土工膜(片材)防水防渗机理
工程中广泛应用的聚乙烯和聚氯乙烯土工膜比粘土的防渗性能强,几乎是不透水的,尤其是高密度聚乙烯其防水性能更强,如果用渗透系数来表示,可达10-13—10-15m/s量级。但是土工膜和土体在渗透机理方面是不同的,作为防渗体的粘性土体在渗透分析时被视为多孔介质,土体中的渗流满足Darcy定律:
Qp=kiA
式中: Qp—渗透流量; k—渗透系数; i—渗透坡降; A—渗透过流面积
而土工膜被视为无孔介质,水是通过扩散作用进行迁移的。是与土工膜接触后会扩散到土工膜内,当两边压力相同时,渗入土工膜与渗出土工膜的水分子量相等;当土工膜承受水力压差时,就会形成压差流量,其与膜内浓度梯度而产生的流量一样,而区别于有孔介质中的渗流现象,所以不能用Darcy定律来描述,而用Fick定律来表示:
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式中:J—扩散流量 ; |
D—扩散系数; |
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—膜内的浓度梯度 |
尽管土工膜内水的扩散与土体内的渗流在机理上不同,然而,在岩土工程中,人们习惯用渗透系数来描述和认识渗透介质的水力特征,所以,在工程实践中,人们也习惯用渗透系数来表述土工膜的渗透性质。
实际上扩散过程中,扩散系数D通常是随浓度C而变化的,所以用渗透系数来描述土工膜的透水性质,在机理上是拟似的,在数值上是概化的。
法国的Pierson 和Eloy等人对厚度分别为1.7mm、1.6mm、5mm的HDPE土工膜,进行水力渗透实验,结果为: 对于HDPE,压力差从0~2MPa之间变化时,层流流量为一常量,即为自扩散流量,这说明,对HDPE这样的憎水性介质,即使受到很大的水力压差作用,由压差引起的扩散流量仍然未产生;
扩散流量还可以通过水蒸汽实验(WVT)得到,水蒸汽的分子能量大,可以单个形式存在,在相同压力下比水中以分子团形式存在的更容易透过土公膜,但蒸汽压差很小,在24℃温度下,膜内外侧的相对湿度差为100%时,产生的蒸汽压差只有3KPa。所以,水蒸汽实验(WVT)更适合于环境工程的情况,而水力渗透实验更适合于水利水电工程的情况。
若以多孔介质的渗透系数衡量,完好的HDPE土工膜的k=10-14m/s,对于一个挡水水头为100m,挡水面积为20万m2,水力坡降为100000的蓄水工程,一昼夜的渗透水量仅为20m3。
与完整无损的土工膜接触的水是通过扩散作用迁移的,但在工程中人们习惯用类似于多孔介质的方法进行渗流计算;实验与计算均显示,通过完整无损的土工膜的渗流量是很小的。然而,实际上,除了土工膜生产过程中造成一些自身缺陷外,工程施工过程中难以避免形成以点(施工损伤点,拼接、锚固等薄弱点)、面(施工导致土工膜分散分布的损伤点)、线(拼接缝、锚固缝)分布的小的或微小的渗漏通道,以往的工程实践表明,这些缺陷产生的渗流量往往大于完好土工膜整个防渗面积上的渗流量。施工质量是实现防渗目标的关键。