一种缺陷土工膜防渗层的动态渗透系数测试方法与流程

本发明涉及水务领域，具体涉及一种缺陷土工膜防渗层的动态渗透系数测试方法。

背景技术：

1、在水库工程领域，土工膜作为一种有效的防渗材料，其应用受到库区地质条件的显著影响。土工膜的防渗性能及其缺陷渗漏的评估，已成为水库设计中的关键环节。在完好状态下，土工膜的渗透系数通常介于1×10-15m/s至1×10-13m/s之间。然而，由于土工膜材质的薄度仅为0.3-2.0mm，远小于常规地层结构的厚度，这使得土工膜在生产、运输、施工及运营过程中极易出现缺陷孔洞，从而导致水库渗漏问题。

2、土工膜防渗层的缺陷可分为细观缺陷和宏观缺陷两大类。细观缺陷主要源于材料微观上的颗粒杂质或不均匀性，导致土工膜渗透性的均匀变化。宏观缺陷则包括由物理损伤(如拉破、顶破、刺破、液胀破坏等)和施工机械造成的破损，以及焊接或胶接不良引起的连接处破损，这些缺陷在宏观上表现为局部性特征。根据《水电工程土工膜防渗技术规范》(nb/t35027-2014)，孔洞的等效孔径一般为1mm-3mm，特殊部位可达5mm，这些局部宏观缺陷对工程结构的防渗性能产生严重影响。

3、以某抽水蓄能电站上水库为例，该水库采用了全库盘土工膜防渗系统。监测数据显示，库底渗漏量为173-346m3/d，局部破损导致的渗漏问题不仅引起土工膜下砂性土体的渗透变形，还可能导致堤防局部沉陷，加剧渗漏和材料侵蚀，甚至引发堤坝垮塌和溃决的风险。此外，库水位下降时，坝面土工膜的缺陷渗漏会形成瞬态渗流场，影响坝体的局部抗滑稳定性。因此，精确评价土工膜缺陷程度对渗漏量的影响，已成为土工膜防渗水库设计的核心问题。

4、土工膜水库渗漏量的影响因素复杂多变，渗漏量不仅取决于缺陷的数量和形状，还与土工膜下接触层的渗透性、应力水平和水头等因素密切相关。试验结果表明，基层的粗细程度和平整度对土工膜缝隙缺陷的渗漏量有显著影响。尽管国内外已有关于土工膜缺陷渗漏量估算的研究，但由于未能充分考虑土工膜下支承层渗透系数变化对缺陷渗漏的影响，这些研究成果尚不适合直接应用于实际水库工程。因此，如何准确评估土工膜的缺陷渗漏量，成为当前土工膜缺陷试验研究亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种缺陷土工膜防渗层的动态渗透系数测试方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明的一种缺陷土工膜防渗层的动态渗透系数测试方法，所述土工膜防渗层包括从上至下依次布置的土工膜、土工布、砂料保护层和膜下支承层，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

4、测定原始土样颗粒级配曲线，获取土样粒径分布信息，为测试过程提供原始土样信息，确保测试土样与原始土样的性状一致；

5、准备测试材料，根据土工膜防渗方案，确保土工膜、土工布、砂料保护层和膜下支承层的材料类型、厚度与方案一致，并在测试用土工膜上制造半径为r的圆孔形缺陷，得到缺陷土工膜；

6、根据原始土样的颗粒级配曲线，将膜下支承层分为若干分层试样，按顺序拌合均匀并装填，每层装填后进行击实操作，确保膜下支承层的物理性质和颗粒级配与原始土样一致；在膜下支承层顶部依次铺设砂料保护层、土工布和缺陷土工膜，形成缺陷土工膜防渗层；

7、试样初始饱和，测量并记录缺陷土工膜防渗层的总厚度，用无气水采用水头饱和法进行饱和；

8、设置由小到大的多级渗透坡降参数，依次执行每级渗透坡降下的渗透测试，每级渗透坡降下的渗透时间控制为30-60分钟，渗透量和渗压数据需稳定后方可进入下一阶段；并记录渗压、渗流量和渗流现象，直至试验破坏或水头无法继续增加；

9、计算每级渗透坡降下缺陷土工膜防渗层的渗透系数kt以及对应的膜下支持层的干密度ρd、土粒比重gs、孔隙比n，确定动态渗透系数kt的变化趋势。

10、本发明通过建立缺陷土工膜防渗层的动态渗透系数测试方法，能够在实验室环境中模拟实际工况下膜材料的渗透性能，评估防渗层在缺陷条件下的稳定性和渗透性。该测试方法结合了膜下支承层的物理性质与渗透系数的变化趋势分析，能够准确地反映膜缺陷对土工膜防渗层渗透性能的影响，为土工膜的防渗效果提供科学的依据。本发明具有良好的适用性，可广泛应用于土木工程、环境工程等领域。

