土工合成材料在水利工程防滲中的應用

李延忠,呂 曉

(山東省泗水縣水務局,山東泗水273200)

水利工程中的土壩體在水壓和水流沖擊作用下,容易形成各種滲流災害,特別是在蟻穴鼠洞等動物侵襲條件下,以及各種植物根系的侵蝕作用下,滲流災害更加嚴峻[1]。所以,采用土工合成材料的工程學意義在于實現有效阻水的同時,有效避免動物植物對壩體結構的侵襲作用[2]。

當前技術條件下的土工合成材料,在精篩三合土的基礎上,融入石灰、粉煤灰等材料,降低壩體土壤肥力以避免植物滋生[3],適當增加針對螞蟻、老鼠等打洞動物的驅逐效果,最終實現對壩體的有效保護[4]。同時該材料應該具有易夯實的特性,避免其自身致密度不足造成滲流損壞[5]。

該領域研究中,國外文獻較為豐富,雖然土工合成材料在國內相關項目中的應用已經逐漸普及,但相關研究落后于國外同時期水平。該研究通過文獻調查法,分析多個壩體土工合成材料的實際應用效果,研究土工合成材料的最佳成分構成[6]。

1 土工合成材料對壩體阻水性能的影響

相關研究中,土工合成材料由精篩三合土作為主材料,經過500 目篩精篩的經過預干燥和預粉碎的三合土顆粒,混合經過1500 目篩精篩的熟石灰顆粒,5000 目粉煤灰顆粒,使用5:2:1的混合比,經過初步夯實后,可以形成壩體的阻水體系[7]。

相關分析中,使用SPSS 大數據分析軟件中的雙變量t 校驗進行數據比較分析,分析結果中的Value 值作為t 值,Log 值作為P 值,其 中:當t<10.000 時認為存在統計學差異,t 值越小,認為數據差異性越大,當P<0.05 時認為分析結果處于置信空間內,當P<0.01 時認為分析結果具有顯著的統計學意義,且P 值越小,認為數據顯著性越高。

與傳統夯土壩體相比[8],該土工合成材料構成的三合土結構形成的阻水效果見表1[9]。

表1 土工合成材料的阻水性能Table 1 Water resistance of geosynthetics

表1 中,使用土工合成材料構建壩體主體結構后,滲流流量控制能力提升5.7 倍,防侵蝕能力提升5.1 倍,壩體水土流失控制能力提升6.1 倍,且所有比較數據存在t<10.000、P<0.01的顯著統計學差異。足以證明,使用上述土工合成材料后,壩體的防滲能力得到顯著提升。上述三項阻水性能的工程學意義分別為:

(1)滲流流量指壩體內的土層滲流帶來的水流量,即壩體內側的地表水穿透壩體向壩體外側地下水的補給速度。該滲流是造成壩體內部結構損傷的主要作用來源。即有效控制壩體滲流流量,才可以實現壩體的免維護周期在容許范圍內,如果滲流量增加,則壩體需要進行高密度探傷作業,從而保障壩體的穩定性[10]。

(2)重度侵蝕深度指壩體靠近內測地表水一側形成的飽和水土混合體厚度,此時土層中達到水飽和狀態,如果發生沖擊水流,則極容易造成壩體水土流失。常見壩體內測布置的砌碹層,即是對飽和水土混合體的流失進行控制,減少水流對壩體的沖刷。控制重度侵蝕深度,可以有效控制壩體損傷程度[11]。

(3)水土流失量指壩體受到水流侵襲,造成壩體土層損失。相關研究中,加強壩體夯實程度、構建地表水一側的砌碹層等措施,可以控制水流侵襲。該比較策略是在以上其他相關策略保持一致的前期條件下的水土流失量表達[12]。

該土工合成材料在上述三種比較項目中均表現出數倍的抵抗能力,其根本原因在于該土工合成材料的粒徑較小,最大程度減少了內部裂隙,且粉煤灰和熟石灰等材料會在水侵襲條件下發生粘性膨脹,進一步穩固壩體。

2 工合成材料對生物侵襲的防范作用

土工合成材料對生物侵襲的防范作用主要為熟石灰和粉煤灰等摻入材料會有效破壞土壤的肥力,使植物種子無法有效發育,同時其生物毒性導致在其中打洞的螞蟻、老鼠等動物無法健康生存而主動遷移,形成驅離效果。且該毒性不會對水體帶來次生污染,較在壩體內進行化學滅蟲除草,其生態安全性更高[13]。

同樣采用SPSS 雙變量t 校驗法,比較分析采用土工合成材料前后壩體的生物侵襲發生程度,得到表2。

表2 土工合成材料的防生物侵襲能力(m)Table 2 Biological invasion resistance of geosynthetics (m)

