一种膜下盲沟结构及其宽度设计方法与流程

1.本发明涉及膜下盲沟技术领域，尤其是一种膜下盲沟结构及其宽度设计方法。


背景技术：

2.当水库库址分布地层主要有厚度大、透水性较强地层，如粉砂，砂性土或砾石土，缺乏有效隔水层时，则选用库盘土工膜防渗方案可很好地解决场地地层的渗漏问题。
3.目前土工膜防渗方案的水库渗漏机制已经清楚，是由膜下气胀引发；膜下气胀的影响因素主要是围堤填筑施工、库水位下降及地下水位上升等；理论研究表明膜下排气盲沟设置合理是防止膜下气胀的关键。膜下盲沟设计主要有盲沟间距、盲沟横截面积尺寸。然而，工程中应用的盲沟尺寸均为经验性，缺少合理的设计方法。对于巨大面积的平原水库，盲沟除了要具有常规的排气功能，还得克服因长度过大引起气阻对膜下气压的影响。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种膜下盲沟结构及其宽度设计方法，能够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。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种膜下盲沟结构，包括：排气主管部件、辅助部件和气体收集部件，排气主管部件位于盲沟中心部分，辅助部件位于排气主管部件的四周，气体收集部件位于排气主管部件与辅助部件、辅助部件与土体之间。排气主管部件圆形截面，直线通道，以最大最有效面积保证气体传输时无障碍；辅助部件起到给排气主管部件的支承、定位功能，同时也有排气功能，但孔隙明显小于排气主管部件，通道弯曲、不规则连通，排气能力明显小于排气主管部件，起到辅助作用；气体收集部件起到不同结构之间的连接作用，同时具有将不同部件的气体收集传输功能；当气体在大体积土体单元中聚集，产生较高气压，通过土体与辅助部件的土工布，传输至辅助部件中排气，再由排气主管部分与辅助部件之间的土工布传输到排气主管中排气。
6.优选的，排气主管部件为一根外径是100毫米、内径是50毫米的塑料盲管，管壁呈蜂窝煤状，管腔为排气主管部件截面积不小于78cm2。以最大最有效面积保证大、中、小气泡传输无障碍。
7.优选的，辅助部件为排气主管周边所回填的碎石结构体，碎石的技术指标为单一粒径，直径不小于20mm，渗透系数大，碎石结构体渗透系数不小于0.1m/s。配合排气主管部件的支承、定位、排气功能。
8.优选的，气体收集部件为外包或内衬的200g/m2长丝土工布成品，当气体在大体积土体单元中聚集，产生较高气压，通过土体与辅助部件的土工布，传输至辅助部件中排气，再由排气主管部分与辅助部件之间的土工布传输到排气主管中排气。起到不同结构之间的连接作用和将不同部件的气体收集传输功能；
9.相应的，一种膜下盲沟结构的宽度设计方法，包括如下步骤：
10.(1)预估水库中部膜下土体单元内需要排出膜下气体体积量qa；
11.(2)计算膜下盲沟的排气能力q
ak
；
12.(3)根据水库中部膜下需要排出的膜下气体体积量qa不大于盲沟排气能力q
ak
确定最小盲沟宽度。
13.优选的，步骤(1)中，预估水库中部膜下土体单元内需要排出膜下气体体积量qa具体为：水库中部膜下土体单元，由四条盲沟框格围成，各条盲沟承担1/4，于是盲沟内膜下气体体积量按下式预估：
[0014][0015]
式中η1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，根据经验确定系数取值；p1为土体单元内气体排出时压力；ρ
p1
为在压力p1条件下气体的密度；g为重力加速度，取9.832m/s2；e为已知膜下土体平均孔隙比，由试验确定；sr为设定的饱和度；s为已知的盲沟间距，即水库中部土体单元的边长，决定于由盲沟围成的土体单元块气体量及盲沟深度；h为设定的地下水位设计埋深；
[0016]
式中ρ
p
通过理想气体状态方程换算，计算式为：
[0017][0018]
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；μ为膜下气体分子的摩尔质量，对于空气取值为29。
[0019]
优选的，步骤(2)中，计算膜下盲沟的排气能力q
ak
具体为：膜下盲沟排气能力q