11、进一步的，所述测定原始土样颗粒级配曲线，包括以下步骤：

12、选取原始土样，对土样进行筛分处理，测定不同粒径的颗粒含量；

13、使用筛分法或激光粒度分析法获取土样的粒径分布曲线；

14、根据测得的粒径分布曲线，确定原始土样的颗粒级配信息；

15、将颗粒级配数据进行记录，为后续的膜下支承层准备工作提供基准数据，确保测试土样与原始土样的性状一致。

16、通过颗粒级配曲线的测定，能够详细了解土样的粒径分布情况，为膜下支承层的分层拌合与装填提供精确依据。土样的颗粒级配直接影响其渗透特性，因此确保土样与原始土样的一致性，有助于提高测试的可靠性与重复性。此外，测定颗粒级配曲线还可以为后续的渗透系数计算和动态分析提供重要数据支持，从而增强整个测试方法的准确性和科学性。

17、进一步的，所述准备测试材料，包括以下步骤：

18、根据已确定的土工膜防渗方案，准备相应的测试用材料，确保所用土工膜、土工布、砂料保护层和膜下支承层的材料类型、厚度与防渗方案一致；

19、在测试用土工膜的中心位置，通过激光切割或机械钻孔的方式制造半径为r的圆孔形缺陷；所述圆孔形缺陷为圆形孔洞，孔洞的半径r为2-5mm，且孔洞位置距离膜的边缘不小于10mm；

20、将缺陷土工膜与砂料保护层、土工布和膜下支承层按顺序进行组装，确保各层符合所设防渗结构的设计要求；

21、对准备好的缺陷土工膜进行外观检查，确保缺陷尺寸和形状符合测试要求。

22、本发明通过精确制造缺陷土工膜，能够模拟实际使用中可能出现的土工膜损坏情况，例如因施工、运输或长期使用中的磨损造成的孔洞。这种缺陷的模拟可以帮助评估土工膜防渗性能在不同条件下的退化规律，进而为防渗工程提供更加科学的设计依据。通过激光切割或机械钻孔技术确保缺陷尺寸的精度和一致性，从而提升实验结果的可靠性和复现性。

23、进一步的，所述制备缺陷土工膜防渗层，包括以下步骤：

24、根据测定的原始土样颗粒级配曲线，将膜下支承层分为若干分层试样，并确保每层的颗粒级配与原始土样一致；

25、按照分层原则，将膜下支承层试样逐层混合均匀，每层的混合均匀度控制在±2％；

26、每层试样按顺序进行装填，并使用标准击实法进行压实，确保每层土样的干密度和压实度符合实验要求；

27、在每层装填和压实完成后，目视检查每层土样是否均匀且无松散区域，压实度达到指定标准，确保每层的土样压实程度符合标准，且无明显松散现象；

28、完成膜下支承层的分层装填后，依次铺设砂料保护层、土工布和缺陷土工膜，形成完整的缺陷土工膜防渗层结构。

29、制备缺陷土工膜防渗层的步骤至关重要，因为膜下支承层的均匀性和压实度直接影响到渗透测试的准确性与可靠性。通过严格控制每层土样的颗粒级配、混合均匀度、以及压实度，可以保证土工膜防渗层结构的稳定性，避免测试过程中因土层不均匀而导致的误差。此外，精细化的操作步骤能确保每层土样的物理性质与原始土样一致，从而保证测试结果的真实有效性。

30、进一步的，所述试样初始饱和，包括以下步骤：

31、在测试开始前，使用去气水对缺陷土工膜防渗层进行初始饱和，确保水流能够完全渗透到土工膜及其下方的支承层；

32、采用水头饱和法，向测试样品施加水头，逐步增加水位，直至样品达到完全饱和状态；

33、在饱和过程中，定期测量样品的渗透量，记录所需时间以确保样品的饱和度符合实验要求；

34、测量并记录缺陷土工膜防渗层的总厚度，确保符合设计要求；

35、在饱和过程中定时检查水温、室温，确保实验条件稳定。

36、试样的初始饱和是确保测试结果准确性的关键步骤，特别是在缺陷土工膜防渗层的测试中，饱和度直接影响渗透过程的稳定性。使用去气水进行饱和可以减少气泡的干扰，避免水流途径中气泡对渗透流量产生误差。同时，严格控制水温和室温，以确保实验环境的稳定，进一步增强实验的可控性和重复性。

37、进一步的，所述渗透测试，包括以下步骤：

38、设置由小到大的多级渗透坡降参数，初始坡降为0.02-0.03，逐步增加至目标坡降，每级坡降参数的递增值为0.05；

39、每级渗透坡降下，开始执行渗透测试，记录每级坡降下的渗透试验数据，包括渗透压力、渗流量和渗流现象；

40、测量并记录每次渗透测试后的水压、渗水量，并观察渗流现象，所述渗流现象包括水的浑浊程度，气泡冒出现象，细颗粒的跳动、移动或被水流带出，土体悬浮，及测压管水位的变化；

41、每次渗透试验进行30分钟至1小时，测量时间间隔为10至20分钟，若连续三次测得水位和渗水量基本稳定，则可以提升至下一级水头；

42、直到试验破坏或水头无法继续增加为止，结束渗透测试。

43、渗透测试的多级坡降参数设置是为了模拟不同水头下的渗透状况，以全面评估土工膜防渗层的渗透性能。在不同水头条件下，水流的渗透性可能会受到膜缺陷、土层压实度等因素的影响，因此，逐级增加渗透坡降可以揭示出膜下支承层在不同应力条件下的渗透特性。通过观察渗流现象，可以进一步了解缺陷土工膜对水流的影响机制，从而为后续的渗透系数分析提供有力的数据支持。

