堤防工程土工合成材料应用技术

堤防⼯程⼟⼯合成材料应⽤技术前⾔

下游及沿海平原地区，⾯积占国⼟总⾯积的8％。这⾥有全国40％的⼈⼝和35％的耕地，⼯农业总产值占全国的70％，也是中国⼈⼝最密集、经济最发达的地区。该地区的洪涝灾害严重，是我国国民经济和社会持续发展的⼼腹之患。

我国在防御洪涝灾害⽅⾯做出了很⼤努⼒并取得⾮凡成就，但由于⾃然、社会和经济条件的限制，我国现在的防洪减灾能⼒仍较低，江河和城市防洪标准普遍偏低，不能适应社会、经济迅速发展的要求，防洪减灾仍是⼀项长期⽽艰巨的任务。

堤防是防御洪⽔的最后屏障。⽬前我国建有各类堤防25万km，其中主要堤防6.57万km。

局限性，基础⼤多为沙基，⽽且绝⼤部分堤防的基础基本上没有进⾏处理。⼆是堤⾝质量差，不少堤防是在原民堤的基础上，经历年逐渐加⾼培厚⽽成，往往质量不佳。三是堤后坑塘多，尤其是长江⼲堤和洞庭湖、鄱阳湖区，筑堤⼟料严重不⾜，多年来，普遍在堤后取⼟筑堤，取⼟坑、塘多未做处理，覆盖薄弱。因此当遭遇洪⽔时，经常发⽣管涌、滑坡、崩岸和漫溢等险情，严重者导致⼤堤溃决。在1998年的洪涝灾害中，仅长江中下游⼲堤就出现险情6100多处，⾼⽔位时每天出险300余处。1998年抗洪⽃争全⾯胜利后，全国各地掀起了以堤防⼯程建设为重点的⽔利建设新⾼潮。党中央、国务院多次强调，在灾后重建⼯作中，要运⽤先进技术，坚持质量第⼀。对⼟⼯合成材料的推⼴应⽤给予了⾼度重视，朱镕基总理亲⾃指⽰要在⼤修堤防⼯作中采⽤，并对推⼴应⽤⼟⼯合成材料作了多次重要批⽰。为贯彻落实党中央、国务院的指⽰精神，科学有序、积极稳妥地做好⼟⼯合成材料的推⼴应⽤⼯作，在国家经贸委的⽀持下，⽔利部国际合作与科技司、⽔利部建设与管理司以及国家防汛抗旱总指挥部办公室，共同组织从事科研、管理、设计、施⼯、教学的专家，在总结多年⼟⼯合成材料应⽤经验和国内外最新进展的基础上，编写了这本《堤防⼯程⼟⼯合成材料应⽤技术》。本书也是“⽔利科技减灾系列丛书”之⼀。它的出版，旨在向⼴⼤⼯程技术⼈员和基层⼲部群众推⼴普及⼟⼯合成材料在堤防⼯程中的实⽤技术和应⽤知识，为在堤防⼯程中推⼴应⽤⼟⼯合成材料提供技术⽀撑。本书也可作为⽔利⼯程设计、施⼯、管理等技术⼈员的培训教材。

科所等为本书提供了许多资料。李⼴信、俞仲泉、徐少曼等专家对本书进⾏了审阅，提出了许多宝贵意见。此外，还得到了长江科学研究院、⽔利部科技推⼴中⼼的⼤⼒⽀持，在此⼀并向他们表⽰衷⼼的感谢。

