土工合成材料在水利工程中的应用

关键词:土工合成材料;分类;水利;工程实例;防护

引言

据科学考证，数千年前人类就利用芦苇加筋黏土建造房屋，3 000年前，英国人曾在沼泽地带用木排修筑公路。这些都是“以非土材料加固土体”原理的自然体现。在现代，1930 年美国卡罗来纳州首次使用棉纺织品加固路基土，进入20世纪80年代以后，随着土工格栅、土工网和土工垫等新土工合成材料在工程实践中应用变得越来越广泛，并且取得了较好的效果，这些成功的工程项目案例大大推动了了土工合成材料应用技术的发展。我国在土工合成材料的应用与研究方面起步较晚，但是20世纪80年代开始，我国从国外引进了许多生产设备和技术资料，促使土工合成材料的生产与 应用开始进入一个全新的时期;特别是90年代以来，土工合成材料作为-种新型的岩土工程，具有加筋、隔离、过滤、排水、防渗、防护等多种功能，在工程的各个领域中得到了大量的应用。由于土工合成材料的独特性能，其应用的深度和广度都在不断发展.尤其是在水利工程中应用范围广、应用量大，如三峡水电工程，京杭大运河等水利工程都应用了这种材料，并取得了较好的经济效益和社会效益。

1土工合成材料的分类

土工合成材料是以合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料等高分子物质为原料制成的应用于土木工程的各种产品的统称。在土工合成材料刚被应用到工程实践中时，土工织物和土工膜两类合成材料是工程中最常见的两种土工合成材料，分别代表透水和不透水合成材料。但是，随着科技的发展以及研究的深入，越来越多新形式的土工合成材料开始涌现并被应用到工程实践中。另外，工程中将透水材料和不透水材料联合起来应用的情况也越来越多,使得两大类的分法难以互含。显然，这种分类方式不再满足现实的要求。因此,我国的水利部门会同其他有关部门共同制定了《土工合成材料应用技术规范》，把土工合成材料根据实际应用情况分为4类，即土工织物、土工膜、土工合成材料和土工特种材料。

1.1土工织物

土工织物是属于透水性的土工合成材料。它的制造一 般要经过两个步骤：

1)把聚合物原料加工成丝、短纤维、纱或条带。

2)把上面已加工出来的产品再制成平面结构的土工织物。按制造方法不同，可分为织造型和非织造型土工织物。

土工布

1.2土工膜

土工膜是研究者在20 世纪70年代利用聚合物或沥青等不透水材料经各种工序制成的一种相对不透水合成材料。按制作方法可分为沥青土工膜和聚合物土工膜两大类，为适应工程中不同强度和变形的需要，两类中又各有不加筋和加筋或它们组合类型。聚合物土工膜视主材料的不同分为塑性土工膜、弹性土工膜和组合型的土工膜;沥青土工膜主要是复合性的，含编织型或无纺型的土工织物。

土工膜

1. 3土工特种材料

土工特种材料是按实际的需要对聚合物进行不同的处理而得到的产品，主要包括土工格栅、土工带、土工格室、土工网、土工石笼、土工管、土工模袋、三维网垫、EPS等多种产品具体阐述以下4种材料:

1. 3. 1土工格栅伸以及冲孔等处理而形成的具有条格形或长方形格栅状的抗拉材料。

1. 3. 2土工带土工带是由聚合物经挤压拉伸，再加筋材复合制成的条带抗拉材料。

1. 3. 3土工网土工网是由两组合成材料股条以一定的角度交叉黏结而成的网状结构。

1. 3. 4土工模袋土工模袋是由一种连续袋状材料，这种材料是对双层聚合化纤织物进行加工处理而制成的，具有很好的效果。

土工格栅

土工网

1. 4土工复合材料土工复合材料是由两种或两种以上的土工合成材料混合起来并经过加工处理而制成的合成材料，主要包括复合土工 膜和土工复合排水材料两类。

1. 4. 1复合土工膜复合土工膜是用土工织物或其它材料与土工膜结合而成的不透水材料。

1. 4. 2土工复合排水材料土工复合排水材料是薄型土工织物包裹不同材料制成的不同形状的芯材组合成的一种复合型排水产品。

复合土工膜

2土工合成材料在水利工程中的应用

目前，随着工程师们研究的深入以及实践经验的丰富，越来越多的土工合成材料应用到了水利工程中，并起到了很好的效果。在水利工程的施工中，这些材料在工程中可以起到多方面的作用，概括起来有以下6种:

