土工膜滲透系數試驗影響因素研究分析

張書林

（安徽省·水利部淮河委員會水利科學研究院 蚌埠 233000）

土工膜滲透系數試驗影響因素研究分析

張書林

（安徽省·水利部淮河委員會水利科學研究院 蚌埠 233000）

近年來土工膜防滲技術大量應用到水利、建筑、鐵路、公路、垃圾填埋等防滲處理工程，土工膜滲透系數在工程防滲應用中是一項重要參數，現行規程已規定了相應的測試方法。本文針對試樣過水面積和水壓力大小等因素對測試時間的影響進行研究分析，通過最優化配置，給出了不同滲透系數的測定條件建議。

土工膜 滲透系數 水壓力 過水面積

1 引言

土工膜是以高分子聚合物為基礎原料生產的防水阻隔型材料，其材料分別有聚乙烯（PE）土工膜、聚氯乙烯（PVC）土工膜和氯化聚乙烯（CPE）土工膜。工程防滲處理應用中復合土工膜的形式有一布一膜、兩布一膜及三布兩膜三種。土工膜是一種透水性很低的防滲材料，被廣泛應用到工程的防滲中。由于土工膜滲透系數是設計、施工重要參數，所以土工膜滲透系數的測定受到重視。現行規程規定土工膜滲透系數測試試樣過水面積應大于20cm2，試驗水壓力為100kPa，對于滲透系數小的土工膜可通過延長測試時間，選擇滲水量更小的設備、增加試樣上水壓力及增加過水面積測試，但沒有給出具體測試條件。土工膜的滲透系數與試樣過水面積、試驗水壓力、試樣厚度和試驗時間有關。如果采用較小的試樣過水面積試驗，在同一水壓力下一定時間內滲透的水量較小，較小的滲透水量增加測讀誤差，為減小誤差就需增大滲透水量，增大滲透水量就需增大試驗面積或者延長測試時間。由于試樣面積受儀器限制，只能通過延長測試時間增大滲透水量，長時間的測試會增加滲透水量的蒸發，從而影響到滲透系數的測試結果，另外長時間的持續試驗對儀器也會造成損害。同樣，按規程規定試驗水壓力100kPa測試滲透系數，在一定時間內滲透水量很少，如要增大滲透水量，就需增大試樣過水面積或延長測試時間，若水壓力和試樣過水面積均很小，則測試時間將很長。可見，試樣過水面積和試驗水壓力是影響滲透系數試驗條件的重要因素，為此選取合理的試樣過水面積和試驗水壓力對滲透系數的測試有著重要意義。本文結合現行規程中規定的試樣過水面積、試驗水壓力對滲透水量和測試時間的影響進行分析，通過各測試條件因素最優化配置，為合理的試樣過水面積和試驗水壓力的取值給出建議。

2 試樣過水面積和試驗水壓力對測試時間影響分析

從現有國內巖土工程不同材料室內滲透系數測試規程中了解到，不同材料滲透性分別給出相應的測試方法：砂、砂壤土滲透系數為1×10-2～1×10-4cm/s，采用土樣管或70型滲透儀測試，一般滲透比降較小；壤土、粉質粘土滲透系數為1×10-4～1×10-6cm/s，由于滲透系數較小，試驗中滲透比降較大，采用南55型滲透儀試驗，強風化巖體或水泥土滲透系數一般小于1×10-7cm/s，在低圍壓下試樣變形較小，可采用三軸儀進行滲透試驗；土工織物滲透系數很大，垂直滲透系數采用常水頭試驗。所以對于不同材料滲透特性基于層流狀態下，其滲透系數的測試應選擇相應的試驗裝置和測試方法。基于土工膜滲透系數很小，對其測試方法展開討論。

2.1試樣過水面積對滲透測試時間的影響

為了分析試樣過水面積大小對測試時間影響，依次設定試樣過水面積40cm2、100cm2、200cm2、300cm2、400cm2，并設定試樣厚度0.05cm、試驗水壓力100kPa、滲透水量為0.1cm3,按上述設定參數計算土工膜不同滲透系數試驗所需時間，計算公式為：

式中：t—通過水量V的歷時，s；

km20—試樣20℃時滲透系數，cm；

V—滲透水量，cm3；

δ—試樣厚度，cm；

A—試樣過水面積，cm2；

η—水溫修正系數；

Δh—上下面水位差（試樣上所加的水壓力，以水柱高度計），cm。

ΔP—水壓力，kPa；

γw—水的重度9.8kN/m3。

表1 設定不同過水面積下滲透系數與所需時間計算表

計算結果見表1，不同試樣過水面積下滲透系數與所需時間的關系曲線見圖1。

圖1 不同過水面積下滲透系數與所需時間關系曲線

從表1和圖1可知，隨著試樣過水面積增大，測試時間在減小；同一個過水面積下，滲透系數k減小10倍，測試時間增加10倍。在現行規程舉例的過水面積40cm2，試驗水壓力100kPa下，土工膜滲透系數從3.5×10-11cm/s變化到3.5×10-14cm/s，土工膜滲透系數減小了1000倍，所需測試時間便增大1000倍，即相對應的時間從0.97h變化到972.61h。當滲透系數K=3.5×10-13cm/s時，對應的測試時約為4天，測試時間太長，可見現行規程規定的測試條件僅適用于滲透系數K＞1.0×10-12cm/s。

