塑料排水板濾膜淤堵特性的試驗分析

蔡瑛

摘 要：對于溫州沿海圍墾廣泛分布的灘涂淤泥而言，由于排水板淤堵問題等一直使得常規的真空預壓地基處理方式不能有效地應用于高含水量灘涂淤泥土地基。文章從塑料排水板防淤堵角度出發，通過梯度比試驗對普通塑料排水板和整體式排水板的防淤堵效果進行評價。

關鍵詞：含水量；塑料排水板；淤堵；梯度比

中圖分類號：TU443 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0084-03

1 概述

真空預壓排水固結法是沿海地區進行軟基處理的一種有效形式，在這種方法中起主要作用的是塑料排水板，如何使得塑料排水板濾膜保持較好的滲透性能，防止淤堵現象的發生，是軟基處理能否成功的關鍵。采用梯度比方法進行的室內試驗是塑料排水板濾膜淤堵性能的測試與評價方法之一，又稱梯度比試驗或室內淤堵試驗。梯度比是具有代表性的淤堵評價指標之一，由Calhoun在1972年提出，并被美國陸軍師團（1977）采納修訂為梯度比準則。由于梯度比試驗試驗周期相對較短，操作簡單，且以室內試驗為依據，其結果較為貼近理想狀態，因此目前被廣泛應用于土工織物淤堵特性測試中，我國的《SL/T 235-1999 土工合成材料測試規程》[1]和美國材料試驗協會（ASTM）的土工合成材料試驗標準《D5101-01： Standard Test Method for Measuring the Soil-Geotextile System Clogging Potential by the Gradient Ratio》[2]中均有相關測試標準和規定。

為了使淤堵試驗更適合于土工織物在各種環境條件下的淤堵性能測試和防淤堵機理更明朗，多年來，國內外學者對其進行了很多研究。

Narejo D B等[3]設計了動荷載作用下的梯度比試驗裝置，通過脈沖水流裝置模擬動荷載作用，從而分析動荷載作用下土工織物的反濾特性。

Fannin等[4]為了更好地反映土體與排水板濾膜的相互作用，提出了重新設定梯度比的定義，并將梯度比試驗裝置中土-濾膜反濾系統的測壓孔與出水測壓孔之間的距離定為8mm。而Gardoni則將其距離定為3mm，對應的梯度比值也做了相應的修改。

俞亞南和張儀萍[5]介紹杭州西湖疏浚底泥堆場處理工程中， 曾采用在底泥中埋設排水濾管， 通過在濾管中反復抽氣和吸氣， 以期沖洗淤堵濾層達到加快排水固結的效果， 但是由于淤堵問題，效果不明顯。

2 實驗原理及計算公式

2.1 試驗原理

梯度比實驗的實質是對比土工織物與土體構成反濾體系中的水頭損失與被保護土體中的水頭損失，以便分析水體流經路徑上的水頭損失及其變化情況，從而進一步分析反濾體系的構成及淤堵情況。

梯度比試驗中對梯度比概念的定義為：

通過梯度比便可以來評價土和濾膜構成的反濾體系是否發生了淤堵。水力梯度指的是在含水層中沿水流方向每單位距離的水頭下降值，亦可以理解為水流通過單位長度滲流路徑為克服摩擦阻力損失的機械能，或為克服摩擦力而使水以一定流速流動的驅動力，通過水力梯度便可以評價水在土（濾膜和土構成的反濾體系）中的能的損失程度。因此，在試驗土樣均勻的條件下，梯度比的值等于1時說明了該反濾體系完全沒有淤堵，而隨著梯度比的值的增大，土和濾膜構成的反濾體系淤堵程度越嚴重。

2.2 計算公式

3 室內試驗準備

3.1 試驗土樣和濾膜

試驗所用土樣取自溫州甌飛一期水閘工程灘涂區域現場，取樣深度為地面以下0.5m～1.0m，取回的土樣裝入模型桶內。根據《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）通過室內土工試驗測得模型桶內不同深度的灘涂淤泥的基本物理性質參數見表1。

