一种检测土工织物过滤性能的装置及方法

摘要

本发明提供了一种检测土工织物过滤性能的装置及方法，包括常规土工织物淤堵试验装置，其特征在于，还包括流失土壤收集网和带孔法兰盘，所述的流失土壤收集网和带孔法兰盘设于常规土工织物淤堵试验装置内土工织物试样的下方，流失土壤收集网设于带孔法兰盘的上侧。本发明在现有土工织物淤堵试验装置的基础上，加装了流失土壤收集网和硬质小孔径法兰盘，具体检测方法与现有土工织物淤堵试验类似，但在不影响现有装置检测功能的基础上，还能够测试流失土壤量的多少，而且改装方便、成本低，便于推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测土工织物过滤性能的装置及方法，属于纺织技术领域。 

背景技术

土工织物的过滤性能与其应用场合的水流特性和土壤性能密切相关，为了充分发挥其过滤性能，要求根据被保护土及水流情况选择合适的土工织物作为滤层材料，这就涉及到土工织物的过滤性能测试，目前常用的方法是采用土工织物淤堵试验装置。该装置是在被测土工织物目标应用地取一定量土壤，通过测试梯度比来表征土工织物的防淤堵性，当梯度比小于3时，认为该土工织物具有良好的防淤堵性。同时，该装置还能够检测土壤/织物系统的渗透系数、土壤的渗透系数以及单位体积土工织物中的含土量等指标；但该装置不能够检测随水流失的土壤量。土工织物用于海岸、河堤等场所时，一个很重要的作用就是保土固沙，即最大化地保持被保护土的结构完整性。虽然为了防止土工织物淤堵而允许有一定量的土壤颗粒(如5％或10％以内)穿过土工织物而随水流失，但如果较大量土壤均随水流失，虽然在淤堵试验测试时土工织物的防淤堵性能测试结果较好，但却起不到保土固沙的基本作用。因此，检测淤堵试验过程中土壤颗粒的流失量具有重要意义，现有的土工织物淤堵试验装置及检测方法还不能实现这一目的。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够全面表征土工织物过滤性能的试验装置和检测方法，以解决现有装置仅侧重于表征土工织物防淤堵性能、而没有涉及到土工织物保土性能的缺陷。本发明在常规土工织物淤堵试验装置上，加装能够收集流失土壤颗粒的装置，使之能够同时测试土壤流失量、梯度比、渗流量等参数，完善土工织物过滤性能的表征方法。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种检测土工织物过滤性能的装置，包括常规土工织物淤堵试验装置，其特征在于，还包括流失土壤收集网和带孔法兰盘，所述的流失土壤收集网和带孔法兰盘设于常规土工织物淤堵试验装置内土工织物试样的下方，流失土壤收集网设于带孔法兰盘的上侧。 

优选地，所述的常规土工织物淤堵试验装置包括渗透仪，所述的渗透仪包括上筒和下筒，上筒和下筒采用可拆卸的方式连接，上筒的上侧设有上盖，上盖连接供水管和溢 水管，上筒和下筒之间设有土工织物试样和铜丝筛网，土工织物试样位于铜丝筛网的上侧，下筒底部连接调节管，上筒的侧面从下到上分别设有2^#测压管、3^#测压管和4^#测压管，下筒的侧面设有1^#测压管，所述的流失土壤收集网和带孔法兰盘设于下筒底部，所述的供水管上设有供水阀门，所述的溢水管和调节管上设有止水夹。 

更优选地，所述的常规土工织物淤堵试验装置还包括漏斗和量筒，漏斗的底部连接集水管。 

优选地，所述的流失土壤收集网为多层复合聚酯纤维网。 

优选地，所述的多层复合聚酯纤维网的厚度为20～25mm。 

优选地，所述的多层复合聚酯纤维网为三层结构，第一层聚酯纤维网中的纤维细度为3～10D，采用针刺法制毡，厚度为15～20mm，最大孔径为0.10～0.15mm，孔隙率为97～99％，第二层聚酯纤维网的纤维细度为0.5～1D，采用热风粘合法制毡，厚度为3～5mm，体积密度为110～138kg/m³，最大孔径为0.04～0.10mm，孔隙率为90～92％，第三层聚酯纤维网的纤维细度为0.5～1D，采用平纹机织布，厚度为0.5～1mm，平均孔径为0.02～0.04mm，分别制成三层聚酯纤维网后将其复合在一起，所述的复合方法为针刺法。 