表2 中,蟲蛀洞穴指直徑10mm 以下的生物侵襲洞穴,一般由螞蟻等昆蟲節肢動物、蜈蚣多足綱節肢動物、蚯蚓蚰蜒等軟體動物鉆洞筑穴而成,其中螞蟻洞穴的深度最大,分支較多,對壩體的破壞程度最大。大型動物洞穴指直徑10mm 以上的生物侵襲洞穴,包括鼠、兔等嚙齒哺乳動物,蛇、青蛙、蜥蜴等兩棲、爬行動物,泥鰍等魚類在壩體內的鉆洞筑穴結果[14]。草本植物和灌木間距也進行分別統計。比較發現,使用土工合成材料后,蟲蛀洞穴間距增加25.3 倍,大型動物洞穴間距增加10.8倍,草本植物根系間距增加53.8 倍,灌木根系間距增加23.8 倍,且該比較數據t<10.000、P<0.01,具有顯著統計學差異。可見使用土工合成材料后,壩體對生物侵襲的主動防范能力得到顯著提升,進一步配合相關的除草和殺蟲驅離工作,可以在更小的化學藥物用量條件下實現更徹底的壩體生物侵襲防范工作。

生物侵襲是壩體應用過程中發生持續損傷的重要來源,所以參照相關文獻數據[15],比較使用土工合成材料的新型壩體與傳統壩體在全面有人介入維護的前提下,5年內的實際運行數據,得到圖1。

圖1 壩體滲流流量變化圖Fig.1 Variation diagram of dam seepage flow

圖1 中,傳統技術實現的夯土壩體,在投運5 年內,水流量急劇增加,增加幅度超過3 倍,從2.35m3/h·m 飆升到7.84m3/h?m,而采用土工合成材料的新型壩體,在投運5 年內,雖然也發生了滲流流量的大幅度增加,但其增加幅度從最初的0.41m3/h?m 增加到0.92m3/h?m,增加幅度為2.2 倍。但第1 年傳統壩體滲流量為新型壩體的5.7 倍,第5 年傳統壩體滲流量為新型壩體的8.5 倍,二者之間仍然保持了較大差距且該差距發生了顯著放大。其根本原因為使用合成土工材料的新型夯土壩體的生物侵襲防范作用,使得壩體中長期穩定性得到了顯著提升。

3 土工合成材料在新型夯土壩體中的應用策略

首先,應革新施工工藝充分壓縮土工合成材料應用中的施工成本。該文中采用土工合成材料構筑夯土壩體的工程實現策略,可以在中短期內有效控制壩體穩定性,具有較顯著的工程價值。但其施工過程中,因為增加了較多的三合土及相關材料的精磨精篩過程,帶來額外的臺班成本和工時成本。即其可能帶來壩體施工成本的大幅度增加。所以需要在后續研究中對采用土工合成材料的夯土壩體構筑工藝進行充分優化。開發相關專用機械設備或者實現土工合成材料的集中加工工藝,是實現該施工成本控制的重要策略。

其次,開發新型土工合成材料配方,進一步提升壩體穩定性控制效果。文中選用的土工合成材料配方為:500 目三合土精篩顆粒,1500 目熟石灰顆粒,5000 目粉煤灰顆粒,采用5:2:1的配比形成一種土工合成材料。但相關研究中也提出了多種其他土工合成材料配方,如增加熟石灰配比增加土工合成材料的堿性,增加粉煤灰配比增加土工合成材料的酸性。也有其他土工合成材料引入其他組分進一步優化土工合成材料性能,或增加注漿等工藝對夯土壩體進行加固處理。相關數據表明,采用各種土工合成材料配方條件下,均較傳統三合土壩體有顯著的穩定性提升作用,但各種土工合成材料之間的數據差異性并不顯著。所以,進一步研究土工合成材料的配方,使土工合成材料在防滲流、防生物侵襲等方面有更佳表現,是未來對土工合成材料的重要提升方向。當前國內新建沿河土石壩、夯土壩或攔河土石壩、夯土壩時,土工合成材料已經成為首選工程實現方式,未來研究更多指向對土工合成材料本身性能的提升。

4 總結

對既有文獻資料進行梳理匯總[16],采用了土工合成材料的壩體,其防滲能力得到顯著提升,且中短期如5年內,壩體防滲能力也可以得到有效控制,同時,土工合成材料有效降低了壩體土層肥力,使得生物侵襲作用得到有效控制,壩體上的動物洞穴分布密度和植物根系密度得到顯著控制,使得壩體在持續運行過程中的穩定性得到持續保障[17]。后續研究應在土工合成材料制備工藝方面進行持續優化,降低土工合成材料制備成本,同時研究土工合成材料的新型配方,使得土工合成材料本身的穩定性指標得到進一步提升。