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渠道防渗工程冻胀防渗漏工程应用土工合成材料

    

吉林省水利科学研究院针对冻胀区渠道防渗工程冻胀渗漏严重、造价高的难题,研制出了复合土工膜料+5cm厚土工格室(或PP纤维)
混凝土板的成套防渗抗冻技术,经济地解决了15cm厚混凝土板都不宜抵抗住的冻害问题,使工程造价降低了30%以上。这项成果已在全省
大范围推广使用。为保证成果推广的健康有序,防止工程出现质量隐患,特提出如下应注意的几个问题。
复合土工膜的选用及其应满足的技术指标研究和使用的是排水型复合土工膜,由无纺土工织物与土工膜复合而成,分“一布一膜”和“两布一膜”,无纺土工织物起反滤排水、保护膜料和提高膜面摩擦系数的作用。
1.1土工膜的材料
国内外所甩土工膜的原材料主要是聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)两种。哪一种更适宜我省的渠道防渗工程,本文的研究结论如下:
①拉伸强度。两种材料制成的土工膜的拉伸强度相差不大,用作防渗时其拉伸强度不是选材时的主要指标。
②摩擦性能。PVC膜因添加有塑化剂。使得其伸长率比PE膜的大一些,柔性较好,与砂粒接触时可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂,从
而增加了二者之间的摩擦系数,因此,PVC膜与砂之间的摩擦系数明显大于PE膜与砂之间的摩擦系数,摩擦角平均至少大50~60%。为了
增大PE膜的摩擦性能,本文要求使用复台型膜料,因为复合膜外层的土工织物与土料的摩擦系数接近于PVC膜与土料的摩擦系数。
③可连接性。一般PE膜只能用加热熔合的方式连接,而PVC膜除此之外,还可以采用粘合剂进行粘接。因此,小于0.15mm厚的土工
膜因不宜热焊,只能选用PVC膜。最近河南省水科所开发出了适宜PE膜的KS胶粘荆及快速粘结技术,建议试用。
④经济性。目前两种材料的价格大体相当,而PE的比重小于PVC的比重,所以同样厚度的PE膜单位面积的价格要少一些。另外PVC膜出厂时的幅宽一般为1.5~2.0m,PE膜幅宽可达4m以上,相应地PE膜的接缝数量就比PVC膜的要少。
⑤低温性能。PVC膜抗低温性能不如PE膜,--15℃时脆化,拉伸率降低明显。而PE膜低温下强度提高,冻融50次后断裂伸长率降低未超过30%,表明PE膜在低温情况下可以使用。
综合以上几个方面的优缺点,再结合市场货源实际情况,本文建议选择聚乙烯膜(PE)。
1.2土工膜厚度
渠道防渗工程水压力小,施工条件容易控制,若按计算方法确定土工膜的厚度可能不足lmm。事实上,不论怎样控制施工质量,渗漏
总是可能产生的。据国外对某工程28处共20万m2土工膜的质量检测结果来看,平均每1万m2中有26个漏水孔,其中15%是自身的孔眼,
69%出现在焊缝处,其余16%主要是由于施工及运输中的刺破造成的。膜料一旦渗漏,即便是很细小的渗漏,也会对渠基土含水量产生大的影响,对工程冻胀危害甚大。《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》SL/T225—98要求输水渠道的防渗设计厚度不应小于0.25mm,重要工程和特殊部位应增加厚度}渠道防渗设计规范要求中、小型渠道宜用厚度大于0.18~0.22mm的深色膜料,大型渠道宜用厚度为0.3~o.6mm的深色膜料,特种土基,应结合基土处理情况采用厚度0.2~o.6ram的深色塑膜。
综合上述因素,从经济又满足要求考虑,可选用膜厚0.22ram、单面无纺布重量100 g/mz的复合膜料。
1.3复合土工膜的技术指标
据长江水利科学院为三峡工程所做的研究表明,复合土工膜的强度和防渗性能要优于单一膜和土工织物两者简单叠加的性能,其优良的程度
与膜和织物之间复合的紧密程度密切相关,因此复合膜的设计不能简单地参照膜和织物各别的性能指标直接套用。渠道防渗设计规范规定的仅是聚乙烯、聚氯乙烯单膜时要满足的技术要求,几乎所有厂家的产品都能达到这一要求。但从使用经验看,上述规定还有些不适宜,如:抗拉强度(MPa)指标偏低;单位与厂家给出的不统一;技术指标仅是对塑膜确定的等。
总结国内外几十年的运行经验,再结合我省的低温特点,并考虑经济承受能力,经低温冻融试验分析,本文提出了抗冻型渠道防渗用复合
土工膜的技术指标要求如下:
试验结果同时还表明,PE复合土工膜经低温或冻融后强度未降低,但延展性受到很大影响,使用时一定要做抗冻检测,水压力大时还要检测受拉伸状态时的渗透系数。
   


