论文部分内容阅读
刘 惠
张家界弘源水利水电规划设计有限公司 湖南 长沙 410007
【摘 要】文章通过对大樟树水库大坝排水体除险加固工程中毛细透排水带的应用，系统的介绍了毛细透排水带的性能及优点，并分析了应用后的效果，说明了此种材料排水效果明显，且造价低，在类似工程中有很好的应用前景。
【关键词】水库；毛细透排水带；排水体；排水
1、工程概况
大樟树水库位于澧水水系涔水支流，是一座以灌溉为主、兼顾防洪、乡镇供水、养殖等综合利用的小（Ⅰ）型水利工程。
该工程属典型“三边”工程。工程施工时，采用大兵团作战，由于工程量大，施工设备落后，施工、技术人员技术水平低和施工管理不善，加之清基不彻底，填筑土料质量难以控制，故施工质量未得到充分保证。同时由于工程投入运行后，缺乏资金，轻视管理，经运行多年后存在严重的运行安全问题。大坝下游坝脚排水设施失效垮塌，大坝下游坝脚沼泽化日趋严重，严重影响大坝安全。
2、导渗排水措施方案
大樟树水库除险加固设计时考虑了两个方案。
方案一：坝脚新建排水棱体，设计排水棱体高3m，排水棱体坡比按1：1.5布置，棱体总长58.67m，设计排水棱体顶宽1.5m，底宽9.0m，排水棱体上游面及基础底面采用d=2mm厚25cm中粗砂及d=3～50mm厚25cm碎石滤料层，其余采用干砌块石砌筑。
方案二：采用垂直导渗井排水。在下游坝脚布置垂直导渗井，顶部高程为98.7m。深3.0m，导渗井铺设毛细透排水带，毛细透排水带直径67mm。导渗井间距为1.0m。在毛细透排水带尾部设一横向同直径的毛细透排水带，用三通连接，将渗水排至其后的排水沟。
经比较，方案一占地、开挖量大，棱体所需块石需到外购，造价亦高，总造价超过40万元；方案二施工简单，易于操作，工程量较小，造价相对低很多，总造价仅7.2万元。设计采用方案二，即下游坝脚设置毛细透排水带。
3、毛细透排水带特点
毛细透排水带是当前导排水工程中的一种新型导滤排水材料，是台湾科学家们经过十余年的试验研究成果和发明。利用毛细、虹吸排水原理，解决传统导、过滤排水方式容易淤堵失效的问题。槽孔设计上为内大外小，且埋设时开槽面向下，当岩土内含有水份时，由于圆孔直径约为1mm，而开槽宽度只有0.3mm，产生毛细现象，迫使水流自行由下往上倒吸进入毛细导管内，岩土中被水流夹带的颗粒将因重力自行向下沉淀过滤，而水分子因水头朝上挤入毛细管，造成水土分离，各行其道，达成防堵效果。
产品利用四种大自然现象“毛细、虹吸、重力、表面张力”自动达成吸水、过滤、封闭、排水等动作。经台湾科学家多年试验研究，并经2 年模型试验及多年的工程应用，产品各项性能指标优良。
3.1、主要物理和水力学性质
根据台湾科技大学纤维工程技术系的试验报告，其排水带的物性数据如下表。
物 性 单位 平均数据
材 质 耐候性复合塑料
宽 度 cm 10±5%
厚 度 mm 2±15%
每卷长度（16.5kg每卷） m 100±2%
开孔率（有效进水开槽面积/整骨面积） >25%±2%
渗透系数 cm/sec ≥0.2
流量（10cm水头高度） L/min >5±5%
抗压力（40%） kgf/cm2 >30%
抗拉力（纵向） kgf/cm2 >6.0
抗剪力（纵向） N/mm >30
抗 酸 性 优良
抗 碱 性 优良
3.2、实践和实验主要特性和优点
（1）不淤堵：首先，毛细透排水带安装时，开窄槽一面倾斜朝下，在毛细力的作用下，水流自行由下往上倒吸进入毛细导管内，而被水流夹带的土壤颗粒将在重力的作用下沉淀过滤。另外，槽孔设计内大外小，窄槽进水口宽度比毛细导管直径要窄小得多，因此即使有细小颗粒进入毛细导管，不是窄槽再度回归土壤，就是随同管流向外排出。细长状槽沟本身较个别分离孔洞设计更不易堵塞。通过室内试验及实际工程排水运行情况反馈，至今未发生因排水带堵塞导致排水失效情况。