更优选地，所述的针刺法制毡的具体条件为：针刺密度150～300刺/cm²，针刺深度8～10mm，针刺道数2～3道；在采用针刺法将三层聚酯纤维网复合在一起时，具体条件为：针刺密度100～200刺/cm²，针刺深度10～13mm，针刺道数1～2道。 

更优选地，所述的第二层聚酯纤维网中含有20～30％的低熔点聚酯纤维，在采用热风粘合法制作第二层聚酯纤维网时，粘结温度为120～130℃，纤网速度为10～20m/min。 

优选地，所述的带孔法兰盘采用厚度为0.4-0.6mm的不锈钢薄板，其表面均匀分布着直径为0.45～0.55cm的小孔，总孔隙率为45～55％。 

本发明还提供了一种检测土工织物过滤性能的方法，其特征在于，采用上述的检测土工织物过滤性能的装置，具体步骤包括： 

第一步：首先测试流失土壤收集网的烘干后质量M₀，打开渗透仪的上盖和上筒，将流失土壤收集网与带孔法兰盘依次放入渗透仪，打开调节管上的止水夹，通过调节管由渗透仪底部充水直至水位与铜丝筛网齐平，停止充水； 

第二步：将待测土工织物剪成具有一定面积A的圆形试样，烘干到恒重并测试其质量m₀和厚度T_g；安装试样和上筒，通过调节管充水使试样饱和； 

第三步：测试土壤的烘干后质量U，分四层装入渗透仪，每层装入后整平，并用木锤击打，总厚度为8-12cm，再通过调节管充水至水与土样顶面齐平，使土样饱和；装样过 程中应防止测压管的进口被堵塞，待土样全部装入后，在土样上铺设1-3cm厚的砾石缓冲层； 

第四步：安装渗透仪的上盖，继续使水位上升至上盖的溢水管口有水溢出，关闭调节管上的止水夹； 

第五步：打开供水管，调节进水量调节渗透仪水位，并观察测压管内的水位变化，当全部测压管的水位不再上下浮动时，将供水管保持常水头状态，打开调节管上的止水夹，水流通过试样进行渗流； 

第六步：每小时测读一次全部测压管水位和渗流水量Q，同时记录渗水时间t和水温，连续测读24小时，根据实测情况可延长测读时间，直到每个测压管和渗流水量前后两次读数差值小于1％，此时的读数记为最终值； 

第七步：试验结束，取出试样，清除表面浮土，烘干到恒重后测试含土试样的总质量m₁，计算淤堵于试样内部的土壤量，精确至0.01g；取出流失土壤收集网，烘干到恒重后测试含土收集网的总质量M₁，计算随水流失的土壤量，精确至0.01g； 

第八步：按照如下公式分别计算梯度比、土工织物/土壤系统在20℃时的渗透系数、标准温度下土壤的渗透系数、单位体积织物试样中的含土量、单位面积土工织物的流失土壤量以及流失土壤百分比中的至少一种： 

梯度比：式中，GR为梯度比；h₁₂为1^#和2^#测压管的最终水位之差，单位为cm；h₂₃为2^#和3^#测压管的最终水位之差，单位为cm；T_g为土工织物试样的厚度，单位为cm； 

土工织物/土壤系统在20℃时的渗透系数：式中，为土工织物/土壤系统在20℃时的垂直渗透系数，单位为cm/s；Q为最终渗流水量，单位为cm³；t为渗水时间，单位为s；h₁₃为1^#和3^#测压管的最终水位之差，单位为cm；η_T为试验水温时水的动力粘滞系数，单位为KPa·s；η₂₀为20℃时水的动力粘滞系数，单位为KPa.s；A为试样面积，单位为cm²； 

标准温度20℃时土壤的渗透系数：式中，为20℃时土壤的垂直渗透系数，单位为cm/s； 

单位体积土工织物试样中的含土量：式中，m为单位体积土工织物中的含土量，单位为g/cm³；m₀和m₁分别为试验前试样的烘干质量和试验结束后含土试样的烘干质量，单位为g； 

单位体积土工织物的流失土壤量：式中，M为单位体积土工织物的流失土壤量，单位为g/cm³；M₀和M₁分别为试验前流失土壤收集网的烘干后质量和试验结束后含土的流失土壤收集网的烘干质量，单位为g； 