2. 改性PP纤维的选择及其在混凝土中的合理掺量普通混凝土极易形成千缩裂缝,影响其外观质量、使用功能及耐久性,特别是混凝土的抗冻胀变形能力和抗冻融破坏能力显著降低。本文对改性PP纤维混凝土的研究表明,其纤维对增强混凝土早期抗拉强度,防止早期由沉陷、水化热、干缩而产生的内蕴微裂纹,减少表现裂缝和开裂宽度,增强混凝土的防渗性能、抗磨损抗冲击性能及增强结构整体性有显著作用,可显著降低衬砌板厚度。为了提高对PP纤维作用机理的认识,避免因无效使用而导致的工程隐患,现将有关问题说明如下。
2.1 PP纤维的作用
裂缝是混凝土浇筑后24h内形成的,这时混凝土最敏感产生震动裂缝、收缩裂缝和沉陷裂缝。沉陷和收缩裂缝初期一般是无法观察到的,
它们常被表面抹光于表面弥合,或者不够宽而看不到,直到混凝土裂缝由于荷载使这些微裂隙薄弱面发展成可见裂缝。
针对水泥混凝土材料在硬化前的开裂现象,人们曾进行了改善其性能的研究。所有的研究均表明:在水泥基材料中掺加纤维材料可在不同程
度上改善其抗塑性干缩开裂性能。因聚丙烯(PP)纤维具有密度小、湿强度高、延伸率大、耐碱性好、价格低等特点,本文做了重点研究和
推广应用。
PP纤维是以聚丙烯物为原料,经过熔融或溶解成为粘稠纺丝液,在一定压力下由喷丝头喷丝,并经加工和表面处理而成的细纤维状物。其
均匀地加入混凝土后,可在混凝土内部构成三维乱向的支撑体系,从而极为有效地增强了混凝土的韧性,抑制塑性阶段干缩及冷缩所产生的表面裂缝。这种乱向撑托体系还可以有效地阻碍骨料的离析,保证混凝土早期均匀的泌水性,从而阻碍沉降裂缝的形成。实验表明,加人一定量的PP纤维混凝土的抗裂能力可以提高70%以上,抗折强度提高40%左右,亦可最大限度减小在有强度状态下混凝土可能出现裂缝的宽度和长度。
[作者简介]王振锌(1959--)男.毕业于武浞水利电力学院,学士,教高,现从事农田水利工程设计研究工作
2.2 PP纤维材料性能
同济大学曾经做过3种不同工艺制作的PP纤维在不同掺量情况下对水泥基复合材料抗裂性能和力学性能影响的实验,经比较分析后认为:
PP纤维品种对水泥基材料抗塑性干缩开裂能力有明显影响,直径小的拉丝PP纤维抗开裂最好,膜裂PP纤维差。本文对3个厂家提供的
PP纤维也作了比较性实验,得出了相同的结论。因此,本文要求在选择与使用PP纤维时一定要进行试验检测或比较试验。另外,PP纤维还必须是改性的和表面经过独特工艺处理的,否则,纤维的握裹力、在混凝土中的分散性、抗低温性和老化将难以保证,达不到设计要求。
为保证PP纤维混凝土使用的有效性,依据试验和相关技术要求,提出PP纤维材料性能指标要求如下:
束状单丝,抗酸碱性极高,当量直径48pm,比重0.91,长度15mm,经过抗老化处理,抗拉强度大于400Mpa,弹性模量大于3.5G pa,经低温(一78℃)检测性能无变化,断裂伸长率15~35%。
2.3 PP纤维的合理掺量与配比研究表明,PP纤维混凝土的优良性能主要取决于混凝土的配合比、养护条件及纤维的品牌及掺量。本文根据各厂家提供的PP纤维材料所做的大量试验,提出了依据骨料与级配确定PP纤维合理掺量的方法,其给出的掺量为:一级配碎石1.3 kg/m3.二级配碎石1.5 kg/m3,卵石一、二级配1-3 kg/m3,砂浆0.9 kg/m3。
研究还得出如下结论:掺入PP纤维后混凝土抗冻能力降低,卵石骨料降低的最为明显,PP纤维混凝土的抗冻设计标号不允许大于F150;水泥用量不应小于300kg/m3。
