關(guān)于水溫對排水板通水量的影響研究

黃文濤，徐偉利，曹 敏

(浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，杭州 310020)

0 引 言

塑料排水板別名塑料排水帶，有波浪型、口琴型等多種形狀。中間是擠出成型的塑料芯板，是排水帶的骨架和通道，其斷面呈并聯(lián)十字，兩面以非織造土工織物包裹作濾層，芯板起支撐作用并將濾層滲進(jìn)來的水向上排出，是淤泥、淤質(zhì)土、沖填土等飽和黏性及雜填土運(yùn)用排水固結(jié)法進(jìn)行軟基處理的良好垂直通道，在沿海圍墾項(xiàng)目的軟基處理中應(yīng)用非常廣泛。隨著近幾年各地大力推進(jìn)美麗河湖整治工程，排水板的豎向排水能力在淤泥固化方面發(fā)揮重要作用，可大大縮短淤泥固化的時(shí)間。

影響塑料排水板性能好壞的最主要指標(biāo)即為通水量，排水板通水量指在穩(wěn)定的側(cè)壓力下、特定水力梯度下單位時(shí)間內(nèi)通過排水板橫斷面的水流量，直接決定了排水板的排水能力和軟基處理的效率。

現(xiàn)有的研究表明，影響排水板通水量檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的因素主要包括乳膠膜的厚度和水溫。當(dāng)乳膠膜較厚時(shí)，通過乳膠膜傳遞至芯板和濾膜上的側(cè)壓力將會大大降低，影響通水量的檢測結(jié)果；為此，規(guī)程中要求乳膠膜厚度需<0.3mm以盡量消除影響。水溫對排水板通水量檢測結(jié)果的影響主要包括兩個(gè)方面，一方面是水的黏滯性，另一方面是水溫對塑料芯板剛度的影響。

目前，檢測規(guī)范《水運(yùn)工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS206-1-2009)中僅考慮水體流動隨溫度變化的黏滯系數(shù)的校正，而水溫對芯板剛度的影響未做修正。造成實(shí)驗(yàn)室檢測排水板通水量結(jié)果在冬季偏大、而夏季偏小，存在較大差異。

1 試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)

對試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)同樣可以發(fā)現(xiàn)：在水溫黏滯性修正后，冬季排水板實(shí)測通水量偏大，而夏季偏小，是因?yàn)閮H考慮水體流動隨水溫變化的黏滯系數(shù)的修正而未考慮水溫對芯板剛度的影響而導(dǎo)致的。當(dāng)水溫較高時(shí)，水的流動性好，黏滯系數(shù)變小，實(shí)測通水量偏大，故計(jì)算公式中乘以<1的水動力黏滯系數(shù)進(jìn)行修正；但水溫高同時(shí)導(dǎo)致塑料芯板分子運(yùn)動加劇，分子間的范得華力減少，抗變形能力降低，塑料排水板在相同側(cè)壓力時(shí)，芯板齒槽抗壓屈能力降低，相對容易變形，使排水板溝槽的有效過水面積變小，實(shí)測通水量偏小[1]。

其中，水溫對通水量的影響從芯板材質(zhì)差的排水板上體現(xiàn)更為明顯：對1261個(gè)排水板通水量檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，縱向通水量≤25 cm3/s的有97個(gè)，其中檢測水溫在10℃下只有1個(gè)，檢測水溫在30℃以上達(dá)到41個(gè)。水溫高時(shí)排水板的芯板肋板發(fā)生了較大的變形，槽齒倒伏，最小的縱向通水量僅為4cm3/s，實(shí)測通水量受到較大影響。

