安徽省各地区土料充填管袋脱水特性研究

2022-10-21满晓磊路承斌吴英杰胡佳宝

黑龙江工程学院学报 2022年5期

葛颖,满晓磊,路承斌,吴英杰,胡佳宝

(滁州学院土木与建筑工程学院，安徽滁州 239000)

充填管袋筑堤技术作为一种新技术被广泛应用于海岸防护、抗洪抢险、填海造陆等领域。早在20世纪五六十年代，位于莱茵河、些耳德河和马斯河入海口的荷兰三角洲工程中就开始运用充填管袋技术。到20世纪末期，充填管袋技术开始在国内得到推广与应用，例如浦东国际机场围堤工程以及长江口深水航道治理一期工程等重大工程[1]。可以看出充填管袋技术主要应用于沿海近江地区，而安徽省濒江近海，内拥长江水道，地跨淮河、长江、新安江三大水系，每年的6月会迎来汛期，传统的防洪抢险方法存在成本高、劳动强度大、环境效益差以及安全性低等问题，而充填管袋施工速度快、就地取材、对周围环境影响小等优点能够解决这些问题。

目前，针对充填管袋堤坝技术的研究更多是在坝体的稳定性、管袋的脱水渗透、管袋尺寸和充填土料渗透特性等方面。朱朝荣等[2]研究了在不同模型水深和波陡波浪作用下，不同堤体坡比充填管袋结构的稳定性；束一鸣等[3]研究了波浪作用下围垦堤防管袋坝施工期的稳定性，提出了一套高效的围垦堤防快速施工技术；汪军[4]对失稳工况校核分析并结合极限平衡原理给出了相关建议。满晓磊等[5]利用土工织物缝制方向的不同进行吊袋试验得到当管袋的环向与土工织物纬丝方向一致时，脱水性能更佳；Recio等[6]研究了在低水头的作用下不同管袋搭接方式对渗透性的影响；姜红等[7]总结了土工织物渗透测试过程中的控制和影响因素；蔡新等[8]构建以结构断面关键尺寸为设计变量、最低的堤坝工程造价为目标函数设计了结构优化数学模型；陈亮[9]采用无量纲化的方法研究了管袋在充泥过程中拉力、形变的变化；吴海民等[10]归纳总结出了一种充排结合、边充边排的高效脱水技术；常广品等[11]通过室内试验发现含细颗粒较多的土料充填后难以固结。管袋脱水固结的速率是充填管袋筑堤技术的核心问题，因而充填管袋的脱水和保土性能成为国内外众多学者研究的热点。

关于充填管袋的保土问题，Moo Young等[12]通过压滤试验研究了滤饼的形成问题；唐琳等[13]研究了不同拉应变下两种条膜机织物反滤性能的影响。而关于充填管袋的脱水固结问题，Hjk等[14]基于考虑管袋形状的变化，对充填细颗粒土料管袋脱水固结性能的测试提出了新的解决方法；Lawson等[15]开发了一个基于保持质量-体积平衡的分析模型；Kim等[16]为了优化土工布管的脱水能力，提出了一项独特的由两种不同土工布围绕其圆周组成的土工布袋发明。

基于安徽省生态水利建设目标，很有必要将充填管袋技术引入水利建设当中，但针对安徽省自然条件，各地区土料性质不一，亟需对安徽省部分地区土料进行充填管袋脱水固结试验，研究其作为充填土料时，充填管袋的渗透脱水性能与脱水机制，为充填管袋技术在安徽省的应用发展提供有益参考。针对上述问题，文中通过对安徽省黄山市、安庆市、滁州市、淮南市、阜阳市5个地区的土壤分别进行充填管袋渗透脱水试验，研究其脱水速率，并分析其可行性。

1 试验方法

1.1 试验材料及装置

1.1.1 土料

试验所用土料分别取自黄山市新安江堤坝附近、安庆市沿江中路的长江堤坝附近、滁州市余家洼水库、淮南市淮河堤岸以及阜阳市颍河堤岸。在试验开始前对取回土料依次进行烘干、除杂、碾散、筛分等试验前预处理工作，通过直击式振筛机对各地区土料进行筛分处理，得到如图1所示的不同土料颗粒级配曲线。

图1 不同土料颗粒级配曲线

根据《水运工程土工合成材料应用技术规范》可知，吊袋充填料宜选用黏粒含量低于10%且颗粒粒径大多在0.08～0.27 mm的土料。由图1可知，相较于工程规范所规定的土料，安徽省部分地区的土料较粗，说明该土料不完全符合工程中充填管袋的施工需求。

曲率系数Cc和不均匀系数Cu能充分反应土料颗粒级配的良好程度，规范规定：Cu≥5且1≤Cc≤3的土料为级配良好，不同时满足则为级配不良。因此，为更好地评价安徽省部分地区土料粒径的分布情况，分别测量并计算出试验所选用地区土料的不均匀系数以及曲率系数，测量计算结果如表1所示。

表1 不均匀系数及曲率系数

1.1.2 袋体材料

本试验选取工程中常用的单位面积为 300 g·m-2的国产聚丙烯典型土工编织布作为制作吊袋的袋体材料，同时，为了便于试验操作，本试验对吊袋装置进行严密的尺寸设计，令其口径为30 cm，高度为70 cm。

本次试验所用试验装置的简化示意图如图2所示，整个装置主要由承台、承压杆、吊袋、挂钩、盛水皿组成。其中，承台高度为120 cm、长20 cm、宽40 cm,承压杆的长度为70 cm。