（2）主动排水：毛细透排水带巧妙利用表面张力，使水流在窄缝沟槽上自动形成封闭水膜，防止回漏，当水开始进入带体内部时，毛细力就自然地对土壤中的水份产生抽吸作用，直至灌满、封闭，然后向外排水，当水流顺坡而下到达溢出口时，将因落差，利用毛细及虹吸力产生在毛细管内的负压，促使排水带主动排水，排水效果较普通排水材料要好。
（3）排水能力强：吸水面开孔率25%以上，有效吸水面积大，渗透系数达0.2cm/s以上，每平方排水带1小时可排水1.8～2m3（1m水头），排水能力较传统材料优势明显。此外，毛细透排水带柔软，能适应起伏不平的地形铺设，在四种大自然现象“毛细、虹吸、重力、表面张力”的作用下，排水畅流自如。
（4）渗流稳定性好：排水带吸水面开槽面积一样，各段吸水能力一致，地下水在岩土内渗流速度稳定，不会形成集中渗流而产生局部渗流破坏。
（5）抗压力能力强：拱桥形结构设计，有效分散应力分布，能承受12MPa的碾压力，毛细虹吸力不受任何影响，材料抗压能力极强。
（6）耐久性：采用改性PVC、HDPE等聚合材料成型，产品生产过程中添加防垢剂等，不腐朽，抗紫外线，不结垢，耐久性好。经试验该产品可使用50年。由于该产品埋于地下，实际使用寿命更长。
（7）水垢附着性：水垢之形成一般为高温冷却后，钙离子迅速还原形成，岩土中则无高温环境；且本产品结构设计为底部开孔，游离钙亦将因重力沉淀回归土壤。
（8）施工简易：卷筒型包装不占体积，运输、仓储、管理、施工成本低，且不需接头；具挠曲柔性，可与起伏不平的岩土面紧密贴合，形成无限长、压不扁的水流高速公路；结构上类似拱桥原理，经检验在20%变形时，抗压强度为1.6N/mm2，施工中允许滚压夯实；传统的排水材料需要大量级配要求严格的砂卵石材料，而它仅需极少的无级配要求的砂卵石。因此施工及其简便。
4、毛细透排水带排水体施工
4.1、施工机具及材料
施工的主要材料为：毛细透排水带、PVC硬管、砂卵石、固体粘接材料、液体粘接材料、厚2mm的小砂轮和小砂轮机等。
4.2、施工程序
在大坝培厚前先按毛细透排水带铺设的设计坡比削坡整形，同时对坡底整形，保证仓面平整，坡底应该修整成不缓于设计要求的坡度。施工时采用逐节开挖，逐节回填方式。
用PVC管作为毛细透排水带的集水暗管，先按设计要求用电锯顺管线方向每隔1m锯出一条20cm长的裂口，毛细透排水带铺设前先按管段下料并安插于PVC管中，用胶封好毛细透排水带平整面（过滤窄沟背面）与PVC管裂口的缝隙，但不能封住过滤窄沟。为防止细小土粒堵塞滤水孔，毛细透排水带未插入PVC管的一端也应用胶密封好。毛细透排水带安插端稍进入PVC管即可，千万不能抵至PVC管壁，否则会阻碍渗水排泄至管中。
以上工序完成后即可将毛细透排水带敷设于坡底，敷设时PVC管紧贴坡底上游侧，毛细透排水带过滤窄沟面紧贴开挖边坡上游面。
各管段之间以及集水暗管与排水暗管的连接均在坡底现场对接。
铺设完成后，向坡底毛细透排水带铺设自然级配的砂卵石，保证覆盖砂卵石层顶，然后回填粘土。回填粘土采用人工夯实，以防止对已敷设好的坝内设施产生破坏。在PVC横管出口处沿坝脚建一条排水沟，沟底低于PVC横管20cm左右。
5、应用效果
大樟树水库排水体施工完成后，为了掌握毛细透排水带的排水效果，在坝后排水沟尾端设置了1个三角薄壁堰和沉砂池，用来观测渗流量。经多次检查观测，从PVC横管的渗水清澈，其他坝脚处无渗水溢出，沉砂池无泥沙沉积。观测结果表明毛细透排水带性能稳定、排水通
