充淤模袋简易排水试验研究

徐 波

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 201992)



充淤模袋简易排水试验研究

徐 波

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 201992)

针对不同有效孔径下编织土工布模袋及无纺土工布模袋进行了单袋概化排水试验,并在编织布模袋试验基础上进行了加载试验。同时,在不同泥浆比重下,进行了编织土工布袋的挂袋试验。结果表明,充淤模袋排水性能及保土性能与有效孔径及充泥浆比重均有一定的关系。

土工充淤模袋；排水特性；保土特性

1 概述

目前,土工模袋作为充填袋体进行堤坝围堰的修筑已经得到广泛的应用。其充填材料常为砂、混凝土或者其他大颗粒料,采用吹填、疏浚淤泥仍较少。

模袋充填淤泥[1]作为临时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径尽可能的小,阻止土颗粒的流失；另一方面要求土工模袋等效孔径尽可能的大,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,国内外一些学者也做了一些研究。

Leshchinsky[2]于20世纪90年代提出大型充泥土工模袋的基本设计理念：土工模袋保土和筑堤的结构性主要取决于土工织物的包裹作用,土工材料的设计应充分考虑材料孔径及充填料粒径；开发出了土工模袋的设计程序GEOCOPS。 国内朱远胜、靳向煜[3]等从原料、织造方式、孔径大小、老化等角度讨论对土工织物袋的选择。闫玥[4]等通过对前人方法的扩展和改进,编制了用于计算扁平充灌袋的形状、尺寸、泵送压力、泥浆重度和拉应力的关系的计算程序,这一程序可以帮助围埝设计者选择合理的充灌袋材料、几何形状和尺寸。林康南[5]、吕振江[6]、王祥寿[7]等对土工充泥管袋在工程实践中的成功应用进行了分析讨论。

本文就不同有效孔径土工布模袋开展了模型试验,并对试验数据进行了整理分析。

2 试验概况和原理

2.1 试验概况

试验现场模袋筑堤充填泥浆采用原始滩涂面淤泥高压水枪冲制。现场土以粉粒为主。其粒径组成见表1、图1所示。

表1 土粒粒径级配 mm

图1 土粒粒径级配曲线(单位:mm)

2.2 试验原理

拟分别从不同生产工艺土工布模袋(无纺土工布、编织土工布)的不同有效孔径、不同受力情况、不同比重的充填泥浆做对比试验。测定不同观测时间的浆液排出量、泥浆密度,掌握其变化规律。对于模袋充灌泥浆,初始时有：

m初=ms初+mw初

(1)

V初=m初/ρ浆=ms初/ρs+mw初/ρw

(2)

同样对于固结排水后有：

m终=ms终+mw终

(3)

V终=m终/ρ浆=ms终/ρs+mw终/ρw

(4)

式中m初、m终为灌入土工布模袋初始及最终泥浆质量,kg；ms初、ms终为灌入土工布模袋初始及最终土颗粒质量,kg；mw初、mw终为灌入土工布模袋初始及最终水质量,kg；V初、V终为灌入土工布模袋初始及最终泥浆体积,L；ρ浆、ρs、ρw为泥浆、土颗粒、水的密度。

式(1)～(4)中,m初、m终、ρ浆可以通过现场试验测得；假设充填及排水完成后土颗粒密度ρs相同,通过联立可求出ms初、ms终、mw初、mw终。

土工布模袋的排水效率及保土效率可通过式(5)、(6)表示：

(5)

(6)

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

3 试验方法

本次试验设计了两种方案,试验一是采用相同浓度的泥浆,测试不同材料和不同孔径的编制模袋的排水保土性能；试验二是采用不同浓度的泥浆,测试同种编制模袋在不同泥浆浓度时的排水保土性能。两种方案均为单袋试验。

3.1 试验一：常规土工布模袋排水试验

选取200 g/m2编织布模袋两种,孔径O95分别为编1号0.236 mm、编2号0.142 mm；200 g/m2无纺模袋两种,孔径O95分别为无3号0.077 mm、无4号0.076 mm。

袋体周长为1.2 m、长1.0 m。充填泥浆采用滩涂淤泥调配,比重为1.30,人工灌入不同有效孔径的土工布模袋中,从土工布模袋渗出的水或泥水通过漏斗汇入收纳箱进行收集。同时,1号、2号两种编织土工布模袋各增加1组加荷试验,在竖直方向均布施加10 kN/m的荷载,采用砂袋加载1次性施加。

观测时间分别为40 min、80 min、160 min、240 min、320 min、480 min。如图2、3所示。

图2 常规排水试验

图3 加载排水试验

3.2 试验二：不同泥浆比重下挂袋试验

选取1号、2号两种编织布材料裁剪挂袋,周长0.9 m,长1.0 m,悬挂于塔架上,配置不同浓度的泥浆(泥浆比重分别为1.10、1.18、1.24、1.30)分别充入模袋中,模袋处于悬空状态,模袋下方置一盛水容器,泥浆在自重作用下滤水,观测时间45 min、90 min、180 min、270 min、360 min、540 min。如图4所示。