流失土壤百分比：式中，φ为流失土壤百分比，U为试验开始时试样上方土壤的烘干质量，单位为g，可根据烘干土壤的密度和体积计算得到； 

第九步：将流失土壤收集网冲洗干净，自然晾干后待下次使用。 

本发明的流失土壤收集网选用软质多层复合聚酯纤维网，可反复使用；为了能够充分收集穿过被检测土工织物的土壤颗粒，其厚度比一般土工织物更大，采用多层复合制备技术：第一层孔径较大且孔率较高，便于土壤颗粒的进入和清除；第二层体积密度大、孔径小、孔隙率小，对进入第一层的土壤颗粒起到拦截作用，使土壤颗粒尽可能地驻留在第一层；第三层孔径非常小，防止部分进入第二层的极小土壤颗粒随水流失。本发明的法兰盘置于流失土壤收集网下面，起到支撑作用。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

本发明在现有土工织物淤堵试验装置的基础上，加装了流失土壤收集网和硬质小孔径法兰盘，具体检测方法与现有土工织物淤堵试验类似，但在不影响现有装置检测功能的基础上，还能够测试流失土壤量的多少，而且改装方便、成本低，便于推广应用。 

附图说明

图1为本发明的土工织物过滤性能检测装置结构示意图； 

图2为本发明的流失土壤收集网结构示意图； 

图3为本发明的带孔法兰盘结构示意图； 

具体实施方式

下面结合实施例来具体说明本发明。 

实施例1 

如图1所示，为本发明的土工织物过滤性能检测装置结构示意图，所述的检测土工织物过滤性能的装置，包括常规土工织物淤堵试验装置，还包括流失土壤收集网11和带孔 法兰盘12，所述的流失土壤收集网11和带孔法兰盘12设于常规土工织物淤堵试验装置内土工织物试样6的下方，流失土壤收集网11设于带孔法兰盘12的上侧。 

所述的常规土工织物淤堵试验装置为渗透仪，所述的渗透仪包括上筒4和下筒，上筒4和下筒采用可拆卸的方式连接，上筒4的上侧设有上盖3，上盖3连接供水管1和溢水管2，上筒4和下筒之间设有土工织物试样6和铜丝筛网7，土工织物试样6位于铜丝筛网7的上侧，下筒底部连接调节管8，上筒4的侧面从下到上分别设有2^#测压管14、3^#测压管15和4^#测压管16，下筒的侧面设有1^#测压管11，所述的流失土壤收集网11和带孔法兰盘12设于下筒底部，所述的供水管1上设有供水阀门，所述的溢水管2和调节管8上设有止水夹。所述的渗透仪还包括漏斗9和量筒10，漏斗9的底部连接集水管。 

如图2所示，所述的流失土壤收集网11为多层复合聚酯纤维网。所述的多层复合聚酯纤维网的厚度为24.5mm。所述的多层复合聚酯纤维网为三层结构，第一层聚酯纤维网21中的纤维细度为6D，采用针刺法制毡，具体条件为：针刺密度250刺/cm²，针刺深度10mm，针刺道数3道，厚度为20mm，最大孔径为0.11mm，孔隙率为98％，第二层聚酯纤维网22的纤维细度为0.5D，含有25％的低熔点聚酯纤维，其余为普通聚酯纤维，在采用热风粘合法制作第二层聚酯纤维网时，粘结温度为125℃，纤网速度为15m/min，厚度为4mm，体积密度为110kg/m³，最大孔径为0.06mm，孔隙率为92％，第三层聚酯纤维网23的纤维细度为0.5D，采用平纹机织布，厚度为0.5mm，平均孔径为0.03mm，分别制成三层聚酯纤维网后将其复合在一起，所述的复合方法为针刺法，具体条件为：针刺密度150刺/cm²，针刺深度10mm，针刺道数2道。 

如图3所示，所述的带孔法兰盘12采用厚度为0.5mm的不锈钢薄板，其表面均匀分布着直径为0.5cm的小孔24，总孔隙率为50％。 

采用上述的检测土工织物过滤性能的装置检测土工织物过滤性能的方法为： 

第一步：首先测试流失土壤收集网11的烘干后质量M₀为42.78g，打开渗透仪的上盖和上筒，将流失土壤收集网11与带孔法兰盘12依次放入渗透仪，打开调节管8上的止水夹，通过调节管8由渗透仪底部充水直至水位与铜丝筛网7齐平，停止充水； 

