充淤模袋簡易排水試驗研究

徐 波

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 201992)

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充淤模袋簡易排水試驗研究

徐 波

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 201992)

針對不同有效孔徑下編織土工布模袋及無紡土工布模袋進行了單袋概化排水試驗,并在編織布模袋試驗基礎上進行了加載試驗。同時,在不同泥漿比重下,進行了編織土工布袋的掛袋試驗。結果表明,充淤模袋排水性能及保土性能與有效孔徑及充泥漿比重均有一定的關系。

土工充淤模袋；排水特性；保土特性

1 概述

目前,土工模袋作為充填袋體進行堤壩圍堰的修筑已經得到廣泛的應用。其充填材料常為砂、混凝土或者其他大顆粒料,采用吹填、疏浚淤泥仍較少。

模袋充填淤泥[1]作為臨時工程建筑物是否可行,最主要因素就是土工模袋的排水性能和保土性能,一方面要求土工模袋等效孔徑盡可能的小,阻止土顆粒的流失；另一方面要求土工模袋等效孔徑盡可能的大,有利于充填料的排水。因此,研究土工模袋排水保土特性是非常重要的,國內外一些學者也做了一些研究。

Leshchinsky[2]于20世紀90年代提出大型充泥土工模袋的基本設計理念：土工模袋保土和筑堤的結構性主要取決于土工織物的包裹作用,土工材料的設計應充分考慮材料孔徑及充填料粒徑；開發出了土工模袋的設計程序GEOCOPS。 國內朱遠勝、靳向煜[3]等從原料、織造方式、孔徑大小、老化等角度討論對土工織物袋的選擇。閆玥[4]等通過對前人方法的擴展和改進,編制了用于計算扁平充灌袋的形狀、尺寸、泵送壓力、泥漿重度和拉應力的關系的計算程序,這一程序可以幫助圍埝設計者選擇合理的充灌袋材料、幾何形狀和尺寸。林康南[5]、呂振江[6]、王祥壽[7]等對土工充泥管袋在工程實踐中的成功應用進行了分析討論。

本文就不同有效孔徑土工布模袋開展了模型試驗,并對試驗數據進行了整理分析。

2 試驗概況和原理

2.1 試驗概況

試驗現場模袋筑堤充填泥漿采用原始灘涂面淤泥高壓水槍沖制。現場土以粉粒為主。其粒徑組成見表1、圖1所示。

表1 土粒粒徑級配 mm

圖1 土粒粒徑級配曲線(單位:mm)

2.2 試驗原理

擬分別從不同生產工藝土工布模袋(無紡土工布、編織土工布)的不同有效孔徑、不同受力情況、不同比重的充填泥漿做對比試驗。測定不同觀測時間的漿液排出量、泥漿密度,掌握其變化規律。對于模袋充灌泥漿,初始時有：

m初=ms初+mw初

(1)

V初=m初/ρ漿=ms初/ρs+mw初/ρw

(2)

同樣對于固結排水后有：

m終=ms終+mw終

(3)

V終=m終/ρ漿=ms終/ρs+mw終/ρw

(4)

式中m初、m終為灌入土工布模袋初始及最終泥漿質量,kg；ms初、ms終為灌入土工布模袋初始及最終土顆粒質量,kg；mw初、mw終為灌入土工布模袋初始及最終水質量,kg；V初、V終為灌入土工布模袋初始及最終泥漿體積,L；ρ漿、ρs、ρw為泥漿、土顆粒、水的密度。

式(1)～(4)中,m初、m終、ρ漿可以通過現場試驗測得；假設充填及排水完成后土顆粒密度ρs相同,通過聯立可求出ms初、ms終、mw初、mw終。

土工布模袋的排水效率及保土效率可通過式(5)、(6)表示：

(5)

(6)

式中DEw為(dewatering efficiency)排水效率,%；SEs為(saving efficiency) 保土效率,%。

3 試驗方法

本次試驗設計了兩種方案,試驗一是采用相同濃度的泥漿,測試不同材料和不同孔徑的編制模袋的排水保土性能；試驗二是采用不同濃度的泥漿,測試同種編制模袋在不同泥漿濃度時的排水保土性能。兩種方案均為單袋試驗。

3.1 試驗一：常規土工布模袋排水試驗

選取200 g/m2編織布模袋兩種,孔徑O95分別為編1號0.236 mm、編2號0.142 mm；200 g/m2無紡模袋兩種,孔徑O95分別為無3號0.077 mm、無4號0.076 mm。

袋體周長為1.2 m、長1.0 m。充填泥漿采用灘涂淤泥調配,比重為1.30,人工灌入不同有效孔徑的土工布模袋中,從土工布模袋滲出的水或泥水通過漏斗匯入收納箱進行收集。同時,1號、2號兩種編織土工布模袋各增加1組加荷試驗,在豎直方向均布施加10 kN/m的荷載,采用砂袋加載1次性施加。

觀測時間分別為40 min、80 min、160 min、240 min、320 min、480 min。如圖2、3所示。

圖2 常規排水試驗

圖3 加載排水試驗

3.2 試驗二：不同泥漿比重下掛袋試驗

選取1號、2號兩種編織布材料裁剪掛袋,周長0.9 m,長1.0 m,懸掛于塔架上,配置不同濃度的泥漿(泥漿比重分別為1.10、1.18、1.24、1.30)分別充入模袋中,模袋處于懸空狀態,模袋下方置一盛水容器,泥漿在自重作用下濾水,觀測時間45 min、90 min、180 min、270 min、360 min、540 min。如圖4所示。