张家界弘源水利水电规划设计有限公司 湖南 长沙 410007
【摘 要】文章通过对大樟树水库大坝排水体除险加固工程中毛细透排水带的应用，系统的介绍了毛细透排水带的性能及优点，并分析了应用后的效果，说明了此种材料排水效果明显，且造价低，在类似工程中有很好的应用前景。
【关键词】水库；毛细透排水带；排水体；排水
1、工程概况
大樟树水库位于澧水水系涔水支流，是一座以灌溉为主、兼顾防洪、乡镇供水、养殖等综合利用的小（Ⅰ）型水利工程。
该工程属典型“三边”工程。工程施工时，采用大兵团作战，由于工程量大，施工设备落后，施工、技术人员技术水平低和施工管理不善，加之清基不彻底，填筑土料质量难以控制，故施工质量未得到充分保证。同时由于工程投入运行后，缺乏资金，轻视管理，经运行多年后存在严重的运行安全问题。大坝下游坝脚排水设施失效垮塌，大坝下游坝脚沼泽化日趋严重，严重影响大坝安全。
2、导渗排水措施方案
大樟树水库除险加固设计时考虑了两个方案。
方案一：坝脚新建排水棱体，设计排水棱体高3m，排水棱体坡比按1：1.5布置，棱体总长58.67m，设计排水棱体顶宽1.5m，底宽9.0m，排水棱体上游面及基础底面采用d=2mm厚25cm中粗砂及d=3～50mm厚25cm碎石滤料层，其余采用干砌块石砌筑。
方案二：采用垂直导渗井排水。在下游坝脚布置垂直导渗井，顶部高程为98.7m。深3.0m，导渗井铺设毛细透排水带，毛细透排水带直径67mm。导渗井间距为1.0m。在毛细透排水带尾部设一横向同直径的毛细透排水带，用三通连接，将渗水排至其后的排水沟。
经比较，方案一占地、开挖量大，棱体所需块石需到外购，造价亦高，总造价超过40万元；方案二施工简单，易于操作，工程量较小，造价相对低很多，总造价仅7.2万元。设计采用方案二，即下游坝脚设置毛细透排水带。
3、毛细透排水带特点
毛细透排水带是当前导排水工程中的一种新型导滤排水材料，是台湾科学家们经过十余年的试验研究成果和发明。利用毛细、虹吸排水原理，解决传统导、过滤排水方式容易淤堵失效的问题。槽孔设计上为内大外小，且埋设时开槽面向下，当岩土内含有水份时，由于圆孔直径约为1mm，而开槽宽度只有0.3mm，产生毛细现象，迫使水流自行由下往上倒吸进入毛细导管内，岩土中被水流夹带的颗粒将因重力自行向下沉淀过滤，而水分子因水头朝上挤入毛细管，造成水土分离，各行其道，达成防堵效果。
产品利用四种大自然现象“毛细、虹吸、重力、表面张力”自动达成吸水、过滤、封闭、排水等动作。经台湾科学家多年试验研究，并经2 年模型试验及多年的工程应用，产品各项性能指标优良。
3.1、主要物理和水力学性质
根据台湾科技大学纤维工程技术系的试验报告，其排水带的物性数据如下表。
物 性 单位 平均数据
材 质 耐候性复合塑料
宽 度 cm 10±5%
厚 度 mm 2±15%
每卷长度（16.5kg每卷） m 100±2%
开孔率（有效进水开槽面积/整骨面积） >25%±2%
渗透系数 cm/sec ≥0.2
流量（10cm水头高度） L/min >5±5%
抗压力（40%） kgf/cm2 >30%
抗拉力（纵向） kgf/cm2 >6.0
抗剪力（纵向） N/mm >30
抗 酸 性 优良
抗 碱 性 优良
3.2、实践和实验主要特性和优点
（1）不淤堵：首先，毛细透排水带安装时，开窄槽一面倾斜朝下，在毛细力的作用下，水流自行由下往上倒吸进入毛细导管内，而被水流夹带的土壤颗粒将在重力的作用下沉淀过滤。另外，槽孔设计内大外小，窄槽进水口宽度比毛细导管直径要窄小得多，因此即使有细小颗粒进入毛细导管，不是窄槽再度回归土壤，就是随同管流向外排出。细长状槽沟本身较个别分离孔洞设计更不易堵塞。通过室内试验及实际工程排水运行情况反馈，至今未发生因排水带堵塞导致排水失效情况。
