4.7.4.1 堤坝的织物滤层排水设计
这是一种常用的织物排水使用的场合，尤其对土石坝一类的结构物，由于粒状反滤材料施工困难，因此，土工织物反滤的优点十分突出，已有取代粒状材料（或与粒状材料组合使用）之势。
图4.23 复合排水材料的同芯结构
【例】 土坝的竖向排水（Koerner，2005）
一座10m高的土坝，采用土工织物作竖向排水和水平卧式排水（图4.24）。拟采用的土工织物为200g/m2针刺无纺织物，其导水率试验值θult=15×10-4 m2/min，选用综合折减系数3.0，心墙材料为黏质粉土，渗透系数1×10-7 m/s，试计算该织物对心墙渗流量导水的安全系数。
图4.24 土坝竖向排水
解：
（1）采用流网法计算通过心墙的最大单宽渗流量q：
（2）计算织物的水力比降i：
（3）运用达西定律计算织物所需的导水率θregd：
（4）计算织物的导水安全系数FS：
由于该工程比较重要，故安全系数取为5.0，并计算相应的导水率和选择适用的排水材料θallow：
依此，θult应不小于θallow×ΠRFp，即θult=23.2×10-4m2/min，式中，ΠRFp为总折减系数，在这里取为3.0（其含义参见上节）。
对于这个导水率的要求，一般的针刺无纺织物不易达到，除非织物的厚度很厚，或者选用土工网或复合土工材料。
另外，关于土工织物系统的长期防淤性需用长期渗流试验、梯度比试验或者水力传导比试验等进行研究。
4.7.4.2 挡墙墙背的织物滤层排水设计
在挡墙墙背与回填土之间设置垂直排水和反滤，可以消除超孔压的产生。通常在混凝土挡墙背面设粒状材料的垂直或斜向排水，使渗水从填土流到底部的排水管中。这种排水的施工难度是可想而知的。因此，采用土工织物作为排水材料是非常吸引人的。以下举例说明织物排水的设计步骤。
【例】 挡墙墙背垂直排水设计（引自Koerner，2005）
由石笼堆成的挡墙高3.5m，石笼置于0.5m×2m×3m的垫层上（图4.25）。回填土为中密的粉质砂，d10=0.03mm，cu=2.5，K=7.5×10-3m/s，DR（相对密度）=70%，在下列3种土工织物中选用合适的反滤材料。
图4.25 挡墙墙背垂直排水设计示意图（Koerner，2005）
表4.13 3种织物特性表
解： 第一步确定水流过流的安全系数，即保证织物有足够的透水能力；第二步检验织物的等效孔径，以保证织物适当的保土能力。
（1）计算要求的透水率ψ=K/t。
1）按流网计算实际的单宽流量（图4.25）：
2）计算所需的透水率
3）校核上表中3种织物的允许透水率。
织物1 表中给出的极限透水率（Ultimate rate）为ψult=2.0/s，而采用的透水率应考虑各种影响透水性的因素，故真正允许的织物透水率为
式中：RFSCB为机械淤堵折减系数；RFCR为蠕变折减系数；RFIN为相邻材料对织物影响的系数；RFCC为化学淤堵折减系数；RFBC为生物淤堵折减系数。
这些数值可以从Koerner（2005）书中表4.3查得，于是求得织物的总透水性折减系数为15.0，故有
故织物1可接受。
按此种方法对织物2和织物3进行核算，其FS各为47和16，均可接受。
（2）确定土工织物表观孔径（AOS）。选定设计准则：因为水流属于单向层流状态，在Koemer的书中选用Carrolls准则，即O95＜2.5d85由于d10=0.03mm，cu=2.5，d85的近似值约为0.15mm，故O95=0.375mm。对照上述3种织物的等效孔径，织物1和织物3可以接受，而织物2（有纺织物）的孔径太大，不可接受。在《水利规范》中的推荐的准则为O95≤nd85，由于土的不均匀系数为2.5，故n=1.25～1.8，定为1.5。这样，按此公式求得的O95应为：O95＜0.225mm，因此除织物3以外，其他两种织物均不能满足保土性的要求。(www.xing528.com)