3 PP纤维混凝土板结构与适应条件我省灌区渠道衬砌工程采用素混凝土板结构已有几十年的历史,困冻胀造成的破坏事例也屡见不鲜。因PP纤维混凝土具有优良的抗裂缝性能,对混凝土的抗冻胀破坏十分有利。根据混凝土的力学性能来计算确定板的几何尺寸是十分困难的。本文是在总结已知力学性能的基础上,在有效控制土质、水分、温度的前提下,通过实物试验总结的手段来确定板的适宜厚度和纵横尺寸,同时研究其适应条件。
3.1 PP纤维混凝±板的适宜厚度
渠道防渗设计规范规定了温和地区和寒冷地区渠道衬砌混凝土板厚的范围为4~12cm。严寒地区不要求采用混凝土板结构,规定:冻胀性属
I、Ⅱ级时.宜采用U形槽、弧形底断面、架空梁板式等结构,Ⅲ、Ⅳ、V级时,大、中型渠道宜采用保温置换排水措施I深挖方渠道,可采
用明涵或隧洞输水。
本文的试验工程资料显示,5cm厚PP纤维混凝土板与复合土工膜防渗联合运用的工程,有效地控制了基土的含水量,减小了冻胀量,板块
均未发现有冻胀裂缝现象。故用PP纤维混凝土作渠道衬砌工程时要求厚度一般为5 cm,特殊情况为6 cm。
3.2 PP纤维混凝土板的平面尺寸殛适宜条件
根据混凝土板块衬砌渠道的冻胀裂缝分布规律和渠系抗冻规范对混凝土允许变位的要求,综合各地的使用经验,本文提出的PP纤维混凝土
板衬砌的平面尺寸及适宜条件如下:
(1)板厚5cm平面尺寸150X200cm冻胀量≤3cml
(2)板厚5cm平面尺寸80×120cm 3cm≤冻胀量≤5cm;
必须分缝位置:渠坡下部1/3处和渠底中间部位。
4.土工格室混凝土板结构与适应条件
土工格室混凝土板是一种新型的渠(沟)道护砌结构,比PP纤维混凝土板有更优异的抗冻胀变形能力。其基本结构为:以展开后的土工格室为框架,其内现浇混凝土,形成土工格室混凝土板结构。土工格室的作用是将混凝土板有机地分割成块,相互连锁,形成柔性结构,防止在强
冻胀区产生的鼓起搭架、滑脱等现象的发生。
4.1土工格窒材料性能和作用机理
土工格室是我国近几年引进国外技术生产的一种新型土工合成材料,是以聚烯烃为基材,加入特殊添加剂,经高强力焊接而成的一种三维蜂
窝状结构。它具有质轻、耐磨、强调高、耐老化等特点。格室可折叠,其尺寸规格可视工程需要进行调整。
使用时将土工格室人工拉成网格状,蜂窝内填入混凝土充填料。土工格室起柔性模板的作用,将填料分割成相互连锁的板块,利用其伸长
率较大的特点,可适应板的较大的垂直不均匀变形。
经常温、低温和冻融循环50次后的实验表明:材质为PE黑色的土工格室,抗冻性能优异;PE绿色的,显示不耐低温或老化。
4.2土工格宣混凝土板衬砌结构与适应条件
土工格室规格为50×900Xlmm(网格高度×焊接间距×板材厚度),拉开后格室边长50cm,对角线长为61×80 cm,板厚为5cm,单室
按菱形布置,板下铺防渗膜,格室与边坡土体用钢钉固定。试验工程原最大冻胀量在15cm左右,使用5cm厚土工格室混凝土板衬砌后未发生冻害现象,说明在冻胀性Ⅲ类情况下使用是安全的。这种结构能够适应较大变形的主要原因是:①板下土工膜起到了控制基土水分的作用,削弱了冻胀②板块小,顺坡长度只有80 cm③土工格室伸长率大,可适应较大的基础变形④土工格室的存在增大了混凝土板的整体刚
度,板块不均匀沉陷系数减小,抗冻胀变形能力提高。
4.3施工方法
用土工格室代替了木模板,起到了连锁和节约木材的目的,但板块形状难于控制。本文在实践给出的钢架固定交叉作业的施工方法,简便易
行,尺寸可调,钢架可无限次重复使用,工程外观美观。
   


 
   


 
   


 
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