CN113914291B - 一种膜下排气盲沟及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水库铺膜防渗工程中的膜下排气盲沟，盲沟为棋盘式结构，两条横向盲沟和两条纵向盲沟之间围出矩形土体单元，盲沟中布设截面为蜂窝煤状的土工盲管，土工盲管外包土工布，周边回填碎石，盲沟外包土工布；本申请还公开了上述盲沟的设计方法，步骤包括确定地下水位设计埋深，预估库区中部土体单元中需排出的膜下气体体积量及四周盲沟的排气能力，确定盲沟间距最小值。本发明结合引发膜下气胀的机理，将影响因素定量化，构建膜下的排气量、排气能力的逻辑机制，合理确定盲沟最小间距；能够有效防止出现膜下气胀、撕裂现象，提升水库的安全性，降低渗漏、浸没事故发生的概率提供了理论基础和实践方法，具有广泛的适用性和推广价值。

Description

一种膜下排气盲沟及其设计方法

技术领域

本发明涉及水库防渗结构及方法，尤其涉及一种能够有效避免铺膜后土工膜发生气胀破坏且适用性广泛的的膜下盲沟及其设计方法。

背景技术

平原水库常采用库盘铺膜防渗方案，在实施过程中常出现土工膜气胀浮托、胀破等现象。土工膜气胀破坏不仅加剧了库水渗漏，还引起库外农田浸没等严重问题，给工程维护带来极大的困难并大大增加了工程运行成本。如山东省淄博市新城水库全库铺塑约1.0km2，因气胀破坏导致严重渗漏。1998年建成使用的济南市玉清湖水库北店子沉砂池，其坝坡铺设了复合土工膜。该工程坝前10m范围内曾出现严重的、连锁的气爆现象，进而导致了坝后浸没事故。

但也有一些采用库盘铺膜防渗的水库，其土工膜未见明显破坏现象，防渗系统运行良好，如山东德州大屯水库采取膜下排气和膜上覆载的工程措施来减小和平衡膜下气压，库盘、坝坡复合土工膜下的排水排气盲沟间距为75.0m，坝坡盲沟与库盘盲沟连接，沿坡向从围坝坝脚齿墙通至防浪墙。库盘膜上覆土压重厚度不小于0.9m，取土边界线至围坝上游坝脚覆土压重厚度不小于1.2m。从大屯水库截止目前的运行情况来看，水库未见气胀破坏现象；水库防渗效果良好，平均渗漏量较小，约为0.6万m3/d，没有发现水库围坝下游和截渗沟渗水出逸点，无浸没坝后农田的现象，引洮供水杨家湾调蓄水库也参考了上述经验，采用加密排气排水管间距，较好地解决库盘的排气排水问题。但上述水库的盲沟设置多是根据经验确定，缺乏规范的理论依据，对于不同规模和特点的水库，不具备广泛的适用性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效避免铺膜后土工膜发生气胀破坏且适用性广泛的膜下排气盲沟及其设计方法。

技术方案：本发明所述的膜下排气盲沟用于水库铺膜防渗工程中的排气，所述盲沟为棋盘式结构，由每两条横向盲沟和每两条纵向盲沟之间围出边长相等的矩形土体单元。盲沟中布设一条直径不小于100mm的土工盲管，截面为蜂窝煤状；所述土工盲管外包土工布，周边回填碎石，所述盲沟外包一层土工布。盲沟截面尺寸为建基面下盲沟深度h，宽度b，盲沟截面面积A为b·h，所述深度h和宽度b均不小于30cm；

