复合式导渗反滤材料研制及应用.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 132 复合式导渗反滤材料研制及应用 齐 伟1 胡明玉2 1.九江市河道湖泊和水利工程管理中心,江西 九江 332000 2.南昌大学工程建设学院,江西 南昌 330031 摘要:摘要:堤坝防洪关系到人民生命财产安全及社会稳定。从土堤坝渗漏险情出发,进行 了复合式导渗反滤体研制。依据导渗反滤原理,采用不同料级的陶粒和谷壳轻质材料,进 行了复合式导渗反滤材料的设计和研究,并在堤防工程中进行了应用研究。研究表明,该 材料的透水系数达 9.45cm/s,淤堵量 1.6%,保土性良好,可用于堤坝的抗洪减灾、边坡的稳定和生态防护,以及尾矿库坝的防灾减灾和生态修复等工程。关键
2、词:关键词:复合;导渗;反滤;材料;研制;应用 中图分类号:中图分类号:TV85 0 引言 土石坝在我国各类坝型中占有最大的比重,国内已建成的八万多座水坝中,土石坝约 占 90%。调查表明,威胁堤坝安全的主要是渗流破坏,约占总破坏的 60%,故渗流导致的堤 坝安全问题引起广泛关注1-2。堤坝的防汛抢险遵循“上堵下排”原则。实际工程中,汛期堤坝迎水面长期浸泡在水中,“堵”住全部渗水困难;渗进堤坝的水不能有效“排”出,抬高堤坝浸润线,渗透水压力过大,致土体渗透破坏;汛期时雨水渗进土体中,含水饱和的土体重量增加,致土体分层接合面产生滑坡等险情。显然,在堤坝工程中设置导渗反滤体保证渗排水通道、阻止土颗
3、粒流失十分重要。而目前水利工程汛期常用的紧急除险方法为开导渗沟填砂石,砂袋、块石压脚、围井降压等,不仅劳动强度大,且难以满足材料的大量需求。若处理不当可能造成溃坝。传统的砂砾料反滤体,主要由砂子、石子和块石组成。反滤层的设计与施工要求精细,反滤级配铺设施工繁琐,严格质量控制细节,做到层次分明,否则可能造成反滤层整体功能实效,甚至造成严重事故。而土工织物反滤体虽节约了大量砂石料,但从实际工程运行情况看,其防淤堵性、耐久性等方面也还存在一些问题3。一是需先针对应用部位的土质进行试验,确定被保护土颗粒径曲线,进行排渗、防淤堵等计算选择规格匹配土工织物;二是土工织物易失效淤堵,铺设时下设10cm 的绿
4、豆砂保护层,与土工织物构成反滤结构,避免粘土颗粒进入,同时施工时防止地基或其它外部产生滑动而局部失稳;三是耐久性问题,材料容易发生降解反应和交换反应高分子聚合物合成,导致老化破坏4-5。针对反滤材料及结构存在的问题,九江市水利科学研究所与南昌大学合作,研制了复合式生态导渗反滤材料,将其应于水利工程,达到防控结合的目的,防止管涌、流土等渗透变形问题,同时可在防汛抢险时处理管涌、流土等险情。1 原材料及技术方案 选用炉渣、农业废弃物和陶粒进行试验探究,对比分析,选定制备导渗滤土层的最佳原材料和配合比。1.1 原材料(1)水泥 采用“海螺牌”42.5 的普通硅酸盐水泥,来源于同一批次,且一次性完成所
5、有样品的成型各性能指标测试如表 1 所示。表 1 水泥技术性能指标 项目 凝结时间 抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)细度 初凝(min)终凝(h)3d 28d 3d 28d 筛余(%)试验数据 190 6.5 20.0 50.1 5.7 9.0 5 标准 45 10.0 16.0 42.5 3.5 6.5 10(2)陶粒 陶粒用粘土或粉煤灰掺粘土,以及页岩、煤矸石等粘土质材料,加入煤粉、炭粒或木屑等,经高温下烧胀或烧结而成。外观呈圆形或椭圆球体,表面是一层坚中国科技期刊数据库 工业 A 133 硬的外壳,具有隔水保气的作用,并具有较高强度。选用 35mm 和 13cm 的二种粒级陶粒,堆积