ak
计算式为：
[0020][0021]
式中ka为已知的膜下盲沟各部分的平均排气系数，由试验确定；ta为设定的膜下土体单元允许排气时间；δp2为设定的库区中心至大气之间的允许气压差；a为未知的盲沟宽度；h为已知的盲沟深度，决定于由盲沟围成的土体单元块气体量及盲沟间距；η2为盲沟有效排气系数；
[0022]
式(3)的膜下盲沟材料渗气系数、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se按下式计算：
[0023][0024]
式中，sr为介质的饱和度，s
rl
为残余饱和度；
[0025]
渗气系数ka与饱和度相关，由经验公式确定：
[0026][0027]
式中，kd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；
[0028]
允许膜下土体单元排气时间ta不大于地下水位上升时间tw，即ta≤tw，其中tw的计算式为
[0029][0030]
式中，vw为地下水位上升速度；
[0031]
所述允许膜上气压差δp1、δp2是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，δp1≤20kpa、δp2《20kpa。
[0032]
优选的，步骤(3)中，根据水库中部膜下需要排出的膜下气体体积量qa不大于盲沟排气能力q
ak
确定最小盲沟宽度具体为：为了确保水库中部膜下土体单元的气出不会引发膜下气胀现象，膜下盲沟与围堤处大气的气压差应小于设计允许值，于是确定排气盲沟宽度a的最小值：
[0033][0034]
式(7)表明增大盲沟宽度可更有效地排气；影响盲沟宽度的因素主要盲沟渗气系数ka、盲沟深度h、允许排气时间ta及允许膜上气压差δp；而气体密度ρ
p
、地下水埋深h；式(7)中分子为正相关因子，分母为负相关因子。
[0035]
本发明的有益效果为：本发明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宽度；本发明揭示了盲沟宽度的影响因素及其影响趋势，通过减小正相关因子和增大负相关因子，均可起到防止膜下气胀、撕裂现象发生，提升水库的安全性，降低渗漏、浸没事故发生的概率等，本发明具有广泛的适用性和推广价值。
附图说明
[0036]
图1为本发明的盲沟平面布置示意图。
[0037]
图2为图1中a1-a1处的截面图。
[0038]
图3为本发明的盲沟结构示意图。
[0039]
其中，1、排气主管部件；2、辅助部件；3、气体收集部件。
具体实施方式
[0040]
如图1-3所示，一种膜下盲沟结构，包括：排气主管部件、辅助部件和气体收集部件，排气主管部件位于盲沟中心部分，辅助部件位于排气主管部件的四周，气体收集部件位于排气主管部件与辅助部件、辅助部件与土体之间。排气主管部件圆形截面，直线通道，以最大最有效面积保证气体传输时无障碍；辅助部件起到给排气主管部件的支承、定位功能，同时也有排气功能，但孔隙明显小于排气主管部件，通道弯曲、不规则连通，排气能力明显小于排气主管部件，起到辅助作用；气体收集部件起到不同结构之间的连接作用，同时具有将不同部件的气体收集传输功能；当气体在大体积土体单元中聚集，产生较高气压，通过土体与辅助部件的土工布，传输至辅助部件中排气，再由排气主管部分与辅助部件之间的土工布传输到排气主管中排气。
[0041]
排气主管部件位于盲沟中心部分，为一根外径是100毫米，内径是50毫米的塑料盲管，管壁呈蜂窝煤状，管腔为排气主管部件截面积不小于78cm2，以最大最有效面积保证大、中、小气泡传输无障碍；辅助部件位于排气主管部分的四周回填的碎石结构体，配合排气主
管部件的支承、定位、排气功能，碎石的技术指标为单一粒径，直径不小于20mm；渗透系数大，碎石结构体渗透系数不小于0.1m/s；气体收集部件是位于排气主管部分与辅助部件、辅助部件与土体之间，为外包或内衬的200g/m2长丝土工布成品，起到不同结构之间的连接作用和将不同部件的气体收集传输功能；当气体在大体积土体单元中聚集，产生较高气压，通过土体与辅助部件的土工布，传输至辅助部件中排气，再由排气主管部分与辅助部件之间的土工布传输到排气主管中排气。