由于编写时间紧迫，书中定会存在许多不⾜乃⾄错误，敬请⼴⼤⽔利⼯作者给予批评指正。

编者1999年11⽉

⽬录

第⼀章综述

第⼀节⼟⼯合成材料的含义及其应⽤概况

第⼆节⼟⼯合成材料的种类

第三节⼟⼯合成材料的耐久性和防护保养第四节⼟⼯合成材料的性能和测试⽅法

⼀些⾦属材料，但它们都有⼀些固有的缺陷，例如性能单⼀，质量⼤，寿命不长，价格昂贵等，故不能全⾯满⾜⼯程的特定需要。同时天然材料毕竟数量有限，⽽且不少天然植物材料如过分利⽤还会影响⾃然界的⽣态平衡，破坏⼈们赖以⽣存的环境空间，例如⼤规模地砍伐森林树⽊，破坏地表植被，会造成⽔⼟流失和荒漠化。有些⾦属材料虽然性能良好，但容易锈蚀，且成本较⾼，从⽽限制了其应⽤范围。随着近代化学⼯业的迅速发展，品种繁多的⼈⼯合成材料陆续问世。它们具有多种能满⾜⼯程需要的性能，可制成各种符合实⽤⽬的的产品，⽽且由于其质量轻、施⼯简易、运输⽅便、价格低廉、料源丰富等优点，为岩⼟⼯程提供了⼀种崭新的较为理想的材料，并由此带来⼀种实施简便和经济有效的技术途径。鉴于这种⼈⼯合成材料的强⼤⽣命⼒，因此近⼆三⼗年来在全世界范围内得到迅速的发展和⼴泛的使⽤。据不完全统计，它们已在数⼗万项⼯程中得到成功的应⽤，取得了良好的经济、社会和环境效益；在⼀些抗御⾃然灾害的⽃争中，更显出其快捷、有效、简便的特点。⽆怪乎这⼀项新材料和新技术被⼈们誉为20世纪岩⼟⼯程中的⼀项技术⾰命。第⼀节⼟⼯合成材料的含义及其应⽤概况

什么是⼟⼯合成材料，概括⽽⾔，⼟⼯合成材料是应⽤于岩⼟⼯程的、以合成材料为原材料制成的各种产品的统称。因为它们主要⽤于岩⼟⼯程，故冠以“⼟⼯”(geo⼀)两字，称为“⼟⼯合成材料”，以区别于天然材料。(geotextile)和“⼟⼯膜”(geomembrane)。随着⼯程需要，这类材料不断有新的品种出现，例如⼟⼯格栅、⼟⼯⽹和⼟⼯模袋等，原来的名称已不能准确地涵盖全部产品，这样，在其后的⼀段时期内，把它们称之为“⼟⼯织物、⼟⼯膜和相关产品(related product)”。显然，这样的名称不宜作为⼀种技术名词或学术名词。为此，1994年在新加坡召开的第五届国际⼟⼯合成材料学术会议上，正式确定这类材料的名称为“⼟⼯合成材料”(geosynthetics)。

⼟⼯合成材料的原材料是⾼分⼦聚合物(polymer)。它们是由煤、⽯油、天然⽓或⽯灰⽯中提炼出来的化学物质制成，再进⼀步加⼯成纤维或合成材料⽚材，最后制成各种产品。制造⼟⼯合成材料的聚合物主要有聚⼄烯(PE)、聚酯(PER)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)和聚氯⼄烯(PVC)等。

聚⼄烯是在1931年前后，⾸先由英国ICI公司研制成功的，1939年成为商品在市场上出售，它是聚合物中分⼦结构最简单的⼀种，可分为低分⼦量和⾼分⼦量两类。聚⼄烯的⽐重为0.92，耐酸碱，抗化学剂能⼒强，吸湿性低，低湿时仍具柔性，电绝缘性极好。在1950年前后，⼜开发出了⾼密度聚⼄烯(HDPE)材料，其⽐重、机械强度、熔点和硬度等都⽐低密度的为优。1935年研制成功，俗名为尼龙，其吸湿性较⾼，⼲燥时有⼀定绝缘性、机械性能好。

1941年前后问世，它包括聚酯树脂、聚酯纤维和聚酯橡胶等。

1954年研制出来，1957年成为商品出售。它的⽐重为0.90～0.91，耐温范围-30～1400C，耐化学剂性能较好，惰性强，价格低廉，是⽬前应⽤最多的原材料之⼀。

