水力坡降;u为断面上的点渗流速。 实际上,地下渗透水的排除需要经过以下几个过程:(1)在重力或孔隙水压力作用下形成 渗流,并流向塑料盲沟;(2)渗透水通过塑料盲沟外包的滤膜进入塑料盲沟,(3)通过塑料盲沟 体的轴向输送{(4)从盲沟口排出。 从上述过程可以看出,它不单是地下渗流问题,而是包括管流或渠流在内的综合性的系统 问题,必须进行综合性的水力计算。当渗流一进入塑料盲沟,则视盲沟满流情况按管流或渠流 的能量方程进行水力计算。 3.3.1地下水流向塑料盲沟的渗流量 地下水流向塑料盲沟的渗流量,对于塑料盲沟而言是它的来水量,需要按塑料盲沟设计的 工作状态选用相应的计算方法。 3.3.1.1 在具有稳定地下水位状态下的工作情况 单排塑料盲沟在具有稳定地下水位状态下的工作 情况(见图13),可作为平面对称问题按沟槽公式计算 单位长度双侧集水塑料盲沟可排走的渗水流量。玑,Q。 为整根塑料盲沟可排除的渗流量,据此也可计算出渗流 稳定时的浸润线。完整型双侧集水公式如下: 一华 Q。一胁z 多排塑料盲沟在具有稳定地下水位状态下的工作 情况见图14。当铺盲沟场地面积长宽比大于5时,亦可 图13单排塑料盲沟的工作情况 丁≮==刁 卜-『—_1—十丁斗刊苜b十—叫 图14多排塑料盲沟的工作情况 31 作为平面问题按沟槽公式计算,可从有关专业书中查出。 3.3.1.2 当有降水人渗补给状态下的工作情况 在这种情况下,塑料盲沟排除的是降水的渗透水,其排水量与设计采用的排水标准有很大 关系,也与土质的渗透性有关。塑料盲沟排水量的计算式如下: Q一警 式中,Q为平均排水量(m3/h);R为降水量(mm/min);F为降水人渗系数(地下渗透率)。该系 数与土质和地貌有关,据经验,亚粘士d为0.01~O.02,亚砂土为0.02~o·05,中砂为0.12~ 0.18,砂卵石为0.3~o.35。D为该渗透水排除时间(h)。 在该计算式中,R是最关键的数据,并受所采用设计标准控制。对降水较大、不能及时排 出、会有较短时间的积水,这种积水不影响建筑物的使用。在这种情况下,排水的设计标准一般 采用较低的设计标准。可考虑采用“多年平均最大月平均日降水量进行计算,以一日降雨,一日 排除”作为控树标准;对于一些较为重要的工程或建筑物,则根据其重要程度,以设计选定的降 水重现期(如l a,5 a等)计算得出的降水历时,按当地的暴雨强度公式计算出降水强度作为 R。 3.3.2塑料盲沟的集水能力 塑料盲沟需要有足够的集水能力以使计算出的渗流量(平均排水量)能顺畅地全部进入塑 料盲沟内。 塑料盲沟的集水能力由覆盖在盲沟体外的无纺土工布滤膜的垂直渗透性所决定,通常用 土工布的渗透系数表示。要求土工布滤膜的渗透能力满足排渗流量的要求: ql>m或Q≥Q;; qL一2,rrkg; Qf=qd 式中,o、Q分别为单位长度塑料盲沟土工布滤膜的集水量和塑料盲沟长度范围内土工布的总 集水量;r为塑料盲沟外径,z为塑料盲沟长度;^。为土工滤膜的渗透系数。 与此同时,在选择土工布滤膜时,还必须满足渗透、反滤和防淤堵3个准则,即: 渗透准则 t。≥lOOk。} 反滤准则 O。。≤nd。;; 防淤堵准则 0。。≥3d。。 当k。不小于10~5 cm/s时需要控制,使GR≤3;当^。小于10~5 cm/s时,则以现场土料 进行长期淤堵实验结果为依据。 在渗透准则中,^。为土的渗透系数。