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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，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 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，测压管水头差H 为 0.2cm，相应的渗径长度 L 为 10cm。如果不考虑水的粘滞系数，该反滤材料的渗透系数为：k=kT=920+900+850 103(102)2 0.2 60=9.45/根据土工合成材料应用技术规范中对反滤材料透水性的要求，反滤材料的渗透系数须 大于 10 倍被保中国科技期刊数据库 工业 A 134 护土的渗透系数。对于常见土的渗透系数，砾砂的渗透系数最大，为 610-2 1.810-1 cm/s，对反滤材料的渗流系数要求最高，即反滤材料的渗流系数至少需 1.8cm/s。而本反滤材料的渗透系数为 9.45cm/s，远高于被保护土为砾砂的要求。由此可知 该反滤材料满足各种土的渗透性要求。2.3 保土性 2.3.1 被保护土的性质 对现场采集的土样进行颗粒级配分析试验，随机称取 200g 试验土料，筛分析试验后得 到各层土粒的质量见表 3。表 3 样土筛分析数据 最大粒径（mm）4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.15 以下 筛余量（g）0 15.15 39.04 45.24 37.23 26.65 31.56 分计筛余（%）0 7.58 19.52 22.62 18.62 13.33 15.78 累积筛余（%)小于某粒径 100 97.44 89.86 70.34 47.72 29.11 15.78 的土所占分 数（%）100 97.44 89.86 70.34 47.72 29.11 15.78 图 1 样土颗粒级配曲线 根据筛分析结果画出颗粒粒径级配曲线见图 1。从图可得到土样的特征颗粒 d60=0.4mm、d10=0.09mm，求得不均匀系数 Cu=d60/d10=4.445，为匀粒土，级配不良。其中 d60 表示过筛重量占 60%的粒径，d10 表示过筛重量占 10%的粒径，Cu 表示反映土颗粒粒径分布均匀性的系数。2.3.2 保土性 称取相同量的土粒，在相同水头下做透水试验，收集流失的水流，烘干后测定土的质 量，即为土的流失量。本试验称取土量均为 200g，在相同水头时，测定不同水灰比、集灰比、厚度导渗滤土材料的土的流失数据。结果见表 4。表 4 导渗滤土材料的保土性实验数据 编号 集灰比 水灰比 厚度(cm)流土量(g)流土百分量(%)1 0.2 0.5 1 35.17 17.56 2 0.2 0.5 2 11.72 5.86 3 0.3 0.5 1 43.02 21.51 4 0.3 0.5 2 31.23 15.62 5 0.3 0.5 3 8.33 4.16 6 0.3 0.4 1 9.64 4.82 7 0.2 0.4 2 11.26 5.63 由表 4 可知，分析实验数据可以看出该种反滤材料的保土性与厚度没有线性无关系，无规律可寻，所以即厚度对该种反滤材料的保土性影响不大。而水灰比与集灰比的影响相 比较之下发现其影响要大的多，综合分析相比之下集灰比 0.3，水灰比 0.4 时为的保土效果最佳配合比。称取流失土 100g 进行筛分析，了解流失土的颗粒大小范围，从而判断反滤材料的孔隙情况。由筛分析可知，流失土中 70%以上为小于 80m 的土颗粒。土工合成材料应用技术规范规定最多允许颗粒含量 5%的且小于 0.1mm 粒径的小颗粒被渗流带走，但不影响土骨架稳定，且不得堵塞反滤层孔隙。综合分析可知，最佳保土性的 导渗滤土材料集灰比为 0.3，水灰比 0.4，厚度为 3cm，流失土中 70%以上的都是比 80m 更细的土颗粒，满足规范要求。2.4 防淤堵性 反滤材料使用一段时间后，都会不同程度上出现一些淤堵现象，影响正常使用。土工织物用作反滤材料也正是存在淤堵现象。防淤堵性的试验探究主要是做梯度比试验，在水力梯度逐级递增的条件下，进行防淤堵性性试验。在本研究中，参照土工布淤堵试验，测出了导渗反滤材料的淤堵量。试验与保土性试验中同时进行。