6、密度为284kg/m306 kg/m。(3)谷壳 江西农村常见的谷壳,吸水率为 18.3%。1.2 技术方案 通过前期试探性试验,拟设计两层复合式导渗反滤材料,即由导渗滤土层和导渗层复合而成。导渗滤土层的主要作用是阻止土砂颗粒的流失并保证水流能顺畅流出,故选材颗粒较小,从而形成的是微小孔隙。导渗层的主要作用是使由导渗滤土层导出的水能顺畅地导出,故选材要求粒径偏大,能形成良好的均匀性好的孔隙通道。1.2.1 导渗滤土层 以谷壳为骨料,水泥为胶结料制备导渗滤土层材料。经大量试验表明,集灰比 0.2-0.5 之间,水灰比在 0.4-0.5 之间试块材料的成型效果较好。并根据正交试验,集灰比 0.3,
7、水灰比 0.4 为最佳配合比。谷壳颗粒大小均匀,用谷壳作骨料制备的导渗滤土层孔隙丰富均匀,谷壳颗粒大小均匀。谷壳做成的导渗滤土层很轻,测得质轻,表观密度为 1.16kg/m 左右。以最佳配合比制备试件,对材料的强度、保土性、透水性和防淤堵性进行研究。1.2.2 导渗层 以陶粒为集料,水泥为胶结料制备导渗层材料。试验表明,水灰比为 0.4、集灰比为 3,减水剂为 1%时成型效果和孔隙结构最佳。以最佳配合比制备试件,对材料的强度、透水性和防淤堵性进行研究。1.2.3 复合导渗反滤材料 按试验所得到的最佳配合比,制备复合导渗反滤材料。选用 100mm100mm400mm 试模,先进行 100mm 厚
8、的谷壳导渗滤土层的成型(装料后压实,不振捣),再进行 300mm 厚的陶粒导渗层的成型(装料后压实,不振捣),自然养护 14 左右即为复合导渗反滤材料。1.2.4 复合导渗反滤构件的应用 经对复合导渗反滤材料的强度、保土性、透水性和防淤堵性等性能进行实验室研究后,选择江西省彭泽县芙蓉墩镇防洪工程项目进行应用,对复合导渗反滤构件在堤坝应用时的设计、施工和防洪排除效果等进行研究。2 结果及分析 2.1 强度 参照建材行业标准 JC4462000 测定试件的抗压强度。采用液压式万能压力机加压,受压面积为 100mm100mm,压力机精度不低于2%。分别做导渗滤土层和导渗层的抗压试验。结果见表 2。表
9、 2 导渗滤土层和导渗层的抗压强度值 导渗滤土层 抗压强度(MPa)平均值(MPa)导渗层 抗压强度(MPa)平均值(MPa)1 0.2446 1 0.1031 2 0.2793 0.26 2 0.0956 0.10 3 0.2635 3 0.1083 由表2可知,导渗滤土层的抗压强度为 0.26MPa,导渗层的抗压强度值为 0.10MPa,可见反滤材料有一定的强度,可保证搬运和安装过程的稳定性。需要说明的是,导渗滤土层 和导渗层材料孔隙率大,表面不平整,在进行实验室强度测定时,并没有对试件表面进行 找平处理,故材料实际强度还会大于此强度测定值。2.2 透水性 根据土工试验方法标准中规定常水头
10、试验适用于测定透水性大的沙性土的渗透系数。试验原理为:试验时筒中装填截面为 A,长度为 L 的饱和试样,打开水阀,使水自上而下流 经试样,并自出水口处排出。待水头差h 和渗出流量 Q 稳定后,量测经过一定时间 t 内流 经试样的水量 V,则 V=Qt=vAt,根据达西定律,v=ki,则 V=k(h/L)At 从而得出:k=式中:V-时间 t 内水的渗出量(ml);L-渗径长度(cm);A-过流面积(cm);H-各测压管水头差(cm);T-相应渗流量下时间(s)。选用 TST-70 型渗透仪,直接在渗透仪内测定材料的渗透系数。试验测得 V 分别为 920、900、850ml,筒的内径为 10cm
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