毛细式透排水带排水能力试验研究.pdf

广西水利水电G X WA T E R R S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 1 ( 4 ) 试验 研 究 毛细式透排水带排水能力试验研究 凌贤宗 ， 黄凯 ， 张正国 ( 1 广西水利科学研究院，广西南宁5 3 0 0 2 3 ；2 广西水利厅，广西南宁5 3 0 0 2 3 ) 【 摘要】 主要介绍了毛细式透排水带和不同渗透特性土壤组合 ， 在不同倾角布置时的反滤排水试验成果 ， 为毛细式 透排水带应用于土坝坡脚反滤排水体改造提供科学依据。 关键词】 毛细式透排水带 ； 排水能力； 试验 【 中图分类号 T V 1 3 1 6 1 【 文献标识码 B 文章编号】 1 0 0 3 1 5 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 0 1 0 3 1 研 究的背景 毛细式透排水带作为新型排水材料， 有效结合 了毛细力、 虹吸力、 表面张力、 重力的效力， 克服了传 统排水材料易堵塞的缺点【 ” ， 较成功地解决 了土壤 排水 、 集水 困难的问题 。其排水主要原理 ： 毛细式透 排水带是在软质橡胶塑料材料上开设密集槽孑 L ， 槽 孑 L 设计为内大外小， 埋设时使槽孔面向下， 利用毛细 吸水原理 ， 水流由下往上倒吸进入毛细导水槽孔 ， 由 于沟槽进水 口宽度较导水毛细管直径窄小较多 ， 水 流中的土壤颗粒因重力产生自然沉淀， 土壤颗粒不 会随同水流进毛细导水管 内， 也不会在进水槽沟附 近产生淤积。同时 ， 毛细式透排水带巧妙利用表面 张力现象使水流在窄沟槽上自动形成封闭水膜， 阻 止水流在沟槽外漏。当水开始进入带体内部时， 毛 细现象会 自然而然 的对土壤 中的水分产生抽 吸效 果， 直到毛细导水管灌满， 然后水体在重力作用下流 向出 口排放。当水流到达 出口溢 出时 ， 水体 因存在 落差又在排水带沟槽内产生虹吸作用， 进一步对土 壤内部产生负压， 大幅增加吸排水效率( 见图 1 ) 21 。 纛 、 一 装 毫 Il 排 L 功 能 1 (r J J 能 ) 图 1 毛细式透排水带机理 示意 图 “ 十二五” 期间， 广西将大规模开展小( 二) 型水 库除险加固， 根据调查统计， 广西小( 二) 型病险水库 共 2 7 6 0 座 ， 水库大坝基本为土坝， 而且很大一部分 土坝需对坝下游坡脚反滤排水体进行更新改造。传 统的坝坡脚反滤排水体基本采用砂石料铺砌 ，砂石 料用量大 ，由于在适宜建造土坝的地方大多缺乏砂 石料， 且很多土坝地处偏僻， 路途较远， 交通不便， 砂 石料运输困难 ， 人工搬运成本较高， 投资较大， 另外 传统砂石反滤层易堵塞。 有鉴于此 ， 本文通过室内试 验研究毛细式透排水带的排水能力，并在试验的基 础上推广应用于坝坡脚反滤排水体改造3 1。 2 试验 方案 试验的主要任务 ：检验在不同渗透系数土壤 中 毛细式透排水带的反滤排水效果 ，及确定毛细式透 排水带的布置形式。 试验要求： 选取 6 种不同的土样， 其渗透系数分 别为不同的数量级 ；毛细式透排水带从 0 。倾角开 始至 7 5 。倾角结束， 每增加 l 5 。倾角为一个布置形 式 ， 共 6 个 布置形式 ； 待排水量稳定后 ， 连续观测 6 次 ，每次持续的时间根据毛细式透排水带反滤排水 的速度确定。 试验步骤： 以防城港市防城区茅岭江、 南宁市 邕江砂场、 南宁市佛子岭路东、 南宁市二塘六 安坡 、 博白西牛水库、南宁市西乡塘两水水库为取土场取 土， 分析土壤的物理性质； 制作长 X宽 X 高=1 6 0 c mX 6 0 c m 6 0 c m的试验箱 1 个， 按试验要求布置 毛细式透排水带， 将其一端固定于试验箱中， 另一端 【 收稿日期】 2 O l 1 0 6 1 1 【 修回日期】 2 0 1 1 0 7 1 l 【 作者简介】 凌贤宗( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 广西北流人 ， 广西水利科学研究院高级工程师， 学士， 主要从事节水灌溉研究工作。 凌贤宗， 黄 凯， 张正国： 毛细式透排水带排水能力试验研究 引出箱外封闭。