本次實驗中，濾膜采用無紡長絲化纖的普通塑料排水板的濾膜和無紡短絲化纖的整體式塑料排水板的濾膜，具體參數如表2所示。

3.2 試驗裝置

本次試驗所采用的梯度比試驗裝置，如圖1所示。

本次試驗的常水頭出水與進水裝置如圖2所示。

本次試驗所采用的梯度比試驗裝置實物圖如圖3所示。

3.3 試驗方案

本次梯度比試驗采用整體式塑料排水板濾膜與普通塑料排水板濾膜兩種不同試樣分別在水力梯度為i=1、i=5、i=7.5、i=10的條件下進行測試。根據不同的濾膜試樣和水力梯度，共進行8組試驗。

每組試驗中需讀測項目為：測壓管1#、測壓管2#、測壓管3#、測壓管4#、測壓管5#和測壓管6#的測壓水頭值。

每組試驗的讀測時間間隔為：0.5h、1h、2h、4h、6h、12h、24h。若未達到試驗停止標準，則繼續每隔24h進行讀測，直至滿足要求。

試驗后，根據讀測的時間與測壓管的水頭值讀數，采用梯度比計算公式，計算并作出相應的GR-t曲線，并進行研究與分析。

4 試驗設計與操作

（1）試驗前先裁取普通塑料排水板濾膜圓形試樣和整體式塑料排水板濾膜圓形試樣各1張，直徑均為100mm。

（2）將測壓管和實驗儀器連接的地方用濾膜及細鐵絲網包住，再用防水膠帶纏繞。

（3）安裝常水頭進水和出水裝置，并調節高度。

（4）將塑料排水板濾膜圓形試樣放入圓筒玻璃容器內。

（5）將淤泥放入圓筒形玻璃容器內（濾膜上方），要求靜置穩定后土樣高度為100mm。

（6）蓋上容器蓋并進行密封，關閉進水裝置的水閥，打開玻璃容器上方的排氣閥。

（7）從出水口處緩緩進水，直至容器內充滿水，并將所有氣泡排出后，關閉排氣閥。

（8）完成后將試樣靜置2～3天，待土樣沉淀穩定后，按照本節中的設計和安排開始試驗，記錄試驗值。

5 實驗數據分析

5.1 普通塑料排水板濾膜淤堵特性測試結果

使用普通塑料排水板濾膜，分別在水力梯度為i=1、i=5、i=7.5、i=10的條件下連續進行了4組梯度比試驗，每組測試時間計350小時，根據試驗測得的時間和各測壓管的水頭讀數，采用梯度比公式計算得到各水力梯度下的梯度比，試驗GR-t曲線結果如圖4所示。

由曲線結果可知：水力梯度i=1時，梯度比GR值在初期緩慢增長，在280小時處達到了峰值1.7后便呈逐漸緩慢下降趨勢，無淤堵情況發生。

水力梯度i=5時，梯度比GR值在35小時處達到了峰值3.9，之后呈逐漸下降趨勢，穩定時梯度比GR值為2.8。可見濾膜與淤泥構成的反濾體系工作正常，無淤堵情況發生。

水力梯度i=7.5時，梯度比GR值以較高的速率不斷增長，且趨于穩定，最終測得結果為GR=11.5，淤堵情況較為嚴重。

水力梯度i=10時，梯度比GR值變化較大，試驗初期便以極高的速率增長，并在45.5小時處達到了峰值21.2，此后梯度比值雖然有所下降，但最終又呈上升的趨勢，趨于穩定，最終測得的梯度比GR值為14.2，淤堵現象非常嚴重。

5.2 整體式塑料排水板濾膜淤堵特性測試結果

以整體式塑料排水板濾膜作為過濾材料，分別在水力梯度為i=1、i=5、i=7.5、i=10的條件下進行了4組梯度比試驗，每組測試時間計770.9小時，讀測停止標準同樣依據上述規定執行。