试验前称量反中国科技期刊数据库 工业 A 135 滤 材 料 试 样 的 质 量 为 462.83g，过 水 量 为 1.51.53=6.75L，试验结束后，取出反滤材料试样，轻轻清除表面浮土，烘干后称量反滤材料及其内部含土的总质量为 465.96g，可得反滤材料中的含土量为 3.13g，总的土量为 200g，反滤材料中的土量占总土量百分比为 1.6%。考虑长期反滤的情况，反滤材料中的土中小于 80 m 的土会随滤水的流出而被带走，剩下少量稍大颗粒的土，它们之间也会形成骨架和空隙，从而保证反滤和渗透作用，故该反滤材料在长期使用时能有较好的防淤堵性和透水性能。2.5 应用研究 2.5.1 彭泽县芙蓉墩镇防洪工程简述 芙蓉墩镇防洪工程位于彭泽县芙蓉墩镇及芙蓉农场，防洪保护圈主要由芙农堤、芙蓉内堤与长江干堤芙蓉堤组成，圩堤堤线总长 15.367km(不含长江干堤)，其中芙蓉堤起始于芙蓉闸，终点位于杨家咀高地，全长10.322km。芙蓉内堤起始于芙蓉闸，止于观音沟山体，全长 5.045km，主要保护范围为芙蓉墩镇及芙蓉农场、湖平公路及铜九铁路等重要基础设施，保护面积14.80km,耕地面积 19000 亩，人口 12000 人。芳湖 10年一遇设计洪水位 18.15m。现圩堤兴建于上世纪五十年代，经多年修建加固达到现有规模。选择在此进行导渗反滤材料的应用研究是由于圩堤正在进行整治改造，整治的主要内 容：圩堤断面加固培厚土方、迎水坡混凝土预制块护坡，堤顶沉结石路面、背水坡草皮护 坡、堤基水平防渗工程堤后压浸、填塘固岸、穿堤建筑物重建或加固、闸门及启闭机安装等工程管理设施建设。2.5.2 生态导渗反滤构件工程应用（1）设计方案 选取30m 两个标准堤段，间隔30m。顺坡设置“井”字型纵、横导渗反滤排水沟，目的是解决汛期大堤严重的渗漏水险情。具体设置为：在下游坡面马道以上的坡段（坡 比 1:2.50）铺 设 反 滤 体，尺 寸 为 100cm20cm40cm 的全陶粒导渗预制块，主要起排泄雨水和积水的作用；在马道以下的坡段（坡比 1:2.75）铺设导渗反滤体，尺寸为 100cm20cm（30+10）cm，上层为 30cm 厚的陶粒导渗层和下层 10cm 厚的谷壳导渗反滤层，主要起导渗反滤作用。图 2 芙蓉堤纵、横导渗反滤排水沟的设计（2）施工方案 导渗反滤体构件采用预制方式。施工工序，反滤体预制土方开挖反滤体埋设土方加填。每 m反滤体配比为：陶粒 315kg、水泥 105kg、水42kg、减水剂 1.05kg、谷壳 73kg、水泥 243kg、水 97kg。预制后测得陶粒层和谷壳层的表观密度分别为0.770kg/m、1160kg/m。预制成型时根据现场拌合料的情况比对试验室配比进行配合比调整。采用立式搅拌机拌制。模板尺寸为 100cm20cm40cm，下层 10cm厚为谷壳反滤导渗层，上层 30cm 厚为陶粒导渗层，混合料分层装模。用薄膜盖住养护两天后拆模。在坝坡段进行放样土方开挖。因仅试验段开挖，工程量较小，故采用人工开挖方式根据导渗反滤构件厚度确定开挖深度，并进行开挖后的平整。构件铺设时，预制构件之间的接头处填充小颗粒的光滤石，便于反滤导渗的连续性。在施工过程中从材料的现场检验，到混凝土的模板制作安装再到混凝土的浇筑养护等各个环节进行严格的质量控制。芙蓉堤试验段纵、横导渗反滤排水沟长 376m，总造价 39250.09 元，即单价 1177.27 元/m,折算成每 m反滤导渗构件的全部成本为 104.39 元。此为人工小段面的成本，如果为整体堤坝施工，原材料批量采购，采用机械开挖，成本会大大降低。（a）实验段圩堤状况 中国科技期刊数据库 工业 A 136 （b）非实验段圩堤状况 图 3 2016 年 9 月汛期后实验段和非实验段圩堤对比 3 结语 对复合式导渗反滤材料进行了设计、制备研究，并在九江市彭泽县芙蓉堤进行了应用研究，取得了很好应用效果。导渗反滤材料可以用于需要导渗反滤的结构，如堤坝的抗洪防灾、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，具有很好的推广应用前景。参考文献 1林继镛.水工建筑物(第5版)M.北京:中国水利水电出版社,2009.2刘杰.土石坝渗流破坏的原因及控制措施J.水利水电技术,1979(3):002.3刘杰.当前反滤层设计中的几个问题J.水利水电技术,1986(10):5-22.4杜春雪，徐 超，彭善涛.土工织物反滤作用研究进展J.长江科学院院报，2022，39（2）：108-114.5 中华人民共和国国家标准.土工合成材料应用技术规范.GB/T 50290-2014S.北京：中国计划出版社，2014：12.