本发明所述的膜下排气盲沟设计方法包括如下步骤：

(1)根据地下水位确定设计埋深H；

(2)计算水库中部膜下土体单元的需要排出膜下气体体积量Q_a；

(3)计算水库中部膜下土体单元的四周盲沟的排气能力Q_ak；

(4)根据水库中部膜下需要排出的膜下气体体积量Q_a不大于盲沟排气能力Q_ak确定最小盲沟间距；所述盲沟间距为相邻两盲沟的中心距离；

(5)确定盲沟材料结构和空隙体积率的设计指标。

所述步骤(2)中，水库中部膜下土体单元的需要排出膜下气体体积量按下式预估：

式中η为土中气体体积残余系数，是指膜下土体气体残余体积与总孔隙气体积比值，其中土体气体残余体积为总孔隙气体积扣除直接运移至盲沟的气体体积的值；ρ_p为在压力p条件下气体的密度；g为重力加速度，通常取9.832m/s²；e为膜下土体平均孔隙比；S_r为饱和度；S为盲沟间距，即水库中部土体单元的边长；H为地下水位设计埋深；

式中ρ_p通过理想气体状态方程换算，计算式为：

式中T为膜下气体温度(℃)，p为膜下气体相对大气压力的压力示数(即相对压力)；μ为膜下气体分子的摩尔质量，对于空气取值为29。

所述步骤(3)中，膜下土体单元的盲沟排气能力Q_ak计算式为：

Q_ak＝8k_aht_aΔp (3)

式中k_as为膜下土体单元排气系数；t_a为允许膜下土体单元排气时间；Δp为膜下土体单元中心至盲沟之间的气压差。

所述步骤(4)中，根据水库中部膜下土体单元的需要排出的膜下气体体积量Q_a不大于膜下土体单元的盲沟排气能力Q_ak，确定排气盲沟间距S的最小值：

式(4)表明增大排气盲沟间距的因素主要是土体具有较大的排气系数k_a、盲沟深度h、允许排气时间t_a及允许膜上气压差Δp；而气体密度ρ_p、地下水埋深H增大，相应需减小盲沟间距。

所述步骤(5)中膜下土体单元及盲沟材料介质的设计指标包括有效饱和度、渗气系数、允许膜下土体单元排气时间和允许膜上气压差，其中有效饱和度S_e按下式计算：

式中，S_r为介质的饱和度，S_rl为残余饱和度；

渗气系数k_a与饱和度相关，由经验公式确定：

式中，k_d为干燥状态下土体渗气系数；λ为与土体饱和度相关的土水特征曲线斜率。

允许膜下土体单元排气时间t_a不大于地下水位上升时间t_w，即t_a≤t_w，其中t_w的计算式为

式中，v_w为地下水位上升速度；

所述允许膜上气压差Δp根据膜上覆土层厚度和覆土湿容重确定，取覆土湿容重20kN/m³，则膜上覆土层厚度1m时，Δp≤20kPa。

有益效果：本发明技术不仅考虑了与膜下土体贮气量相关的排气特性指标，还考虑了膜下地下水位条件(包含上升幅度、上升速度)、膜上覆土层条件(如结构层厚度)，较为全面地定量反映了膜下盲沟排气的气体量和排气能力，进而提供了一种更为合理的确定盲沟间距的设计方法。与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：将引发膜下气胀的机理、影响因素定量化，构建膜下的排气量、排气能力的逻辑机制，进而合理地确定了盲沟最小间距；通过将水库防渗方案措施和膜下排气的逻辑机制定量化，为防止出现膜下气胀、撕裂现象，提升水库的安全性，降低渗漏、浸没事故发生的概率提供了理论基础和实践方法，具有广泛的适用性和推广价值。

附图说明

图1为本发明的盲沟平面布置图的一个实施例；

图2为图1中A1-A1处的截面图；

图3为本发明的一个实施例的盲沟结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明中的盲沟为纵横交错的棋盘式结构，每两条纵向盲沟和每两条横向盲沟中围出边长相等矩形的土体单元，图中FD为盲沟(French Drain)，FT为盲沟内土工盲管，FC为纵横盲沟交叉点；A1-A1和A-A为剖面号；S为相邻两条盲沟中心的间距。

如图2所示，图中EC、SC和GM分别为开挖土层、细砂垫层、土工膜防渗层，RG为水库设计底面，FD、FG和FT分别为膜下盲沟、盲沟内充填的碎石料、盲沟内盲管。GW为地下水位线，H为至膜面的地下水位设计埋深。

