張書林

（安徽省·水利部淮河委員會水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

土工膜滲透系數(shù)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(xué)研究院 蚌埠 233000）

近年來土工膜防滲技術(shù)大量應(yīng)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(shù)在工程防滲應(yīng)用中是一項重要參數(shù)，現(xiàn)行規(guī)程已規(guī)定了相應(yīng)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(jìn)行研究分析，通過最優(yōu)化配置，給出了不同滲透系數(shù)的測定條件建議。

土工膜 滲透系數(shù) 水壓力 過水面積

1 引言

土工膜是以高分子聚合物為基礎(chǔ)原料生產(chǎn)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(yīng)用中復(fù)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(yīng)用到工程的防滲中。由于土工膜滲透系數(shù)是設(shè)計、施工重要參數(shù)，所以土工膜滲透系數(shù)的測定受到重視?，F(xiàn)行規(guī)程規(guī)定土工膜滲透系數(shù)測試試樣過水面積應(yīng)大于20cm2，試驗水壓力為100kPa，對于滲透系數(shù)小的土工膜可通過延長測試時間，選擇滲水量更小的設(shè)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(shù)與試樣過水面積、試驗水壓力、試樣厚度和試驗時間有關(guān)。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(nèi)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(fā)，從而影響到滲透系數(shù)的測試結(jié)果，另外長時間的持續(xù)試驗對儀器也會造成損害。同樣，按規(guī)程規(guī)定試驗水壓力100kPa測試滲透系數(shù)，在一定時間內(nèi)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(shù)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(shù)的測試有著重要意義。本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)程中規(guī)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(jìn)行分析，通過各測試條件因素最優(yōu)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(xiàn)有國內(nèi)巖土工程不同材料室內(nèi)滲透系數(shù)測試規(guī)程中了解到，不同材料滲透性分別給出相應(yīng)的測試方法：砂、砂壤土滲透系數(shù)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?。蝗劳?、粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)為1×10-4～1×10-6cm/s，由于滲透系數(shù)較小，試驗中滲透比降較大，采用南55型滲透儀試驗，強(qiáng)風(fēng)化巖體或水泥土滲透系數(shù)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(jìn)行滲透試驗；土工織物滲透系數(shù)很大，垂直滲透系數(shù)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(tài)下，其滲透系數(shù)的測試應(yīng)選擇相應(yīng)的試驗裝置和測試方法?；谕凉つB透系數(shù)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(shè)定試樣過水面積40cm2、100cm2、200cm2、300cm2、400cm2，并設(shè)定試樣厚度0.05cm、試驗水壓力100kPa、滲透水量為0.1cm3,按上述設(shè)定參數(shù)計算土工膜不同滲透系數(shù)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(shù)，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(shù)；

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(shè)定不同過水面積下滲透系數(shù)與所需時間計算表

計算結(jié)果見表1，不同試樣過水面積下滲透系數(shù)與所需時間的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 不同過水面積下滲透系數(shù)與所需時間關(guān)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??；同一個過水面積下，滲透系數(shù)k減小10倍，測試時間增加10倍。在現(xiàn)行規(guī)程舉例的過水面積40cm2，試驗水壓力100kPa下，土工膜滲透系數(shù)從3.5×10-11cm/s變化到3.5×10-14cm/s，土工膜滲透系數(shù)減小了1000倍，所需測試時間便增大1000倍，即相對應(yīng)的時間從0.97h變化到972.61h。當(dāng)滲透系數(shù)K=3.5×10-13cm/s時，對應(yīng)的測試時約為4天，測試時間太長，可見現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的測試條件僅適用于滲透系數(shù)K＞1.0×10-12cm/s。

2.2試驗水壓力對滲透系數(shù)測試時間的影響

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

表2 設(shè)定不同滲透水量下水壓力與所需時間計算表

圖2 設(shè)定不同滲透水量下水壓力與所需時間關(guān)系曲線

從表2和圖2看出，隨著水壓力增大，測試時間減??；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(dāng)時，滲透系數(shù)測試時間是相同的。

根據(jù)土工膜滲透系數(shù)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(shù)測試時間的影響因素，為更準(zhǔn)確地測定土工膜的滲透系數(shù)，加強(qiáng)滲透試驗的可操性，對土工膜不同滲透系數(shù)測試應(yīng)選擇相適應(yīng)的過水面積和試驗水壓力。

3 土工膜滲透系數(shù)測試條件優(yōu)化配置

3.1滲透試驗主要因素分析

根據(jù)土工膜滲透系數(shù)試驗方法，其滲透數(shù)K計算式：

上式中，對滲透系數(shù)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(shù)A、ΔP和t為倒數(shù)關(guān)系，即K越小則要求參數(shù)A、ΔP和t越大。

3.2測試時間對各參數(shù)的優(yōu)化函數(shù)

土工膜滲透系數(shù)試驗中使測試時間最小的目標(biāo)函數(shù)F （t）為：

根據(jù)測試儀器要求，有些約束條件為有定值或大值約束，上式優(yōu)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(yōu)化，優(yōu)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(jù)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(jù)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(shè)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(yōu)化配置。土工膜滲透系數(shù)試驗條件優(yōu)化配置結(jié)果見表3。

表3 土工膜不同滲透系數(shù)條件下最短測試時間優(yōu)化配置

從表3中可知，在上述測試條件下的優(yōu)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(yīng)選最大值；對于K＜5.0×10-13cm/s時，可根據(jù)已有儀器對照表3選擇。

4 結(jié)論

防滲土工膜的滲透系數(shù)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(jìn)而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)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(shù)試驗時間，便于操作和提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)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(shù)測定中對時間最優(yōu)化配置，得到：測試土工膜滲透系數(shù)K=5.0×10-10～5.0×10-12cm/s時，現(xiàn)行規(guī)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(shù)K≤5.0×10-13cm/s時，選擇試驗過水面積200cm2，水壓力200kPa較適宜；當(dāng)土工膜滲透系數(shù)K≤5.0×10-14cm/s時，試樣過水面積和試驗水壓力應(yīng)選最大值，在這種條件下試驗，應(yīng)注意做好儀器保護(hù)和防止體變管水量蒸發(fā)損失措施■