據試驗測得的時間和各測壓管的水頭讀數，采用梯度比公式計算得到各水力梯度下的梯度比，試驗結果如圖5中GR-t曲線所示。

由試驗結果可知：水力梯度i=1時，梯度比GR值緩慢增長并在119小時處達到峰值5.44，之后趨于穩定，由此可見淤泥與濾膜組成的反濾體系失效，淤堵現象比較嚴重。

水力梯度i=5時，經過了265.3小時的試驗，梯度比GR值先下降至最低值1.556（3.5小時處）后，以較高的速率遞增，趨于穩定，最終測得數據為22.35，淤堵現象極其嚴重。

水力梯度i=7.5時，梯度比GR值呈下降-上升-下降趨勢，最終測得GR值為5.563。

水力梯度i=10時，梯度比GR值總體穩定，在529.9小時處達到峰值7.889，隨后不斷降低，并趨于穩定，最終測得GR值為6.6，仍有淤堵現象。

5.3 兩種塑料排水板濾膜淤堵特性對比分析

由于兩種塑料排水板濾膜在不同水力梯度下的淤堵試驗均為連續測試，因此根據測試結果，作出兩種塑料排水板濾膜的梯度比試驗連續GR-t曲線并進行分析，如圖6所示。

（1）按梯度比測試時段分析

由試驗結果可知：試驗初始階段，兩種塑料排水板濾膜梯度比GR值均呈增長趨勢。兩種塑料排水板濾膜梯度比曲線在t=687處相交，因此試驗開始至687小時范圍內，普通塑料排水板濾膜的防於堵能力優于整體式塑料排水板濾膜，而在687小時以后，普通塑料排水板濾膜的防於堵能力劣于整體式塑料排水板濾膜。

（2）按水力梯度條件分析

在相對較低的水力梯度環境下（i=1、i=5），普通塑料排水板濾膜與淤泥構成的反濾體系工作良好，在每一級的水力梯度下，GR值最終均趨于穩定，無淤堵情況發生，在相對較高的水力梯度環境下（i=7.5、i=10），整體式塑料排水板濾膜與淤泥構成的反濾體系逐漸發揮作用，所測得的梯度比GR值從峰值14降低至7，且最終趨于穩定，雖然仍有淤堵情況發生，但相比在低水力梯度的環境下已大為改善，且此時整體式塑料排水板濾膜的反濾整體式情況遠遠好于普通塑料排水板濾膜。

6 結束語

（1）試驗中采用的灘涂淤泥，其特點是土顆粒細小，組成成分均勻，顆粒間粘度高，滲透性較小，因此在試驗過程中不管使用哪種濾膜，試驗時間較長且均出現了較嚴重的淤堵。

（2）在較低的水力梯度（i=1、i=5）的條件下，普通塑料排水板濾膜與灘涂淤泥構成的反濾體系工作正常，無淤堵現象發生；而整體式塑料排水板濾膜與灘涂淤泥構成的反濾體系失效，淤堵較為嚴重，但隨著水力梯度的增大，整體式塑料排水板濾膜的反濾整體式效果有了改善，普通塑料排水板濾膜開始出現淤堵趨勢。

（3）在較高的水力梯度（i=7.5、i=10）的條件下，普通塑料排水板濾膜與灘涂淤泥構成的反濾體系失效，淤堵現象極其嚴重，水力梯度越高，淤堵越顯著；反濾體系隨著水力梯度的增大，大大改善了原本在低水力梯度環境下的淤堵現象。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.SL/T 235-1999.土工合成材料測試規程[S].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]ASTM. D5101-01 Standard Test Method for Measuring the Soil-Geotextile System Clogging Potential by the Gradient Ratio[S]. West Conshohocken， PA， USA： ASTM International.

[3]Narejo，D.B， Koerner，R.M. Dynamic fitration testfor geotextile filters. Geotex and Geomem，1992.

[4]Palmeira，E.M.， Fannin，R.J.， Vaid，Y.P. A Study on the Behavior of Soil-geotextile Systems in Filtration Tests. Canadian Geotechnical Journal， 1996.

[5]俞亞南，張儀萍.杭州西湖疏浚底泥工程性質試驗研究[J].巖土力學，2004，25（40）：579-582.