如图3所示，盲沟中布设了DN100mm的土工盲管FT，其截面为蜂窝煤状；土工盲管外包200g/m²的土工布FM，周边回填碎石FG，碎石粒径d≤20mm；盲沟外包一层200g/m²土工布FM。

以上实施例所述盲沟的具体结构参数按以下步骤设计：

(1)根据地下水位确定设计埋深H＝1.0m；

(2)取水库中部由两条纵、横向盲沟所围成边长相等的膜下土体单元，如图1所示，计算需要排出膜下气体体积量Q_a；

(3)计算该膜下土体单元的四周盲沟的排气能力Q_ak；

(4)根据水库中部膜下需要排出的膜下气体体积量Q_a不大于盲沟排气能力Q_ak而确定最小盲沟间距；所述盲沟间距为相邻两盲沟的中心距离。

(5)根据上述步骤所得的盲沟间距S现场布置纵、横向盲沟位置，以及根据工程经验确定盲沟结构组成与结构尺寸，如宽度与深度均为30cm，如图3所示，建造土工膜防渗并进行封闭和回填。

(6)库区铺土工膜防渗结构层(GM)、在膜上覆土保护层，包含砂垫层、开挖料1.0m，如图2所示。

步骤(2)中，水库中部膜下土体单元的需要排出膜下气体体积量按下式预估计算式：

式中η为土中气体体积残余系数，是指膜下土体气体残余体积与总孔隙气体积比值，其中土体气体残余体积为总孔隙气体积扣除直接运移至盲沟的气体体积的值；ρ_p为在压力p条件下气体的密度，分子摩尔量29，此处设盲沟边通大气，受膜上覆土1.0m的重力影响，p＝Δp＝20kPa，气体为空气，温度取5℃,于是由式(2)计算得ρ_p＝1.521g/cm³；g为重力加速度，取9.832m/s²；e为膜下土体平均孔隙比；S_r为饱和度；S为盲沟间距，即水库中部土体单元的边长；H为地下水位设计埋深。

表1膜下土体单元的需要排出膜下气体重量计算式(1)

η	ρ<sub>p</sub>(g/cm<sup>3</sup>)	e	S<sub>r</sub>	S(m)	H(m)	Q<sub>a</sub>(kN)
							0.15	1.521	0.70	0.40	75(拟定)	1.0	17663.4

步骤(4)中，膜下土体单元的盲沟排气能力Q_ak计算式为：

Q_ak＝8k_aht_aΔp (2)

式中k_a为膜下土体单元排气系数；t_a为允许膜下土体单元排气时间；Δp为膜下土体单元中心至盲沟之间的气压差。

步骤(4)中，根据水库中部膜下土体单元的需要排出的膜下气体体积量Q_a不大于膜下土体单元的盲沟排气能力Q_ak，确定排气盲沟间距S，即合并式(1)和式(2)，即得：

由式(3)求得盲沟间距75.9m。同时式(3)表明增大排气盲沟间距的因素主要是土体具有较大的排气系数k_a、盲沟深度h、允许排气时间t_a及允许膜上气压差Δp；而气体密度ρ_p、地下水埋深H增大，相应需减小盲沟间距。

膜下土体单元及盲沟材料等介质的变量与饱和度相关，其中有效饱和度S_e：

式中，S_r为介质的饱和度，S_rl为残余饱和度。

渗气系数k_a与饱和度相关，可由经验公式确定：

式中，k_d为干燥状态下土体渗气系数；λ为与土体饱和度相关的土水特征曲线斜率。

表2膜下土体单元四周盲沟排气系数计算式(4、5)

S<sub>r</sub>	S<sub>l</sub>	S<sub>e</sub>	k<sub>d</sub>(m/d)	λ	k<sub>a</sub>(m/d)
						0.40	0.15	0.29	30	4	12.56