（2）主动排水：毛细透排水带巧妙利用表面张力，使水流在窄缝沟槽上自动形成封闭水膜，防止回漏，当水开始进入带体内部时，毛细力就自然地对土壤中的水份产生抽吸作用，直至灌满、封闭，然后向外排水，当水流顺坡而下到达溢出口时，将因落差，利用毛细及虹吸力产生在毛细管内的负压，促使排水带主动排水，排水效果较普通排水材料要好。
（3）排水能力强：吸水面开孔率25%以上，有效吸水面积大，渗透系数达0.2cm/s以上，每平方排水带1小时可排水1.8～2m3（1m水头），排水能力较传统材料优势明显。此外，毛细透排水带柔软，能适应起伏不平的地形铺设，在四种大自然现象“毛细、虹吸、重力、表面张力”的作用下，排水畅流自如。
（4）渗流稳定性好：排水带吸水面开槽面积一样，各段吸水能力一致，地下水在岩土内渗流速度稳定，不会形成集中渗流而产生局部渗流破坏。
（5）抗压力能力强：拱桥形结构设计，有效分散应力分布，能承受12MPa的碾压力，毛细虹吸力不受任何影响，材料抗压能力极强。
（6）耐久性：采用改性PVC、HDPE等聚合材料成型，产品生产过程中添加防垢剂等，不腐朽，抗紫外线，不结垢，耐久性好。经试验该产品可使用50年。由于该产品埋于地下，实际使用寿命更长。
（7）水垢附着性：水垢之形成一般为高温冷却后，钙离子迅速还原形成，岩土中则无高温环境；且本产品结构设计为底部开孔，游离钙亦将因重力沉淀回归土壤。
（8）施工简易：卷筒型包装不占体积，运输、仓储、管理、施工成本低，且不需接头；具挠曲柔性，可与起伏不平的岩土面紧密贴合，形成无限长、压不扁的水流高速公路；结构上类似拱桥原理，经检验在20%变形时，抗压强度为1.6N/mm2，施工中允许滚压夯实；传统的排水材料需要大量级配要求严格的砂卵石材料，而它仅需极少的无级配要求的砂卵石。因此施工及其简便。
4、毛细透排水带排水体施工
4.1、施工机具及材料
施工的主要材料为：毛细透排水带、PVC硬管、砂卵石、固体粘接材料、液体粘接材料、厚2mm的小砂轮和小砂轮机等。
4.2、施工程序
在大坝培厚前先按毛细透排水带铺设的设计坡比削坡整形，同时对坡底整形，保证仓面平整，坡底应该修整成不缓于设计要求的坡度。施工时采用逐节开挖，逐节回填方式。
用PVC管作为毛细透排水带的集水暗管，先按设计要求用电锯顺管线方向每隔1m锯出一条20cm长的裂口，毛细透排水带铺设前先按管段下料并安插于PVC管中，用胶封好毛细透排水带平整面（过滤窄沟背面）与PVC管裂口的缝隙，但不能封住过滤窄沟。为防止细小土粒堵塞滤水孔，毛细透排水带未插入PVC管的一端也应用胶密封好。毛细透排水带安插端稍进入PVC管即可，千万不能抵至PVC管壁，否则会阻碍渗水排泄至管中。
以上工序完成后即可将毛细透排水带敷设于坡底，敷设时PVC管紧贴坡底上游侧，毛细透排水带过滤窄沟面紧贴开挖边坡上游面。
各管段之间以及集水暗管与排水暗管的连接均在坡底现场对接。
铺设完成后，向坡底毛细透排水带铺设自然级配的砂卵石，保证覆盖砂卵石层顶，然后回填粘土。回填粘土采用人工夯实，以防止对已敷设好的坝内设施产生破坏。在PVC横管出口处沿坝脚建一条排水沟，沟底低于PVC横管20cm左右。
5、应用效果
大樟树水库排水体施工完成后，为了掌握毛细透排水带的排水效果，在坝后排水沟尾端设置了1个三角薄壁堰和沉砂池，用来观测渗流量。经多次检查观测，从PVC横管的渗水清澈，其他坝脚处无渗水溢出，沉砂池无泥沙沉积。观测结果表明毛细透排水带性能稳定、排水通