这个准则的物理意义是指塑料盲沟滤膜的渗透性要 远远大于土的渗透性,以使渗透水能以最小的能量、最小的水头损失,而且几乎不受限制地进 入塑料盲沟,不影响土的渗透流量。 在反滤准则中,Ob为等效孔径,也;指土中小于该粒径的土质量占总质量的85%,”为与土 的类型、级配、士工布种类等有关的经验系数,界于1~10之间。这个准则的意义是反映土工布 等效孔径与土粒径之间的关系,以保证土中大部分土颗粒留在土工布外,并自然形成过滤层, 不会发生流士现象,即所谓的保土性。 在防淤堵准则中,du指土中小于该粒径的土质量占总土质量的15%。该准则意味着只有 32 小于该条件的细微颗粒土能随渗透水通过土工布的等效孔径,而不会滞留在土工布空隙中,形 成所谓的淤堵现象。GR为土工布二侧渗透水水力坡降之比,需通过实验得出。 3.3.3塑料盲沟的轴向通水能力 进入塑料盲沟的渗透水需要通过塑料盲沟排除出去,因此塑料盲沟的排水(通水)能力要 大于塑料盲沟的进水能力,即 Q。≤Qz≤Q: 3.3.3.1塑料盲沟满流的情况 前面已提到,进入塑料盲沟内的水流处于管流和渗流之间的水流状态,适用于伯努利定律 和达西定律,但塑料盲沟内水流阻力是个变数,通水量与水头损失之间属非线形变化关系。根 据水力学试验,在上下水头差一定的情况下,塑料盲沟通水量q与水头损失h之间的关系式如 下: q—Kh” 式中,g为以试件长度f(m)进行标准水力试验时的通水量(m3/h);^为标准水力试验时的水头 损失(m)}K及m为根据不同水头差的水力试验结果得出的拟合系数。 由于水压力符合模型率,具有几何相似性,因而小比尺的水力试验结果可以按比例放大用 于实际工程。在实际应用时将上式变换为 Q—KHLⅫ“ 式中,Q为塑料盲沟的计算通水量(m3/h)}H为换算试验时的水头损失(m),K及m为试验得 出的系数;工为试验时标准试件长度(m)。H的换算式为 h/l—HfL—i 日一iL 式中,h为设计盲沟两端水头差(m);z为设计盲沟长度(m)。在设计时要求 Q≥Q。 很明显,上述试验是在一定水头、塑料盲沟满流、轴向进水及轴向出水条件下进行的,所以 测出的水头损失是塑料盲沟的沿程水头损失,未包括塑料盲沟从侧向(垂直于盲沟滤膜)沿程 进水及出口等所有局部水头损失在内,不是塑料盲沟排水的总的水头损失。但是,与一些管流 的水力特性一样,局部水头损失与沿程损失相比,可以忽略不计。但在设计时为安全计,考虑给 出一定的余量还是必要的。因此作者建议在设计时要求 Q≥1.2Q。 3.3.3.2渗流水不能布满塑料盲沟全断面的情况 当渗流水不能布满塑料盲沟全断面时,渗流水在塑料盲沟中的流动情况类似于圆形断面 明渠水流的情况。明渠水力学计算的基本公式是谢才公式,即 v=C瓶7:Q=vA 式中,C为谢才系数。对于人工明渠而言, C一一R’ 对不同材料的明渠,不同的运用情况其糙率”不同。”的大小对计算的结果影响极大,目前还 没有类似塑料盲沟的情况的”值资料,有赖于借鉴设计者的经验;R为水力半径;y为指数。有 关的问题还有待研究。 33 4结 语 塑料盲沟在我国的应用目前尚处于开发、推广和迸一步完善的阶段。从近年应用的情况来 看,虽已初步显示出其效果,但无论是在塑料盲沟材料品种和质量方面。性能指标及测试方面, 还是在设计理论和设计方法方面都亟待开发和提高,而且其应用范围也有待进一步扩展。最为 急需的是制定一部规范以指导和规范塑料盲沟的生产、设计和应用,促进塑料盲沟在我国的应 用与发展。