在填土过程 中， 以 5 e m为一层分层 压实 ， 土料 的压实度10 9 6 。土料压实后 ， 毛细式透 排水带上部覆盖的土层厚度不小于 2 0 e m ( 试验箱 及排水带布置形式见图2 、 3 所示) ；毛细式透排 水带按要求 安装并将覆土压实后 ，向箱 中加入净 水 ，保持箱中水位衡定 ，待排水带排水趋于稳定后 ( 约 8 h ) ， 开始收集排水。试验共历时 2个月 ， 试验 温度 l 5 c c。 图 2 试验箱样式 3试验结果分析 试验箱实际内部空间尺寸为：长 宽 X高 = 1 5 8 0 e m5 7 7 e m X 5 9 0 c m，毛细式透排水带的宽 度为 2 0 e m ( 产品标准规格) ，土壤 的物理性质见 表 1 所示。根据土壤物理性质测 试结果 ，6种上壤 的渗 透 系 数 分 别 为 ：1 9 61 0 、9 7 2 X i 0 、 5 7 9 1 0。 4 、 7 2 4 X l 0 、 2 5l X 1 0 南、 7 66 x 1 0 c m s ，各类土壤处 于不 同数量级 ，满足试验要 求 。根据土壤的颗粒组成及渗透系数，防城港 巾防 城区茅岭江取土属于中砂 、南宁市 邕江砂场取 上属 于细砂 、南宁市佛子岭路东和南宁市二塘六安坡取 图 3 排水带布置形式 土属于粘土质砂 、博白西牛水库和南宁市西乡塘两 水水库取土属于砂低液限粘土。各种土样的物理性 质见表 1 。 表 1 毛细式透排水带室内反滤排水试验土壤物理性质表 为了衡量毛细式透排水带的反滤排水效果， 将 毛细式透排水带单位面积 、 单位时间的排水流量与 土壤的渗透系数进行 比较 ， 结果见表 2 ， 从分析结果 来看 ： 试验编号 l 和 2中， 毛细式透排水带的布设倾 角与单位面积排水量之间没有明显的相关关系， 且 其单位面积排水量接近试验土壤的渗透系数。分析 原因 ： 试验编号 1 和 2的土壤为中砂和细砂 ， 粒径分 2 布不均匀( 主要集中在 0 0 7 5 2 I i ra之问 ) ， 细颗粒较 少 ， 渗透系数较大 ， 保水性差 ， 毛细式透排水带的毛 细作用不强， 但反滤排水效果依然很明显。 试验编号 3 、 4 、 5中，毛细式透排水带单位西积 排水量明显高于试验土壤的渗透系数，毛细式透排 水带反滤排水效益明显。 另外 ， 毛细式透排水带的布 设倾 角与单位面积排水量之问关系明显 ， 在 0 。 一 4 5 。 广西水利水 电G X WA T E R R S O U R C E S& H Y DR O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 1 ( 4 ) 之 间时 ， 随布设倾角的增加 ， 毛细式透排水带单位面 积排水量明显增加，但布设倾角为 6 0 。 时的单位面 积排水量明显低于布设倾角为 4 5 。 时，且超过 6 0 。 后 ， 毛细式透排水带的布设倾角与单位面积排水量 之间的相关关系不 明显 。 分析原因： 试验编号 3 、 4 、 5 的土壤为粘土质砂和含砂粘土 ， 粒径分布较均匀 ， 保 水性较好， 渗透系数较小， 土壤毛细作用力较大， 毛 细作用得以充分发挥 ， 毛细式透排水带的反滤排水 效果明显； 另外 ， 毛细式透排水带布设的倾角小于 4 5 。 时 ， 土壤颗粒在垂直于排水带 的方 向上受到毛细 吸力和重力法向分力的共同作用下， 对于土壤一般 颗粒 ， 其重力法 向分力大于毛细吸力 ， 颗粒不会被吸 人排水带的输水管而造成堵塞。当毛细式透排水带 布设的倾角大于 4 5 。 ， 随着角度的增大， 重力法向分 力逐渐变小 ， 而毛细吸力反而逐渐变大 ， 部分土壤颗 粒被 吸人输水管 中， 造成堵塞 ， 影响反滤排水效果。 毛细吸力的增加和土壤颗粒的堵塞共同作用 ， 导致 毛细式透排水带的布设倾角与单位面积排水量之间 的相关关系不明显。 试验编号 6中， 毛细式透排水带单位面积的排 水 量为试验土壤渗透 系数 的 1 0 0倍 ， 且 随着毛细式 透排水带布设倾角的增加， 其单位面积排水量明显 增加 。