防水防滲機理參考(四)

2018-07-13 08:58:36

 土工膜(片材)防水防滲機理

 

 

        工程中廣泛應用的聚乙烯和聚氯乙烯土工膜比粘土的防滲性能強,幾乎是不透水的,尤其是高密度聚乙烯其防水性能更強,如果用滲透系數來表示,可達10-13—10-15m/s量級。但是土工膜和土體在滲透機理方面是不同的,作為防滲體的粘性土體在滲透分析時被視為多孔介質,土體中的滲流滿足Darcy定律:

Qp=kiA

        式中: Qp—滲透流量;  k—滲透系數;  i—滲透坡降;  A—滲透過流面積 
        而土工膜被視為無孔介質,水是通過擴散作用進行遷移的。是與土工膜接觸后會擴散到土工膜內,當兩邊壓力相同時,滲入土工膜與滲出土工膜的水分子量相等;當土工膜承受水力壓差時,就會形成壓差流量,其與膜內濃度梯度而產生的流量一樣,而區別于有孔介質中的滲流現象,所以不能用Darcy定律來描述,而用Fick定律來表示:

Fick1.gif
  式中:J—擴散流量 ; D—擴散系數; Fick2.GIF —膜內的濃度梯度

        盡管土工膜內水的擴散與土體內的滲流在機理上不同,然而,在巖土工程中,人們習慣用滲透系數來描述和認識滲透介質的水力特征,所以,在工程實踐中,人們也習慣用滲透系數來表述土工膜的滲透性質。 
        實際上擴散過程中,擴散系數D通常是隨濃度C而變化的,所以用滲透系數來描述土工膜的透水性質,在機理上是擬似的,在數值上是概化的。 
        法國的Pierson 和Eloy等人對厚度分別為1.7mm、1.6mm、5mm的HDPE土工膜,進行水力滲透實驗,結果為: 對于HDPE,壓力差從0~2MPa之間變化時,層流流量為一常量,即為自擴散流量,這說明,對HDPE這樣的憎水性介質,即使受到很大的水力壓差作用,由壓差引起的擴散流量仍然未產生; 
        擴散流量還可以通過水蒸汽實驗(WVT)得到,水蒸汽的分子能量大,可以單個形式存在,在相同壓力下比水中以分子團形式存在的更容易透過土公膜,但蒸汽壓差很小,在24℃溫度下,膜內外側的相對濕度差為100%時,產生的蒸汽壓差只有3KPa。所以,水蒸汽實驗(WVT)更適合于環境工程的情況,而水力滲透實驗更適合于水利水電工程的情況。
        若以多孔介質的滲透系數衡量,完好的HDPE土工膜的k=10-14m/s,對于一個擋水水頭為100m,擋水面積為20萬m2,水力坡降為100000的蓄水工程,一晝夜的滲透水量僅為20m3。 
        與完整無損的土工膜接觸的水是通過擴散作用遷移的,但在工程中人們習慣用類似于多孔介質的方法進行滲流計算;實驗與計算均顯示,通過完整無損的土工膜的滲流量是很小的。然而,實際上,除了土工膜生產過程中造成一些自身缺陷外,工程施工過程中難以避免形成以點(施工損傷點,拼接、錨固等薄弱點)、面(施工導致土工膜分散分布的損傷點)、線(拼接縫、錨固縫)分布的小的或微小的滲漏通道,以往的工程實踐表明,這些缺陷產生的滲流量往往大于完好土工膜整個防滲面積上的滲流量。施工質量是實現防滲目標的關鍵。
 
 

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