第二步：将待测土工织物剪成面积A为200cm²的圆形试样，烘干到恒重并测试其质量m₀为8g，厚度T_g为5mm；安装试样和上筒，通过调节管8充水使试样饱和； 

第三步：测试土壤的烘干后质量U，分四层装入渗透仪，每层装入后整平，并用木锤击打，总厚度为10cm，再通过调节管8充水至水与土样顶面齐平，使土样饱和；装样过程中应防止测压管的进口被堵塞，待土样全部装入后，在土样上铺设2cm厚的砾石缓冲 层； 

第四步：安装渗透仪的上盖，继续使水位缓慢上升至上盖的溢水管2口有水溢出，关闭调节管8上的止水夹； 

第五步：打开供水管1，通过微调进水量调节渗透仪水位，并观察测压管内的水位变化，当全部测压管的水位不再上下浮动时，将供水管1保持常水头状态，打开调节管8上的止水夹，水流通过试样进行渗流； 

第六步：每小时测读一次全部测压管水位和渗流水量，同时记录渗水时间和水温，连续测读24小时，每个测压管和渗流水量前后两次读数差值小于1％，此时的读数记为最终值； 

第七步：试验结束，取出试样，轻轻清除表面浮土，烘干到恒重后测试含土试样的总质量m₁，为23.15g，计算淤堵于试样内部的土壤量，精确至0.01g；取出流失土壤收集网11，烘干到恒重后测试含土收集网的总质量M₁为46.11g，计算随水流失的土壤量，精确至0.01g； 

第八步：按照如下公式分别计算梯度比、土工织物/土壤系统在20℃时的渗透系数、标准温度下20℃土壤的渗透系数、单位体积织物试样中的含土量、单位面积土工织物的流失土壤量以及流失土壤百分比： 

梯度比：$>\mathrm{GR}=\frac{h_{12}·5}{h_{23}(2.5+T_g)}=2.38$>

土工织物/土壤系统在在20℃时的渗透系数： $>K_{\mathrm{sg}}^{20}=\frac{Q·(7.5+T_g)}{t·A·h_{13}}·\frac{{\eta }_T}{{\eta }_{20}}={2.5\times 10}^{-5}\mathrm{cm}/s$>

标准温度20℃时土壤的渗透系数：$>K_s^{20}=\frac{Q·5}{t·A·h_{23}}·\frac{{\eta }_T}{{\eta }_{20}}={5.95\times 10}^{-5}\mathrm{cm}/s$>

单位体积土工织物试样中的含土量：

单位体积土工织物的流失土壤量：$>M=\frac{M_1-M_0}{A·T_g}=3.33\times {10}^{-2}g/{\mathrm{cm}}^3$>

流失土壤百分比：$>\phi =\frac{M_1-M_0}{U}\times 100\%=0.067\%$>

第九步：将流失土壤收集网用自来水水反复冲洗至完全干净，自然晾干后待下次使用。 

检测结果表明，被测土工织物试样未发生淤堵现象且只有极少量土壤随水流失，因此能够作为被测土壤的滤层材料。 

实施例2 

如图1所示，为本发明的土工织物过滤性能检测装置结构示意图，所述的检测土工织物过滤性能的装置，包括常规土工织物淤堵试验装置，还包括流失土壤收集网11和带孔法兰盘12，所述的流失土壤收集网11和带孔法兰盘12设于常规土工织物淤堵试验装置内土工织物试样6的下方，流失土壤收集网11设于带孔法兰盘12的上侧。 

所述的常规土工织物淤堵试验装置为渗透仪，所述的渗透仪包括上筒4和下筒，上筒4和下筒采用可拆卸的方式连接，上筒4的上侧设有上盖3，上盖3连接供水管1和溢水管2，上筒4和下筒之间设有土工织物试样6和铜丝筛网7，土工织物试样6位于铜丝筛网7的上侧，下筒底部连接调节管8，上筒4的侧面从下到上分别设有2^#测压管14、3^#测压管15和4^#测压管16，下筒的侧面设有1^#测压管11，所述的流失土壤收集网11和带孔法兰盘12设于下筒底部，所述的供水管1上设有供水阀门，所述的溢水管2和调节管8上设有止水夹。所述的渗透仪还包括漏斗9和量筒10，漏斗9的底部连接集水管。 