分析原 因： 由于试验土壤属于含砂低液限粘 土， 其渗透系数非常小， 且土壤细颗粒所占比例较大 ( 粒径 0 0 7 5的土壤颗粒 占土壤总量的 7 1 6) ， 毛 细式透排水带的毛细作用显著 ， 反滤排水能力增强 ； 另外 ， 由于试验土壤细颗粒所 占比例较大， 且土粒之 间的粘滞力较大，绝大部分被毛细力吸人的土壤颗 粒较小 ， 会迅速被水带走 ， 堵塞效应没有前几种试验 土壤 明显 ，故毛细式透排水带单位面积排水量受其 布设倾角的影响明显 。 纵向比较试验编号 1 - 6 ， 得出如下规律： 随着 试验土壤的渗透系数减少，毛细式透排水带的反滤 排水效益越明显。分析原因： 当试验土壤为砂土， 渗 透系数较大时( 试验编号 l 、 2 ) ， 虽然毛细式透排水 带 的毛细作用不强 ， 但由于其有效集水面积较大， 排 水能力仍能达到试验土壤的渗透能力，其单位面积 的排水量接近土壤单位面积的渗透水量；当试验土 壤为壤 土和粘土 ， 渗透系数不大时( 试验编号 3 、 4 、 5 、 6 ) ， 毛细式透排水带的毛细作用逐渐增强 ， 反滤排 水效益也逐渐增大，其单位面积的排水量甚至可达 到土壤单位 面积的渗透水量的 1 0 0 倍 ，但 由于受到 试验土壤渗透能力的限制 ， 在壤土和粘土中， 毛细式 透 排水带单位面积 的排水量 比其在砂土 中的值要 小；试验编号 5 的效益比高于试验编号 6 的效益 比。分析原因：由于试验编号 5土顶面水头为 3 1 3 c m， 高于试验编号 6土顶面水头( 0 。 一 4 5 。 时为 l 3 5 c m， 6 0 。 和7 5 。 时为 2 3 3 e m) ，故出现试验编号 5的 效益 比高于试验编号 6的效益 比，进一步说明毛细 式透排水带 的排水效果受水头影响( 下转第 8页) 3 陈 齐： 剪切硬化粘土应力应变关系归一化性状分析 No r ma l i z a t i o n c ha r a c t e r a n a l y s i s o f s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o ns hi p f o r s he a r i ng ha r d e ni ng c l a y C H E N Q i ( X i a n C h i n a H i g h w a y G e o t e c h n i c a l E n g i n e e ri n g C o ， L t d ， X i a n 7 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n Du c a n Ch a n g h y p e r b o l i c mo d e l ，s y s t e ma t i c n o r ma l i z a t i o n c h a r a c t e r a n a l y s i s w a s ma d e f o r t h e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f s h e a r i n g h ard e n i n g c l a y ； n e w n o r m ali z a t i o n f a c t o r s o f ( 1 一 O 3 ) u lt a n d( c ) ” w e r e d e ri v e d t h e o r e t i c all y a n d w e r e v e ri fi e d b y a c t u a l e x a mp l e s I t w a s d e mo n s tr a t e d t h a t n e w n o r ma l i z a t i o n f a c t o r s ma y r e n d e r g o o d e f f e c t w h e n c o n v e n t i o n a l f a c t o r s f a i l t o r e a l i z e s a t i s f a c t o r y n o rm a l i z e d c h a r a c t e r a n d s h a l l b e s p r e a d a n d a p p l i e d i n a c t u a l p r o j e c t Ke y wo r d s ：E a r t h ； s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p ； n o rm a l i z a t i o n ； c h a r a c t e r ； f a c t o r ； h y p e r b o l i c mo d e l ( 上接第 3页) 明显， 水头越高， 其反滤排水能力越强。 