此外，常⽤的原材料还有聚氯⼄烯，它的⽐重为1.4，具有极好的化学稳定性，不燃烧，可⽤于制造透明薄膜、管道、板材等。

以上五种原材料的性能对⽐如表1-1所⽰。

表1-1 ⼏种⾼分⼦聚合物性能对⽐

性能

⾼分⼦聚合物

聚酯聚酰胺聚丙烯聚⼄烯聚氯⼄烯

单位质量⾼

中低低⾼

强度⾼中低低低

弹性模量⾼中低低低

破坏应变中中⾼⾼⾼

蠕变性低中⾼⾼

抗紫外线⾼中中低⾼

耐碱性低⾼⾼⾼⾼耐霉、耐⾍中中中⾼⾼

施⼯⽅法、应⽤环境和侧限压⼒⼤⼩的影响。1926年美国南卡罗林拉州公路部门曾采⽤过在棉布上洒沥青⽽制成的材料，其形式类似于⼟⼯膜。其后，⼈们曾采⽤聚氯⼄烯PVC⼟⼯膜作为游泳池的防渗材料。50年代初，美国垦务局采⽤PVC⼟⼯膜作防渗衬砌。前苏联以聚⼄烯膜进⾏渠道防渗也有较长历史。50年代初的荷兰三⾓洲⼯程。据估计，⽤量超过了1000万m2，⼤⼤促进了⼟⼯合成材料的⼯程应⽤。60年代，美国逐渐扩展了采⽤⼟⼯织物修建护坡下的垫层和反滤以及护岸等，并将⼟⼯织物铺在沥青路⾯中以防⽌路⾯反射裂缝。⼟⼯⽹于1968年在⽇本开始应⽤，主要⽤在填⼟坡，帮助坡缘填⼟压实，以增⼤其强度和稳定性。与此同时，⼟⼯⽹也被⽤在软基上筑堤，以后⼜发展为在堤底全⾯铺设。1967年在美国、法国、英国开始应⽤，它是⼀种较厚的聚酯⾮织造⼟⼯织物，作为⼤坝上游抛⽯护坡下的反滤层，或作为基⼟与其上覆盖的粗粒料之间的隔离层。⾮织造织物的出现为⼟⼯织物的应⽤开辟了较⼴阔的天地。80年代后出现了排⽔带，路堤下⽤⾮织造织物作加筋，以及⼟⼯织物加筋挡墙等应⽤实例。我国应⽤⼟⼯合成材料开始较晚，但发展速度很快。⽬前⼏乎在各种类型的岩⼟⼯程和⼤量的⽔利及堤防⼯程中都得到应⽤。1974年江苏省江都嘶马⽤织造型⼟⼯织物制成的软体排，结合混凝⼟块压重，进⾏长江护岸。稍后江都西闸和湖北省长江堤防也都采⽤了软体排。⾮织造⼟⼯织物⽤作反滤料的⼯程实例更多，云南麦⼦河⽔库⽤得最早。80年代中期，⾮织造⼟⼯织物在尾矿坝和灰堤等⼯程中得到应⽤。塑料排⽔带早在80年代初即在天津新港⽤于加固软基，⽬前排⽔带在⾼速公路和机场⼯程已应⽤得⼗分⼴泛。混凝⼟模袋最早⽤于江苏南宫河⼝岸，80年代末已成功应⽤于30多项⼯程。加筋⼟挡墙已修建不少。近年来我国已能⽣产⼟⼯格栅，其⼯程需求量很⼤，预计会⼤⼤促进加筋⼟技术的快速发展。聚苯⼄烯板块在我国寒冷地区早已⽤于⼯程防冻。近来⼟⼯格室、植被⼟⼯⽹垫等新技术也已开始应⽤。根据不完全统计，迄今我们采⽤⼟⼯合成材料的⼯程已逾8000项。