2. 1过滤作用过滤技术是水利工程中经常应用到的两项技术，由于土工合成材料具有良好的过滤性和透水性，因此在 工程中得到了广泛应用。把土工合成材料铺设在土体表面或者两相邻土层之间,这种安装方法允许土体中的水流和气体经过土工合成材料自由排出而阻止土颗粒移动，可有效防止因土颗粒流失而造成的土体破坏，同时还避免了因土体中的气或水排不出造成的孔隙水压力升高的情况。传统的过滤材料是透水的砂石料，随着社会的发展和工程实践经验的丰富，现在大多用土工织物来代替，或者把土工织物和砂石料结合起来使用。

2.2排水作用具有排水作用的土工合成材料一般具有多孔隙的特点，利用这个特点，可把这种材料放置在土体中用来汇集水分，并将水排出土体。根据工程实践的需要，现在制成的具有排水作用的合成材料不仅可沿垂直于平面的方向排水，也可沿平行于平面方向排水，即具有了水平排水功能，这种功 能的出现大大扩展了这种材料的应用范围。现在这种材料已广 泛应用于土坝，挡土墙等水工建筑物中。

2. 3防渗作用土工合成材料中起到防渗作用的主要是土工膜，它是将普通的土工合成材料表面涂- -层树脂或橡胶等不透水材料，或将土工合成材料与塑料薄膜复合在一起而制成的产品。土工膜大多是将薄型无纺布与薄膜复合而制成的，按工程需要可以分为多种形式，主要包括一布一膜、二布一膜或三布一膜3种。在制作过程中可按工程实际需要来选择无纺布和塑料薄膜的厚度，但- -般选用较厚的无纺布与薄膜复合。其中，塑料薄膜起防水、防渗作用，而无纺布则起导水作用，充分利用了两种材料的特性，所以土工合成材料可以起到很好的防渗

作用。

2.4加筋作用土扛合成材料的加筋技术在水利工程中已得到了大量的应用。总体来讲，主要包括加筋支挡结构、加筋陡坡和软土地基加筋3个方面。我们知道，土体颗粒具有一定的抗剪切性和抗压缩性，但它们的抗拉强度却是非常低的，为了改善土体的抗拉强度与变形性能，在工程实践中经常在土体内铺设或加入土工合成材料，这种施工方式很好的控制了土体的变形，增加了土体的稳定性，减少了工程中的安全隐患。以上的工程实践充分利用了土工合成材料高抗拉强度和低破坏变形率的特点，这就是土工合成材料的加筋作用。在水利工程中土

工合成材料这种作用主要体现在3个方面:

1)可以应用于土石坝、河堤的建设等工程实践中，主要起到加固软弱地基、隔离和过滤作用。

2)增加施工过程中回填与开挖边坡的稳定性。

3)在挡土墙的回填过程中起到加筋作用，或者用来锚固挡土墙的面板。

2. 5隔离作用在水利工程中，经常会出现不同的粒料层之间相互掺混的现象，使得这些粒料失去了它们应有的效果。利用土工合成材料的隔离作用，工程师们把这些材料铺设在不同的粒料层之间，有效的解决了掺混问题，大大提高了施工的效率和效果。在软弱地基 上铺设碎石粒料基层时，在它们中间铺设土工织物，可有效防止层间出现土料相互侵入的现象并且能很好的控制土体的不均匀沉降。土工合成材料的隔离作用主要体现在土石坝、河堤等水工建筑物的软土地基处理过程中。

2. 6防护作用土工合成材料的防护作用主要体现在可以消减人类活动、自然现象和周围环境的变化对堤坡和岸、 坡等水工建筑物造成的危害。由于土工合成材料可以有效消除应力集中现象，也可起到应力传递作用，使应力分解，防止土体受外力作用破坏，因此在水利工程中，土工合成材料的防护作用得到了广泛应用。在被保护的水工建筑物表面覆盖-层具有良好反滤性能的土工织物，并在.上面铺设-定的盖重，可有效地保护该建筑物表面不受水流和波浪等因素的破坏，与传统的护坡材料具有相同的护坡效果。