2.2試驗水壓力對滲透系數測試時間的影響

進一步分析討論試驗水壓力大小對滲透系數測試時間的影響，依次設定滲透水量0.1cm3、0.2cm3、0.3cm3、0.5cm3，并設定試樣厚度0.035cm、滲透系數8.64×1014cm/s，按上述設定參數計算在不同試驗水壓力下滲透系數測試所需時間，計算公式同（1）式，計算結果見表2，試驗水壓力與試驗時間的關系曲線見圖2。

表2 設定不同滲透水量下水壓力與所需時間計算表

圖2 設定不同滲透水量下水壓力與所需時間關系曲線

從表2和圖2看出，隨著水壓力增大，測試時間減小；同一個水壓力下，滲透水量越大測試時間越長。另從表2中分析可知，當時，滲透系數測試時間是相同的。

根據土工膜滲透系數很小的特點，綜合分析試樣過水面積和試驗水壓力對土工膜滲透系數測試時間的影響因素，為更準確地測定土工膜的滲透系數，加強滲透試驗的可操性，對土工膜不同滲透系數測試應選擇相適應的過水面積和試驗水壓力。

3 土工膜滲透系數測試條件優化配置

3.1滲透試驗主要因素分析

根據土工膜滲透系數試驗方法，其滲透數K計算式：

上式中，對滲透系數K試驗主要條件影響因素分別有滲透水量V、過水面積A、試驗水壓力ΔP和測試時間t。式（2）中厚度δ在0.3～0.6mm之間，不是主要影響因素。另從式（2）中分析，K與參數A、ΔP和t為倒數關系，即K越小則要求參數A、ΔP和t越大。

3.2測試時間對各參數的優化函數

土工膜滲透系數試驗中使測試時間最小的目標函數F （t）為：

根據測試儀器要求，有些約束條件為有定值或大值約束，上式優化配置條件時對定值和大值不作考慮。土工膜滲透試驗中，按測試時間最短對各種因素配置優化，優化采用對比法。在上述各種因素中，固定其他因素，變化其中一個因素，根據約束條件通過對比法得到最小的測試時間。如固定K、V、A，使ΔP變化，按（3）式求解，并依據F（t）=Min∑（Ti-Ti-1）2得到Δhi變化過程中最小所需時間t。用相同的方式計算其他因素下的最小時間t。設V＝0.2cm3，K=5.0× 10-10～5.0×10-14cm/s，40cm2≤A≤400cm2，ΔP≤500kPa，其中要求A和ΔP最小情況下得1h≤t＜12h的最優化配置。土工膜滲透系數試驗條件優化配置結果見表3。

表3 土工膜不同滲透系數條件下最短測試時間優化配置

從表3中可知，在上述測試條件下的優化配置中，K＞5.0×10-10cm/s時，對測試條件可不做要求，對于K＞5.0× 10-14cm/s時，試樣過水面積和試驗水壓力應選最大值；對于K＜5.0×10-13cm/s時，可根據已有儀器對照表3選擇。

4 結論

防滲土工膜的滲透系數很小，測試往往需要很長時間，過長的試驗時間又會帶來滲透水量測試值的偏差，進而影響試驗結果的準確，另外長時間水壓力下試驗還會對儀器造成損壞。因此，如何控制滲透系數試驗時間，便于操作和提高試驗結果的準確性有著重要的意義。為縮短測試時間，一方面可通過增大試樣過水面積來縮短，但試樣最大過水面積又受試驗儀器限制不可能很大，另一方面可通過增大試驗水壓力來縮短，但試驗最大水壓力不能大于土工膜耐靜水壓。本文通過土工膜滲透系數測定中對時間最優化配置，得到：測試土工膜滲透系數K=5.0×10-10～5.0×10-12cm/s時，現行規程要求的試樣過水面積和水壓力條件均滿足對測試時間要求；土工膜滲透系數K≤5.0×10-13cm/s時，選擇試驗過水面積200cm2，水壓力200kPa較適宜；當土工膜滲透系數K≤5.0×10-14cm/s時，試樣過水面積和試驗水壓力應選最大值，在這種條件下試驗，應注意做好儀器保護和防止體變管水量蒸發損失措施■