4.7.4.3 织物用于垫层的排水设计（Koerner，2005）
【例】 在一饱和细粒土的基土上进行10天的堆载。基土的渗透性为1×10-9 m/s，固结系数为4.6×10-6m2/min（图4.26）。
（1）试确定所要求的织物的渗透性（transmissivity）与堆载填土宽度的关系。
（2）采用织物的极限（ultimate）渗透性0.75×10-3 m2/min和综合折减系数ΠRF=5.0，求出在这种情况下最大的堆载宽度。
解：（1）确定堆载宽度B与导水率θ的关系：
其中B的单位为m，绘制B—θ的曲线如图4.27所示。
图4.26 堆载固结排水（Koerner，1988）
图4.27 B—θ关系曲线（Koerner，1998）
（2）依此图，可求得θult以及θallow：
根据图4.27中B—θ曲线求得：B=30m。
4.7.4.4 织物用于新型减压井的排水研究
（1）减压井的现状。在国内外水利工程的堤坝中，为了控制基础的渗流，减压井使用得十分普遍。减压井是设置在堤防背水侧一定距离处的一种能集水的透水井，它有消减堤基背水侧过高的水压力，防止地基渗透破坏的作用，这种减压井效果十分显著，尤其对二元结构堤基（如长江等）。鉴于它的减压效果好，费用较低，施工场地小，对环境影响较少等优点，因此在重要的堤防工程中受到重视。但突出的问题是它易被淤堵，使用寿命短，例如，湖北咸宁长江干堤1997年设置了减压井（其布置桩号：638+250见图4.28），在1998年和1999年的大水中，井被严重淤堵。表4.14系2001年实测的井内淤积情况，图4.29系1998年咸宁减压井水位随长江水位变化的情况。可以看出，井水位与江水位已没有对应关系，表明井的淤堵已很严重。造成这种淤堵的原因与减压井的结构和材料不当有关。
图4.28 咸宁长江干堤减压井布置示意图
图4.29 咸宁减压井1998年流量随江水位变化曲线
为此，弄清淤堵的原因，研究防止淤堵的措施，以延长减压井的寿命，就是一个重要而又现实的问题。
表4.14 减压井井内淤积厚度测量结果
近年，长江科学院等单位结合1998年长江大洪水后的堤防加固工程，进行了减压井淤堵机理和预防措施的研究，取得了初步的经验（长江科学院，2006），现简介如下。
（2）淤堵的机理研究。减压井的淤堵分为机械淤堵、化学淤堵和生物淤堵3种。
从减压井的结构和室内淤堵模拟试验发现，最易发生淤堵的部位是反滤层以及滤网，反滤层的机械淤堵可分为两种形式：淤塞和淤闭。被保护土在反滤层前面聚集，形成“泥饼”，减弱反滤层的排水能力称为淤闭；被保护土颗粒进入反滤层孔隙中，称为淤塞。这两者以淤闭的影响更大，只要“泥饼”形成一个完整的面，反滤层的排水能力就完全丧失；而对于淤塞，正如前述，只有当反滤层孔隙的80%被淤堵时，其排水效果才受到影响。
化学淤堵在减压井中是主要的淤堵形式，因此，也是人们关心较多的方面。在研究中，主要关心了水环境，透水层矿物成分、氧化还原环境以及减压井间歇运行等的作用，试验表明化学淤堵不是在出流期，而是在间歇期造成的。
生物淤堵与铁细菌、硫细菌和藻类等有关。其防治措施，主要是用药物注入，对细菌和微生物进行灭杀。这种化学处理对防治生物淤堵有一定的效果，但要注意对周围环境的影响，不要将有害的化学物质扩散到地层中去。为此也有人采用紫外线照射法、低热灭菌法，超声波法等。