图4 挂袋排水试验

4 模型试验监测数据分析

4.1 不同孔径的模袋材料排水保土特性对比分析

通过编1、编2、无3、无4四种土工布模袋排水试验,得到数据并绘制时间在480 min内排水量随时间变化关系曲线如图5。

图5 四种土工布模袋排水量随时间变化关系曲线

从图5可知:土工布模袋排水量随着时间趋于变缓,呈双曲线变化规律与常规土体的固结变化规律是相似的。无3、无4的排水量大于编1、编2,表明无纺布土工布模袋排水量大于编织布土工模袋。编1排水量大于编2排水量,说明有效孔径O95大的编织袋其排水性能优于有效孔径O95小的。

采用监测所得数据,取ρs=2.67 g/cm3、ρw=1 g/cm3,根据式(1)～(5)计算4种土工布模袋排水及保土效率,从表2可知：

1) 排水效率：编1大于编2,但相差不明显；无纺布模袋大于编织布模袋。

2) 保土效率：编2比编1高6.67%,相较于有效孔径的大小对排水效率的影响(1.57%),其对保土效率影响敏感性更大。

表2 四种土工布模袋排水保土效率计算

4.2 在加荷作用下模袋材料排水保土特性对比分析

无纺布力学性能较差,无法进行加载,故选取编1、编2土工布模袋进行加载试验。在保证编1、编2排水试验各项指标不变的情况下,施加10 kN/m的荷载。所得数据进行分析整理并进行计算见表3、图6。

表3 加载作用下编1、编2排水保土效率计算

图6 加载作用下编1、编2出水量随时间变化曲线

从曲线和计算表中可以看出,在荷载作用下,时间480 min中,模袋排水量显著增加,排水效率亦从12%增加至22%,增加了近1倍。而保土效率从93%下降至80%,下降了13%。

4.3 不同泥浆比重排水保土特性对比分析

选取编1、编2两种土工布材料,在1.30、1.24、1.18、1.10四种泥浆比重情况下进行挂袋试验。所得数据分析整理见表4、图7。

从结果可以看出：保土效率：泥浆比重在1.18～1.24,保土效率较高,达到约90%,而泥浆比重在1.10、1.30 则较低,尤其是1.10左右显著减小；排水效率随着泥浆比重增加而减小。曲线图显示,随着泥浆比重的增加,排水量越来越大。则选取模袋充淤泥浆比重1.20,既能保证模袋的保土性,又能获得较好的排水性,比较符合模袋充淤筑堤的实际。

表4 挂袋试验排水保土效率计算

图7 挂袋试验排水量随时间变化曲线

5 结语

1) 土工布模袋排水量随时间趋于变缓,呈现双曲线规律,与土体固结规律类似。相同纺织工艺的土工布,排水性能有效孔径较大的优于有效孔径小的,而保土性能有效孔径较小的优于有效孔径大的。

2) 本试验中土工布模袋在10 kN/m外部荷载作用下,480 min时间内,排水效率增加约1倍,保土效率降低约13%。在进行模袋充淤筑堤的情况可以增加适当的外部荷载,使得土体加快排水固结。

3) 编织土工布袋,充填土的颗粒级配相同的情况下,泥浆比重越小,排水效率越大。且泥浆比重在1.20,其保土效率较高。选取模袋充淤泥浆比重1.20,既能保证模袋的保土性,又能获得较好的排水性,比较符合模袋充淤筑堤的实际。

4) 由于本次试验所取用土工布种类有限,无法较为详细的显示出土工布有效孔径与排水效率及保土效率的关系,将在以后的工作中进行更为细化的试验。

[1] 土工合成材料工程应用手册编写委员会. 土工合成材料工程应用手册(第二版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 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] 朱远胜.土工布充泥袋在岩土工程中的应用研究[D].上海:东华大学,2001.

[4] 闫玥,闫澍旺,邱长林,等.土工织物充灌袋的设计计算方法研究[J].岩土力学,2010,31(1):327-331.

[5] 林康南. 土工模袋砼护坡设计与施工 [J].广东水利水电,2004(3):55-57.

[6] 吕振江.土工充泥管袋在四灶浦围涂工程中的应用[J].浙江水利科技,2002(4):27-30.

[7] 王祥寿.上海船舶污水处理厂围堤造地工程设计[J].水运工程,1997(10):43-45.

(本文责任编辑 王瑞兰)

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，工程师,从事水利水电工程设计工作。

TV443.+9

A

1008-0112(2016)01-0007-04