图2 试验装置

1.2 试验过程及方案

本试验采用控制变量的方法，将5种不同的试验土料分别称取5 kg，并与15 kg溶液混合形成总重量为20 kg的泥浆混合物，再经充分搅拌后采用倒灌式的充填方式匀速倒入吊袋中，并开始计时。每间隔一定时间，置换吊袋下方的盛水皿并对其进行称重直至吊袋边壁及底部不再有泥浆渗出，试验结束。将各盛水皿中泥浆掺和物与吊袋中的固结土烘干称量，并对其进行颗粒级配分析。根据各时间间隔内所渗出水和土的质量分别计算得到该时间段内吊袋的脱水速率与渗土速率，进而得出脱水速率、渗土速率随时间的变化关系。

2 试验结果及分析

2.1 充填料对排水量的影响

试验过程中吊袋累计排水量随时间的变化曲线如图3所示。由图3可知，安徽省部分地区土料作为充填料时，吊袋累计排水量均随试验时间的增加而增长，且增长速率逐渐减小，最后趋于平缓，基本完成脱水过程。充填不同土料进行吊袋试验时，各组的试验时间差异较小，均能在4 h内基本完成脱水，说明安徽省部分地区土料均能满足工程施工的时间要求。其中,安庆市土料累计排水量最多，黄山市土料次之，而淮南市土料累计排水量最少。

图3 吊袋累计排水量随时间变化曲线

2.2 充填料对脱水速率的影响

如图4所示为安徽省部分地区土料脱水速率随时间变化曲线，由图4可知，脱水速率曲线可大致分为快速脱水、抖动回升以及平稳渗水3个阶段。其中，试验从开始至20 min左右的时间段内为快速脱水阶段，从大约20 min至试验进行160 min左右的时间段内为抖动回升阶段。在试验进行至160 min左右时，各试验组吊袋基本上已全部脱水完成，吊袋装置开始进入平稳且缓慢的渗水阶段。

图4 脱水速率随时间变化曲线

由于吊袋在快速脱水阶段已完成大部分脱水任务，因此,快速脱水阶段是整个试验脱水过程的主要影响阶段。因而，为了更加清晰地了解安徽省部分地区土料充填管袋的脱水性能情况，分别对部分地区土料吊袋试验的快速脱水阶段的脱水速率随时间变化情况进行进一步分析，并绘制出各试验组快速脱水阶段脱水速率随时间变化曲线，如图5所示，由图5可知，在快速脱水阶段，安庆市地区土料作为试验充填料时其脱水速率曲线下降最快，结合表1可知，安庆市土料的不均匀系数小于5，说明安庆地区土料的粒径分布范围较小，但其作为充填料时吊袋的累计排水量最多，说明脱水固结过程中易形成稳定的渗流通道。

图5 快速脱水阶段脱水速率随时间变化曲线

对于何时能完成管袋的脱水过程进而使得单个管袋能满足下一层管袋施工条件的问题，最终取决于管袋的抖动回升阶段。因而，笔者对各试验组的抖动回升阶段进行单独分析研究，并绘制出抖动回升阶段各试验组脱水速率随时间变化曲线，如图6所示。

图6 抖动回升阶段脱水速率随时间变化曲线

由图6可知，抖动回升阶段各地区土料的脱水速率曲线的下降方式各有不同。其中,黄山市、安庆市、滁州市及阜阳市土料脱水速率在此阶段有较为明显的抖动回升现象，而淮南市土料脱水速率的抖动回升值相对较小。结合图5中的快速脱水阶段部分地区土料吊袋的脱水速率变化情况可知，当以淮南市土料作为管袋的充填土料时，单个管袋会在快速脱水阶段完成后达到下层管袋堆叠施工的条件。而结合图3中吊袋累计排水量随时间变化情况可知，淮南市土料在吊袋试验中排水量较少，不完全满足工程施工需求。

为减小试验误差，本次试验在严格控制试验环境条件及试验方案相同的情况下，采用多次重复试验求平均值的方法测得不同充填料下吊袋平均脱水速率，并将数据整理绘制成如图7所示的不同充填料下吊袋平均脱水速率。

图7 不同充填料下吊袋平均脱水速率

由图7可知，黄山市土料作为充填料时，吊袋平均脱水速率最大，安庆市、滁州市以及阜阳市次之，而淮南市土料作为充填料时，吊袋平均脱水速率最小，因此，黄山市土料作为吊袋充填料时，吊袋的脱水性能更优，而安庆市土料作为吊袋充填料时，吊袋的脱水性能次之。

2.3 充填料对保土率的影响

充填管袋保土性能的好坏直接影响着管袋工程的可实施性，因此,对于充填管袋保土性能的研究必不可少。如图8所示为充填不同地区土料时吊袋试验的渗土累计量和保土率。由图8可知，安庆市土料吊袋试验的保土率最高，保土性能最好，阜阳、淮南、滁州和黄山依次次之，说明安庆市土料用作管袋工程的充填料时，充填管袋的保土性能较佳，较为适合管袋工程的施工。

图8 充填不同土料时吊袋渗土累计量和保土率

为进一步探究各试验组吊袋的保土性能出现差异的原因，对各试验组的渗土速率进行分析，并绘制出如图9所示的不同充填料下吊袋平均渗土速率。由图9可知，采用滁州市土料作为充填料时，吊袋平均渗土速率最大，安庆市、黄山市、阜阳市次之，而采用淮南市土料作为充填料时，吊袋平均渗土速率最小。结合黄山市土料作为充填料时吊袋平均脱水速率可知，由于脱水速率较大，吊袋在脱水固结过程中充填料更易随水而流失。由图3可知，安庆市土料作为充填料时，吊袋试验过程中累计排水量最高，平均脱水速率仅次于黄山市土料的吊袋试验，而由其保土性能最佳可知，安庆市土料更适合作为管袋的充填料。