如图2所示，所述的流失土壤收集网11为软质多层复合聚酯纤维网。所述的多层复合聚酯纤维网的厚度为19mm。所述的多层复合聚酯纤维网为三层结构，第一层聚酯纤维网21中的纤维细度为8D，采用针刺法制毡，具体条件为：针刺密度200刺/cm²，针刺深度10mm，针刺道数3道，厚度为15mm，最大孔径为0.13mm，孔隙率为98％，第二层聚酯纤维网22的纤维细度为0.5D，含有20％的低熔点聚酯纤维，其余为普通聚酯纤维，在采用热风粘合法制作第二层聚酯纤维网时，粘结温度为125℃，纤网速度为15m/min，厚度为3mm，体积密度为138kg/m³，最大孔径为0.08mm，孔隙率为90％，第三层聚酯纤维网23的纤维细度为0.5D，采用平纹机织布，厚度为1mm，平均孔径为0.02mm，分别制成三层聚酯纤维网后将其复合在一起，所述的复合方法为针刺法，具体条件为：针刺密度120刺/cm²，针刺深度10mm，针刺道数2道。 

如图3所示，所述的带孔法兰盘12采用厚度为0.5mm的不锈钢薄板，其表面均匀分布着直径为0.5cm的小孔24，总孔隙率为50％。 

采用上述的检测土工织物过滤性能的装置检测土工织物过滤性能的方法为： 

第一步：首先测试流失土壤收集网11的烘干后质量M₀为31.46g，打开渗透仪的上盖和上筒，将流失土壤收集网11与带孔法兰盘12依次放入渗透仪，打开调节管8上的止水 夹，通过调节管8由渗透仪底部充水直至水位与铜丝筛网7齐平，停止充水； 

第二步：将待测土工织物剪成面积A为200cm²的圆形试样，烘干到恒重并测试其质量m₀为6g，厚度T_g为4mm；安装试样和上筒，通过调节管8充水使试样饱和； 

第三步：测试土壤的烘干后质量U，分四层装入渗透仪，每层装入后整平，并用木锤击打，总厚度为10cm，再通过调节管8充水至水与土样顶面齐平，使土样饱和；装样过程中应防止测压管的进口被堵塞，待土样全部装入后，在土样上铺设2cm厚的砾石缓冲层； 

第四步：安装渗透仪的上盖，继续使水位缓慢上升至上盖的溢水管2口有水溢出，关闭调节管8上的止水夹； 

第五步：打开供水管1，通过微调进水量调节渗透仪水位，并观察测压管内的水位变化，当全部测压管的水位不再上下浮动时，将供水管1保持常水头状态，打开调节管8上的止水夹，水流通过试样进行渗流； 

第六步：每小时测读一次全部测压管水位和渗流水量Q，同时记录渗水时间t和水温，连续测读24小时，每个测压管和渗流水量前后两次读数差值小于1％，此时的读数记为最终值； 

第七步：试验结束，取出试样，轻轻清除表面浮土，烘干到恒重后测试含土试样的总质量m₁，为25.21g，计算淤堵于试样内部的土壤量，精确至0.01g；取出流失土壤收集网11，烘干到恒重后测试含土收集网的总质量M₁为36.03g，计算随水流失的土壤量，精确至0.01g； 

第八步：按照如下公式分别计算梯度比、土工织物/土壤系统在20℃时的渗透系数、标准温度下20。℃土壤的渗透系数、单位体积织物试样中的含土量、单位面积土工织物的流失土壤量以及流失土壤百分比： 

梯度比：$>\mathrm{GR}=\frac{h_{12}·5}{h_{23}(2.5+T_g)}=1.25$>

土/织物系统在20。℃时的渗透系数：$>K_{\mathrm{sg}}^{20}=\frac{Q·(7.5+T_g)}{t·A·h_{13}}·\frac{{\eta }_T}{{\eta }_{20}}=8.2\times {10}^{-4}\mathrm{cm}/s$>

标准温度20。℃时土壤的渗透系数：$>K_s^{20}=\frac{Q·5}{t·A·h_{23}}·\frac{{\eta }_T}{{\eta }_{20}}=10.3\times {10}^{-4}\mathrm{cm}/s$>

单位体积土工织物试样中的含土量：

单位体积土工织物的流失土壤量：$>M=\frac{M_1-M_0}{A·T_g}4.57\times {10}^{-2}g/{\mathrm{cm}}^3$>

流失土壤百分比：$>\phi =\frac{M_1-M_0}{U}\times 100\%=0.092\%$>

第九步：将流失土壤收集网用自来水水反复冲洗至完全干净，自然晾干后待下次使用。 

检测结果表明，被测土工织物试样未发生淤堵现象且只有极少量土壤随水流失，因此能够作为被测土壤的滤层材料。