4 结 论 ( 1 ) 毛细式透排水带在不同渗透 系数 的土壤 中均能有效地排除渗透水； ( 2 )在渗透性越弱的土壤中， 毛细式透排水带 的排水相对效果越显著 ； ( 3 )在砂质土壤中， 毛细式透排水带的布设角 度对其排水效果没有明显的影响； ( 4 )在壤土和粘土中， 毛细式透排水带的布设 角度对其排水效果有明显的影响， 为了增强排水效 果 、 防止淤堵 、 以及减少土壤颗粒流失 ， 建议其布置 倾角为 4 5 。 左右； ( 5 ) 毛细式透排水带 的排水效果受水 头影 响 明显， 水头越高， 其排水能力越强。 参考文献 【 I 】 洪明瑞 土坝边坡渗漏治理施工案例之探讨【 A1 论文集 编委会2 0 0 4海峡两岸地工技术 、岩土工程交流研泔会会议 论文集 C 台北 ： 明志科技大学， 2 0 0 4 ： 2 5 2 8 【 2 】2 洪明瑞 土木工程导、 排水新技术与工程案例之探 讨I J J 土木技术 ， 2 0 0 1 ， ( 2 ) ： l 1 1 6 【 3 】 阮清波，黄凯 毛细式透排水带在土坝反滤排水改造 工程中的应用研究 J 广西水利水电， 2 0 0 8 ， ( 6 ) ： 5 0 5 2 ( 责任 编辑： 周 群 ) Te s t a nd s t u dy o f c a p i l l a r y -f r i ng e be l t dr a i n a b i l i t y L I NG Xi a n z o n g ， HUA NG Ka i ， Z HANG Z h e n g - g u o ( 1 G u a n g x i H y d r a u l i c R e s e arc h I n s t i t u t e ， N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a ； 2 G u a n g x i Wa t e r R e s o u r c e s D e p a r t me n t ， N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：F i l t e r d r a i n t e s t s o f c a p i l l a ry- f rin g e b e l t w e r e c o n d u c t e d f o r s o i l c o mb i n a t i o n s wi t h d i f f e r e n t s e e p a g e c h ara c t e r i s t i c s a n d u n d e r d i ff e r e n t d i p p i n g a n g l e s An i n t r o d u c t i o n w a s ma d e o n t h e r e s u l t s o f t e s t s ，a i mi n g t o p r o v i d e s c i e n t i f i c b a s i s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f c a p i l l a r y - f ri n g e b e l t i n r e c o n s t r u c t i o n o f fi l t e r d r a i n b o d y a t e a r t h d a m t o e Ke y wo r d s ：C a p i l l a ry - f rin g e b e l t ； d r a i n a b i l i t y ； t e s t 8