（3）土工合成材料的使用对减轻减压井淤堵的作用。最主要的减淤措施是将过滤器改成可拆换式的，该可拆换的过滤器采用泡沫塑料作为过滤体，它的结构如图4.30所示。它可分为固定部分和可拆换部分：其中固定部分，由外向内依次为反滤层、滤网和井管；可拆换部分为泡沫塑料过滤体，外包尼龙网，内撑硬塑内井管。泡沫塑料过滤体可以进行定期清洗或更换，以保持过滤体的透水性能始终良好（图4.31）。
需要注意的是该过滤体中的粒状反滤料，应在满足粒状反滤准则的前提下，尽可能采用粒径较大的材料。如荆江大堤观音寺闸减压井和美国密西西比河均采用了粒径各为3～8mm和0.3～13mm的粒状料作为滤层，多年运用，效果一直良好。有的工程也采用土工织物作为滤层，如武汉阳新长江干堤减压井采用两层350g/m2土工织物作反滤层，又如安徽江堤也采用在减压井外包350g/m2的土工织物或尼龙网作为滤网，它们的效果还有待改进。
关于过滤体的构造与实施，过滤体系由多孔聚氨酯泡沫组成，厚50mm，过滤体内为直径280mmPP硬塑料花管，主要对泡沫起支撑作用。外面用40目的尼龙网包裹住泡沫塑料，使其紧附在塑料花管上。以防过滤体在放置和拔起过程中脱落。过滤体每节长2m，节与节之间用插销连接。
图4.30 可拆换式减压井结构图
图4.31 过滤体结构图
施工时，采用冲击钻清水钻进。由于泥浆固壁会使井内充满泥浆加速减压井的淤堵，故当井管下放到位后，应立即用动水投砂法填放滤料，填至实管段后，用直径2mm的泥球封堵，直至井口。封井完毕后，采用活塞洗井，将井内泥砂吸出，再用潜水泵下到井底抽水，直至水清砂净为止。洗井时间为4～15h。
关于滤网的选择：该滤网的主要功能是防止反滤料的流失。在以往，它常用缠丝滤网，采用铁丝或铜丝缠绕在井外壁，这在一定程度上加剧了减压井的化学淤堵和生物淤堵。现在，它已改用化学性质稳定的土工合成材料，如尼龙网等。尼龙网的网孔应在保持滤料骨架稳定的前提下，允许少量细粒随水流出，以防淤堵。根据研究，采用40目的尼龙网较合适，其有效孔径O=0.425mm。
关于井管：设计选择外径为400mm，壁厚为10mm的PP硬塑料管作为井管。为满足抗浮要求，井管上端设计长8m的实管段（对22m深的减压井），以下为花管段，花管的开孔孔径为20mm，孔边间距20mm，花管段开孔率为19%左右。
图4.32为长江同马大堤四合圩段减压井结构图。
当然，要解决延长减压井的寿命，除上述可折换的过滤器以外，在减压井的施工和管理方面也应采取相应的措施，如井口做好防护，防止污水倒灌；施工避免采用泥浆固壁；井结构材料采用惰性材料；尽量保证井花管段在常年水位下有足够长度；避免间歇运用；定期检查清洗等。这些还有待于进一步检验。
总之，从目前运用的情况看来，设计的思路是对的，具体的还可在今后继续完善。
图4.32 同马大堤四合圩段减压井结构图（单位：cm）
1—井盖板（150号φ110×8cm）；2—井帽（150号混凝土φ130cm）；3—柏油脱离层；4—混凝土排水管（φ20cm）；5—混凝土底板（150号φ170cm）；6—升水管（φ20cm）；7—表土层；8—回填黏土球分层夯实；9—基础砂层；10—滤水管（φ20cm）；11—滤砂（D50=0.63mm）；12—钻孔（φ60cm）；13—塑料布二层包裹接头水泥砂浆；14—导向木（30cm×15cm×5cm）；15—扎固导向木铁丝（φ4cm）；16—沉淀管（φ20cm）；17—井底板（φ28×1cm）
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