允许膜下土体单元排气时间t_a应不大于地下水位上升时间t_w，即t_a≤t_w，其中t_w的计算式为

式中，v_w为地下水位上升速度，设1月/m，于是H＝1.0m，t_a≤t_w＝30。

允许膜上气压差Δp决定于膜上覆土层厚度，如图2所示，取覆土层(砂垫层及开挖料)的平均湿容重20kN/m³，则膜上覆土层厚度1m时，Δp≤20kPa。

表3膜下土体单元四周盲沟排气能力计算式(3)

k<sub>a</sub>(m/d)	h(m)	t<sub>a</sub>(d)	Δp(kPa)	Q<sub>ak</sub>(kN)
					12.56	0.3	30	20	18091.8

计算结果表明，本发明提出的盲沟及其设计方法能够满足步骤(4)中“水库中部膜下土体单元的需要排出的膜下气体体积量Q_a不大于膜下土体单元的盲沟排气能力Q_ak”的要求，排气能力较好。

Claims (3)

1.一种膜下排气盲沟的设计方法，所述盲沟用于排出水库铺膜防渗工程土体中的气体，为棋盘式结构，由每两条横向盲沟和每两条纵向盲沟之间围出边长相等的矩形土体单元；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)根据地下水位确定设计埋深H；

(2)计算水库中部膜下土体单元的需要排出膜下气体体积量Q_a；

水库中部膜下土体单元的需要排出膜下气体体积量按下式预估：

式中η为土中气体体积残余系数，是指膜下土体气体残余体积与总孔隙气体积比值，其中土体气体残余体积为总孔隙气体积扣除直接运移至盲沟的气体体积的值；ρ_p为在压力p条件下气体的密度；g为重力加速度；e为膜下土体平均孔隙比；S_r为饱和度；S为盲沟间距，即水库中部土体单元的边长；H为地下水位设计埋深；

式中ρ_p通过理想气体状态方程换算，计算式为：

式中T为膜下气体温度，单位为摄氏度；p为膜下气体相对大气压力的压力示数，即相对压力；μ为膜下气体分子的摩尔质量；

(3)计算水库中部膜下土体单元的四周盲沟的排气能力Q_ak；

膜下土体单元的盲沟排气能力Q_ak计算式为：

Q_ak＝8k_aht_aΔp (3)

式中k_a为膜下土体单元排气系数；t_a为允许膜下土体单元排气时间；Δp为膜下土体单元中心至盲沟之间的气压差；

(4)根据水库中部膜下需要排出的膜下气体体积量Q_a不大于盲沟排气能力Q_ak确定最小盲沟间距；所述盲沟间距为相邻两盲沟的中心距离；

按下式确定排气盲沟间距S的最小值：

式(4)表明增大排气盲沟间距的因素主要是土体具有较大的排气系数k_a、盲沟深度h、允许排气时间t_a及允许膜上气压差Δp；而气体密度ρ_p、地下水埋深H增大，相应需减小盲沟间距；

(5)确定盲沟材料结构和空隙体积率的设计指标；

膜下土体单元及盲沟材料介质的设计指标包括有效饱和度、渗气系数、允许膜下土体单元排气时间和允许膜上气压差，其中有效饱和度S_e按下式计算：

式中，S_r为介质的饱和度；S_rl为残余饱和度；

渗气系数k_a与饱和度相关，由经验公式确定：

式中，k_d为干燥状态下土体渗气系数；λ为与土体饱和度相关的土水特征曲线斜率；

允许膜下土体单元排气时间t_a不大于地下水位上升时间t_w，即t_a≤t_w，其中t_w的计算式为

式中，v_w为地下水位上升速度；

所述允许膜上气压差Δp根据膜上覆土层厚度和覆土湿容重确定。

2.根据权利要求1所述的膜下排气盲沟的设计方法，其特征在于，所述盲沟中布设一条直径不小于100mm的土工盲管，截面为蜂窝煤状；所述土工盲管外包土工布，周边回填碎石，所述盲沟外包一层土工布。

3.根据权利要求1所述的膜下排气盲沟的设计方法，其特征在于，所述盲沟截面尺寸为建基面下盲沟深度h，宽度b，盲沟截面面积A为b·h，所述深度h和宽度b均不小于30cm。

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