圖4 掛袋排水試驗

4 模型試驗監測數據分析

4.1 不同孔徑的模袋材料排水保土特性對比分析

通過編1、編2、無3、無4四種土工布模袋排水試驗,得到數據并繪制時間在480 min內排水量隨時間變化關系曲線如圖5。

圖5 四種土工布模袋排水量隨時間變化關系曲線

從圖5可知:土工布模袋排水量隨著時間趨于變緩,呈雙曲線變化規律與常規土體的固結變化規律是相似的。無3、無4的排水量大于編1、編2,表明無紡布土工布模袋排水量大于編織布土工模袋。編1排水量大于編2排水量,說明有效孔徑O95大的編織袋其排水性能優于有效孔徑O95小的。

采用監測所得數據,取ρs=2.67 g/cm3、ρw=1 g/cm3,根據式(1)～(5)計算4種土工布模袋排水及保土效率,從表2可知：

1) 排水效率：編1大于編2,但相差不明顯；無紡布模袋大于編織布模袋。

2) 保土效率：編2比編1高6.67%,相較于有效孔徑的大小對排水效率的影響(1.57%),其對保土效率影響敏感性更大。

表2 四種土工布模袋排水保土效率計算

4.2 在加荷作用下模袋材料排水保土特性對比分析

無紡布力學性能較差,無法進行加載,故選取編1、編2土工布模袋進行加載試驗。在保證編1、編2排水試驗各項指標不變的情況下,施加10 kN/m的荷載。所得數據進行分析整理并進行計算見表3、圖6。

表3 加載作用下編1、編2排水保土效率計算

圖6 加載作用下編1、編2出水量隨時間變化曲線

從曲線和計算表中可以看出,在荷載作用下,時間480 min中,模袋排水量顯著增加,排水效率亦從12%增加至22%,增加了近1倍。而保土效率從93%下降至80%,下降了13%。

4.3 不同泥漿比重排水保土特性對比分析

選取編1、編2兩種土工布材料,在1.30、1.24、1.18、1.10四種泥漿比重情況下進行掛袋試驗。所得數據分析整理見表4、圖7。

從結果可以看出：保土效率：泥漿比重在1.18～1.24,保土效率較高,達到約90%,而泥漿比重在1.10、1.30 則較低,尤其是1.10左右顯著減小；排水效率隨著泥漿比重增加而減小。曲線圖顯示,隨著泥漿比重的增加,排水量越來越大。則選取模袋充淤泥漿比重1.20,既能保證模袋的保土性,又能獲得較好的排水性,比較符合模袋充淤筑堤的實際。

表4 掛袋試驗排水保土效率計算

圖7 掛袋試驗排水量隨時間變化曲線

5 結語

1) 土工布模袋排水量隨時間趨于變緩,呈現雙曲線規律,與土體固結規律類似。相同紡織工藝的土工布,排水性能有效孔徑較大的優于有效孔徑小的,而保土性能有效孔徑較小的優于有效孔徑大的。

2) 本試驗中土工布模袋在10 kN/m外部荷載作用下,480 min時間內,排水效率增加約1倍,保土效率降低約13%。在進行模袋充淤筑堤的情況可以增加適當的外部荷載,使得土體加快排水固結。

3) 編織土工布袋,充填土的顆粒級配相同的情況下,泥漿比重越小,排水效率越大。且泥漿比重在1.20,其保土效率較高。選取模袋充淤泥漿比重1.20,既能保證模袋的保土性,又能獲得較好的排水性,比較符合模袋充淤筑堤的實際。

4) 由于本次試驗所取用土工布種類有限,無法較為詳細的顯示出土工布有效孔徑與排水效率及保土效率的關系,將在以后的工作中進行更為細化的試驗。

[1] 土工合成材料工程應用手冊編寫委員會. 土工合成材料工程應用手冊(第二版)[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2000.

[2] Leshchinsky Dov, Leshchinsky Oral, Ling H I, et al. Geosynthetic Tubes for confining Pressurized Slurry: Some Design Aspects[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1996,122(8):682-690.

[3] 朱遠勝.土工布充泥袋在巖土工程中的應用研究[D].上海:東華大學,2001.

[4] 閆玥,閆澍旺,邱長林,等.土工織物充灌袋的設計計算方法研究[J].巖土力學,2010,31(1):327-331.

[5] 林康南. 土工模袋砼護坡設計與施工 [J].廣東水利水電,2004(3):55-57.

[6] 呂振江.土工充泥管袋在四灶浦圍涂工程中的應用[J].浙江水利科技,2002(4):27-30.

[7] 王祥壽.上海船舶污水處理廠圍堤造地工程設計[J].水運工程,1997(10):43-45.

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Model Test Research on simple drainage of Slurry Filling Bag

XU Bo

(Shanghai Municipal Engineering Design Institute Co.,LTD. , Shanghai 201992,China)

In view of the different effective aperture of woven geotextile bag and non-woven geotextile bag, the draining test are carried out. Then at the base, the load is applied to woven geotextile bag. At the same time, the hanging bag test of woven geotextile bag is carried out in different mud specific gravity. Results show that, the dewatering and soil-saving characteristics have a certain relationship with the effective aperture and the mud specific gravity.

slurry filling geotextile bag; dewatering characteristic; soil-saving characteristic

2016-01-12;

2016-02-01

徐波(1981),男,本科，工程師,從事水利水電工程設計工作。

TV443.+9

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1008-0112(2016)01-0007-04