芯板的剛度是影響排水板縱向通水量的主要因素，除材質(zhì)對芯板剛度的影響外，水溫對芯板剛度的影響不容忽略，因此有必要分析水溫對排水板通水量的影響。

1.1 芯板的影響因素

芯板影響因素有芯板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸。芯板的材質(zhì)主要為PE聚乙烯、PP聚丙烯、高密度聚氯乙烯PVC等3種；芯板的結(jié)構(gòu)尺寸決定了排水板的過水面積和剛度。芯板芯肋的剛度和槽齒剛度是影響通水量的關(guān)鍵因素[2]。排水板的縱向拉伸強(qiáng)度主要測試排水板能承受的最大拉力及破壞時(shí)延伸率，可從側(cè)面反映排水板芯樣的壓屈強(qiáng)度和剛度。

試驗(yàn)選取的為目前國內(nèi)常用的常規(guī)分離式排水板，芯板均為溝槽型的十字紋，為并聯(lián)十字型的工作面形式[3]。排水板芯板的物理性能如下：

排水板芯板共有32個(gè)豎齒、62個(gè)通道，排水板芯板的尺寸較為接近，厚度為4.1-4.6mm，寬度為99-101mm。

1.2 濾膜的影響因素

濾膜的橫向抗拉強(qiáng)度是排水板縱向通水量的另一較為重要的影響因素。濾膜的橫向濕態(tài)抗拉強(qiáng)26-30N/cm，結(jié)果比較接近。

1.3 試驗(yàn)資料篩選

根據(jù)上述影響因素，我們分別選取同一生產(chǎn)廠家的不同材質(zhì)的排水板，主要依據(jù)排水板的縱向拉伸強(qiáng)度和橫向?yàn)V膜濕態(tài)抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)較為相近的原則。6個(gè)廠家排水板芯板的材質(zhì)主要為PE聚乙烯、高密度聚氯乙烯PVC、PP聚丙烯。選擇夏季6-8月份(水溫30±3℃)和冬季12-2月份(水溫10±3℃)及春秋季4月份及10月份(水溫20±3℃)排水板通水量的檢測結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析水溫影響系數(shù)。

排水板芯板材質(zhì)及物理性能詳見表1。

表1 排水板芯板材質(zhì)及物理性能表

1.4 成果資料

由于濾膜對縱向通水量的影響比芯板剛度小很多，濾膜的橫向濕態(tài)抗拉強(qiáng)26-30N/cm，數(shù)值比較接近，本次不予考慮[4]。

選取的6個(gè)廠家的排水板，在不同水溫下復(fù)合體抗拉強(qiáng)度和通水量的平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 不同水溫下的排水板縱向通水量結(jié)果對比表

1.5 試驗(yàn)成果分析

1)水溫和通水量的關(guān)系：

水溫高時(shí)實(shí)測通水量明顯比水溫低時(shí)小，主要原因是水溫對芯板強(qiáng)度及抗彎能力的影響間接地改變了排水板的有效過水面積而導(dǎo)致的，如圖1所示。

圖1 不同水溫下相同排水板通水量檢測結(jié)果對比圖

2)溫度變形修正系數(shù)：

分別計(jì)算以上6個(gè)廠家的同規(guī)格的排水板在不同水溫下實(shí)測通水量的比值作為溫度變形修正系數(shù)，并以水溫20℃時(shí)溫度變形修正系數(shù)為1，可得10℃和30℃對應(yīng)的溫度變形修正系數(shù)見表2。

表2 排水板通水量檢測溫度變形修正系數(shù)

2 結(jié) 論

由試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得以下結(jié)論：

1)水溫對排水板縱向通水量檢測結(jié)果的影響包括水的黏滯性和水溫對塑料芯板剛度的影響兩個(gè)方面，且水溫對塑料芯板剛度的影響導(dǎo)致的通水量檢測結(jié)果的差異不可忽略。

2)統(tǒng)計(jì)資料分析得到水溫10℃時(shí)溫度變形修正系數(shù)為0.67-0.84，水溫30℃時(shí)溫度變形修正系數(shù)1.20-1.47；與水動力黏滯系數(shù)成負(fù)相關(guān)。

3)溫度變形修正系數(shù)的具體取值受芯板材質(zhì)、水溫等多重影響，需通過進(jìn)一步的比對試驗(yàn)進(jìn)行細(xì)化研究。