44、进一步的，所述动态渗透系数的变化趋势的确定，包括以下步骤：

45、根据所记录的每级渗透坡降下的渗透流量、渗压和其他测试数据，采用达西定律进行动态渗透系数kt的计算；

46、同时，测量测试用膜下支承层的干密度ρd、土粒比重gs和孔隙比n，并记录其变化情况；

47、对每级渗透坡降下的渗透系数kt进行统计分析，确定渗透系数kt的变化趋势；

48、根据实验结果，采用统计学方法对每级渗透坡降下的渗透系数kt数据进行拟合，以识别确认渗透系数kt的变化趋势与稳定性，评估土工膜缺陷的影响程度，确定防渗层的稳定性与渗透性。

49、进一步的，所述动态渗透系数的变化趋势的确定包括以下步骤：

50、在渗透测试过程中，基于轴对称渗透模型对水流通过膜下支承层的流态进行分析，并假定渗流符合层流条件，满足达西定律；

51、通过测试数据，结合土工膜缺陷区域的渗流特征，分析水流渗透性随不同水头变化的稳定性；

52、对每级渗透坡降下的渗透系数数据，采用统计学方法进行拟合分析，以揭示渗透系数随水头变化的变化规律，并根据实验结果评估膜下支承层粗粒土层的渗透性与细粒土流失对渗透系数的影响；

53、在每个水头级别下，评估土工膜缺陷对防渗层稳定性及渗透性的具体影响，进一步验证渗透模型的适用性与可靠性。

54、动态渗透系数的变化趋势是本发明测试方法中的核心内容之一。通过利用达西定律计算渗透系数，并结合膜下支承层的物理性质(如干密度、土粒比重等)，可以揭示膜缺陷对防渗层渗透性能的实际影响。统计分析和数据拟合的方法能够有效识别渗透系数的变化规律，为土工膜防渗性能的评估提供精确的定量分析。此外，拟合结果可为相关工程设计提供依据，帮助优化防渗层的结构和材料选择。

55、进一步的，计算方法如下：

56、所述干密度ρd按下式计算：

57、

58、式中：md为试样的干密度(g/cm3)，r为试样半径(cm)，h0为试样初始高度(cm)；

59、所述土粒比重gs为粗细颗粒混合比重，按下式计算:

60、

61、式中：gs1为粒径大于5mm的土粒比重，gs2为粒径不大于5mm的土粒比重，p5为粒径大于5mm的土粒质量百分数(％)；

62、所述孔隙比n按下式计算:

63、

64、式中：n为孔隙率(％)，ρw为水的密度(g/cm3)；

65、渗流速度按下式计算:

66、

67、式中：v为渗透流速(cm/s)，q为渗透量(cm3)，t为时间(s)，a为试样面积(cm2)；

68、渗透坡降应按下式计算：

69、

70、式中：i为渗透坡降，δh为测压管水头差(cm)，l为与水头差δh相应的渗径长度(cm)；

71、渗透系数kt则按计算。

72、本发明的有益效果在于：本发明提出了一种缺陷土工膜防渗层的动态渗透系数的测试方法，针对土工膜的超薄特性以及缺陷通常呈现为小孔且局部性分布，本发明具有如下创新性特点：

73、(1)首次提出了缺陷土工膜防渗层动态渗透系数的概念。现有技术中，土工膜及其上下保护层、支承层往往单独考虑，忽略了各层材料间渗透性的相互作用。这导致土工膜缺陷渗漏量的估算问题长期未能解决，从而无法准确评估土工膜的缺陷程度。本发明将土工膜及其上下保护层、支承层视为一个防渗层结构体，在层流条件下，水流通过该结构体的流动满足达西定律。当水力坡降稳定、膜下支承层粗粒土结构中细颗粒流失相对稳定时，防渗层的渗透系数可视为近似恒定，从而深化了对缺陷土工膜防渗层渗透性的认识。

74、(2)设计了一种缺陷土工膜防渗层动态渗透系数的试验装置。基于水库土工膜防渗结构设计方案，结合土工膜缺陷渗漏和粗粒土渗透变形特征，本发明在现有粗粒土渗透试验装置的基础上，增加了缺陷土工膜防渗层结构，形成了适用于研究缺陷土工膜防渗层动态渗透系数的试验装置，为相关研究提供了实验条件。

75、(3)提出了缺陷土工膜防渗层动态渗透系数的试验方法。本发明借鉴了粗粒土渗透试验方法，结合土工膜缺陷渗漏和粗粒土渗透变形的影响因素，创新性地提出了该试验方法。通过分析缺陷土工膜防渗层动态渗透系数的相对稳定性，验证了该试验方法的可行性。同时，利用该方法可揭示渗透系数的变化规律，反映出本发明的创造性价值。