塑料排水板纵向通水量测试改进措施研究
2017-08-07
(福建省交通建设质量安全监督局，福州350001)
塑料排水板纵向通水量测试改进措施研究
■林同钦
(福建省交通建设质量安全监督局，福州350001)
本文根据塑料排水板比对测试结果，探讨塑料排水板纵向通水量测定仪以及试验边界条件对塑料排水板纵向通水量试验结果的影响。分析试验设备存在的问题以及技术规程中的不足，提出相应的改进建议，为今后完善行业标准提供参考。
塑料排水板纵向通水量测试改进措施
1 前言
塑料排水板适用于软粘土地基加固，在临海工程地基加固中广泛应用。塑料排水板纵向通水效果是制约加固效果的一个重要因素，塑料排水板纵向通水效果以纵向通水量作为重要控制指标。港口工程塑料排水板纵向通水量指标测定是依据《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1-2009)规定，在350kPa的侧向压力条件下，单位水力梯度为0.5，单位时间沿塑料排水板(试验有效长度40cm)通过的水量。但在长期的工作实践中发现，同一规格型号的塑料排水板纵向通水量测定值相差较大，经了解同样问题普遍存在。同时，目前纵向通水量测定仪尚未有产品标准和校准规程，也没有定型产品。因此，从试验仪器及试验方法等方面，分析探讨影响测试结果的因素是必要的。
2 试验验证情况
2.1 不同类型仪器比对试验
2.1.1 常用纵向通水量测定仪
塑料排水板纵向通水量测定仪器有卧式和立式两种，侧向压力装置有水压的，也有气压的。常见的水压卧式和立式通水量仪典型原理图见图1、图2。
2.1.2 试验及结果
福建选择三类有代表性的通水量仪，按照《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1-2009)，采用同卷样品、相同试验方法进行塑料排水板纵向通水量的比对试验(比对结果见表1)。试验选取B型和C型两种常用型号塑料排水板，其均匀性经测试，相关参数检验结果的变异系数均小于5%。
图1 卧式通水量仪典型原理图
图2 立式通水量仪典型原理图
表1 不同通水量仪比对结果一栏表
从比对结果看，三种类型通水量仪的测试结果存在较大差异。计算得到平均变异系数(3.46%)塑料排水板纵向通水量的正常测试值范围：样品1为10.9～12.5cm3/s，样品2为108.7～124.9cm3/s。可见，除了样品1使用设备Ⅱ测试的数据处在正常测值范围内，其余情况下的测试结果均超出了正常的测量值范围，且不同类型仪器的测试结果差异也比较大。
2.2 不同边界条件比对试验
2.2.1 试验条件规定
目前，塑料排水板通水量试验方法中各种边界条件不够统一和明确，《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1-2009)对纵向通水量试验的试样有效长度、乳胶膜厚度、侧压力、水力梯度及试验时间等进行了规定，但对操作方法、试验水温、压力表精度等未作具体要求。
2.2.2 试验及结果
天津通过选择三家试验检测机构使用同一盘塑料排水板样品(均匀性经测试各参数检验结果的变异系数均小于4%)，分别按照《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1-2009)以及《天津市水运工程塑料排水板通水量试验规程(比对试验稿)》进行两轮纵向通水量试验(比对结果见表2)。
表2 两轮通水量试验比对结果
图3 不同检测机构两轮试验结果比较
从表2和图3可以看出，在两轮比对中虽采用均匀性较好的同一盘塑料排水板，因试验边界条件的不同，尤其是在《天津市水运工程塑料排水板通水量试验规程(比对试验稿)》中对试验室温度和水温提出规定，得到不同的结果，且第二轮的通水量试验结果明显比第一轮偏差要小。
3 存在问题及原因分析
3.1 试验仪器设计理论缺陷
常用通水量仪实物如图4所示。
图4 常用卧式、立式通水量仪
根据《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1-2009)，塑料排水板纵向通水量计算公式为：
式中，q——通水量(cm3/s)；
l——测量时间内水流量(cm3)；
Q——塑料排水板有效长度(cm)；
t——测量水流量的时间(s)；
Δh——水头差(cm)；
通水量计算中仅以进出水口水位落差(20cm)作为通水量计算中试验水头差(Δh)。
对于立式通水量仪而言，水流进入塑料排水板之前需要流经一定长度的水管，这导致了流程水力梯度的损失。水力梯度损失主要由沿程水头损失、局部水头损失组成，其中沿程水头损失公式见下公式2：
式中，v——管内平均流速(m/s)；
l——管长(m)；
d——管径(m)；
g——动力加速度(m/s2)；
λ——沿程阻力系数。
所以，进水口实际水头差应为：
由上可知，在塑料排水板的通水能力(即q)一定的情况下，若温度、塑料排水板有效长度不变，则实际水头差比试验水头差要小(但计算中仍按试验水头差计)，那么通水量计算值较真实值要小。可以得出，外接管会导致纵向通水量结果产生较大的负偏差，而且性能越好、通水量越大的塑料排水板，所产生的负偏差越大。
另外，根据伯努利能量守恒原理，当水体流动时，水压力计算公式为：
式中，z——高度(m)；
p——静压(kPa)；
v——流速(m/s)；
ρ——液体密度(kg/m3)；
g——重力加速度(m/s2)；
h1-2——断面与之间的水头损失(m)。
由公式4可知：
因此，塑排两端水力梯度为h1-2/0.4，由于试验过程中p1与p2、v1与v2并未测定明确，所以不一定等同于20cm静水水头差下的水力梯度。
3.2 试验技术规程不够完善
《天津市水运工程塑料排水板通水量试验规程(比对试验稿)》对《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1-2009)关于试验室温度和试验水温要求进行了补充，提出了水温修正系数；同时，规范了操作步骤。按照《天津市水运工程塑料排水板通水量试验规程(比对试验稿)》三家试验检测机构试验结果(第二轮)比较相近，相比第一轮试验结果，离散性小得多。究其原因，温度对塑料的影响较大，温度升高，塑料变软，受到同样的侧压力，塑料排水板齿槽相对容易倒伏，导致通水量降低。另一方面，第一轮比对试验中，各试验检测机构对样品的处置情况不一致，有些在试验前将塑料排水板浸泡，有些没有，在一定程度上也造成试验结果的偏差。
4 改进措施
4.1 提高水力梯度准确性和稳定性
常见的立式纵向通水量测定仪大多通过上下接水管来控制水头差，会因水管管路导致水头差损失，建议仪器设计时消除该部分水头差损失。另外，针对两端压力及流速的不明确等问题，可在塑料排水板进出水口处增设精度、灵敏度较高的水压力和流速指示装置，以调节水位，稳定至标准规定的水力梯度值。
4.2 完善通水量检测标准
完善《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1-2009)，进一步明确试验操作程序、环境条件、试验材料等要求，统一尺度，尤其应增加试验水温规定，减少塑料排水板中的芯板温度敏感性对通水面积和通水量的影响。
[1]JTS 206-1-2009,水运工程塑料排水板应用技术规程[S].
[2]水力学(第二版).北京：清华大学出版社，2010-2-1.