在1998年夏秋，在长江和松花江、嫩江特⼤洪灾的防汛抢险⼯作中，⼟⼯合成材料发挥了重要作⽤。国务院领导⾼瞻远瞩，在灾后多次批⽰和指⽰，⼯程界和制造⼚商积极响应，展现了前所未有的应⽤⼟⼯合成材料热潮。可以预见，我国的⼟⼯合成材料的应⽤程度、技术⽔平、以及产品的质量和品种在不远的将来必将迈上⼀个新台阶。

第⼆节⼟⼯合成材料的种类GB50290—98《⼟⼯合成材料应⽤技术规范》将⼟⼯合成材料分为以下四⼤类：⼟⼯织物、⼟⼯膜、⼟⼯复合材料和⼟⼯特种材料，它们⼜各分为数种。现择要介绍如下。geotextile）

1-1所⽰的各种类型。

⼟⼯织物{

织造（有纺）{

单丝

多丝

裂膜

⾮织造（⽆纺）{

热粘合

化学粘和

机械粘和（针刺）

编织

图1-1 ⼟⼯织物分类(⼀) 织造型⼟⼯织物(woven geotextile)

物原料加⼯成丝或纱或带，再借织机制成平⾯结构的布状产品。织造时常包括相互垂直的两组平⾏丝，如图1-2。沿织机(长)⽅向的称经丝，横过织机(宽)⽅向的称纬丝。这种织物看来简单，却有着不同的丝种和不同的织法。1-2⼟⼯织物的经纬丝0.5mm，它是将聚合物热熔后从模具中挤压出来的连续长丝。在挤出同时或刚挤出后将丝拉伸，使其中的分⼦定向，以提⾼丝的强度。多丝是由若⼲根单丝组成的，在制造⾼强⼟⼯织物时常采⽤多丝。多丝也有⽤切割

图1-2 ⼟⼯织物的经纬丝

成的短丝(⼀般长100mm)搓拧⽽成的。的薄条，其厚度⽐单丝薄得多，且在切⽚前后都要牵引拉伸以提⾼其强度。扁丝宽度约为3mm，是其厚度的⼀⼆⼗倍。⽬前的⼤多数编织⼟⼯织物是由扁丝织成，⽽圆丝和扁丝结合织成的织物有较⾼的渗透性，如图1-3。(fabrillated yarn)，它是将⼀根扁丝剖成许多根细丝，但仍连在⼀起。由裂膜丝织成的织物较为密实，柔软⽽渗透性⼩。多丝和裂膜丝结合织成的编织物厚度可达1～2mm，⽐扁丝织成的要厚。

图1-3 圆丝和扁丝织成的织物

最多的织法。其形式是经、纬丝⼀上⼀下，如图1-2、图1-3。斜纹则是经丝跳越⼏根纬丝，最简单的形式是经丝⼆上⼀下，如图1-4。缎纹织法是经丝和纬丝长距离的跳越，例如经丝五上⼀下，这种织法适⽤于⾐料类产品。

⾼。采⽤不同的丝和纱以及不同的织法，可以使织成的产品具有不同的特性。例如平纹织物有明显的各向异性，如图1-5，其经、纬向的摩擦系数也不⼀样；圆丝织物的渗透性⼀般

图1-4 斜纹⼟⼯织物

图1-5⼟⼯织物抗拉模

量极坐标曲线1-织造⼟⼯织物；

2-⾮织造⼟⼯织物；

3-短纤维⾮织造⼟⼯织物

⽐扁丝的要⾼，每厘⽶长的经丝间穿越的纬丝愈多，织物也愈密愈强，渗透性则愈低。单丝的表⾯积较多丝的要⼩，其防⽌⽣物淤堵的性能要好⼀些。聚丙烯的⽼化速度⽐聚酯和聚⼄烯的要快，等等。由此可见，可以借调整丝(纱)的材质、品种和织造⽅式等来得到符合⼯程要求的强度、经纬强度⽐、摩擦系数、等效孔径和耐久性等项指标。在⼯程实施中应根据具体要求来优选产品，铺设时要注意材料的合理铺设⽅向。(⼆) ⾮织造型⼟⼯织物(non-woven geotextile)