[0042]
图1中，纵横交错、棋盘式结构为盲沟，每两条纵、横向盲沟中围出边长相等矩形的土体单元，fd为盲沟，fc为纵横盲沟交叉点；a1-a1为剖面号；s为相邻两条盲沟中心的间距。图2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为膜下盲沟。gw为地下水位线，h为至膜面的地下水位设计埋深。gd为水库底面线。
[0043]
前述的一种膜下盲沟结构的宽度设计方法，所述膜下盲沟宽度应满足能将水库中心处土体单元内气体排出至水库围堤处大气中；
[0044]
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：
[0045][0046]
式中η1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，根据经验确定系数取值；p1为土体单元内气体排出时压力；ρ
p1
为在压力p1条件下气体的密度；g为重力加速度，通常取9.832m/s2；e为已知膜下土体平均孔隙比，由试验确定；sr为设定的饱和度；s为已知的盲沟间距，即水库中部土体单元的边长，决定于由盲沟围成的土体单元块气体量及盲沟深度；h为设定的地下水位设计埋深；
[0047]
式中ρ
p
通过理想气体状态方程换算，计算式为：
[0048][0049]
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，对于空气取值为29。
[0050]
表1膜下土体单元的需要排出膜下气体重量计算式表
[0051]
ηρ
p
(g/cm3)esrs(m)h(m)qa(kn)0.151.5210.700.4075(拟定)1.04415.86
[0052]
膜下盲沟排气能力q
ak
计算式为：
[0053][0054]
式中ka为已知的膜下盲沟各部分的平均排气系数，由试验确定；ta为设定的膜下土体单元允许排气时间；δp2为设定的库区中心至大气之间的允许气压差；a为未知的盲沟宽度；h为已知的盲沟深度，决定于由盲沟围成的土体单元块气体量及盲沟间距；η2为盲沟有效排气系数。
[0055]
式(3)膜下盲沟材料渗气系数、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se按下式计算：
[0056]
[0057]
式中，sr为介质的饱和度，s
r,
为残余饱和度；
[0058]
渗气系数ka与饱和度相关，由经验公式确定：
[0059][0060]
式中，kd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。
[0061]
允许膜下土体单元排气时间ta不大于地下水位上升时间tw，即ta≤tw，其中tw的计算式为
[0062][0063]
式中，vw为地下水位上升速度；
[0064]
所述允许膜上气压差δp1、δp2是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，δp1≤20kpa、δp2《20kpa。
[0065]
表2膜下盲沟材料排气系数计算式表
[0066]
srs
l
sekd(m/d)λka(m/d)0.200.150.05950000443658.8
[0067]
表3膜下盲沟排气能力计算式表
[0068]
ka(m/d)a(m)h(m)ta(d)η2l(m)δp(kpa)q
ak
(kn)43658.80.60.3301513104595.66
[0069]
显然，对比表1、3，满足q
ak
≥qa条件，因此合并式(1)、(3)可得：
[0070][0071]
根据式(7)可求得排气盲沟宽度a的最小值，进而确保水库中部膜下土体单元的气体顺利排出，气压差小于膜上荷载，不会引发膜下气胀现象。
[0072]
本发明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宽度；本发明揭示了盲沟宽度的影响因素及其影响趋势，通过减小正相关因子和增大负相关因子，均可起到防止膜下气胀、撕裂现象发生，提升水库的安全性，降低渗漏、浸没事故发生的概率等，本发明具有广泛的适用性和推广价值。