塑料排水板縱向通水量測試改進(jìn)措施研究

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州350001)

塑料排水板縱向通水量測試改進(jìn)措施研究

■林同欽

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州350001)

本文根據(jù)塑料排水板比對測試結(jié)果，探討塑料排水板縱向通水量測定儀以及試驗邊界條件對塑料排水板縱向通水量試驗結(jié)果的影響。分析試驗設(shè)備存在的問題以及技術(shù)規(guī)程中的不足，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，為今后完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

塑料排水板縱向通水量測試改進(jìn)措施

1 前言

塑料排水板適用于軟粘土地基加固，在臨海工程地基加固中廣泛應(yīng)用。塑料排水板縱向通水效果是制約加固效果的一個重要因素，塑料排水板縱向通水效果以縱向通水量作為重要控制指標(biāo)。港口工程塑料排水板縱向通水量指標(biāo)測定是依據(jù)《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS 206-1-2009)規(guī)定，在350kPa的側(cè)向壓力條件下，單位水力梯度為0.5，單位時間沿塑料排水板(試驗有效長度40cm)通過的水量。但在長期的工作實踐中發(fā)現(xiàn)，同一規(guī)格型號的塑料排水板縱向通水量測定值相差較大，經(jīng)了解同樣問題普遍存在。同時，目前縱向通水量測定儀尚未有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)程，也沒有定型產(chǎn)品。因此，從試驗儀器及試驗方法等方面，分析探討影響測試結(jié)果的因素是必要的。

2 試驗驗證情況

2.1 不同類型儀器比對試驗

2.1.1 常用縱向通水量測定儀

塑料排水板縱向通水量測定儀器有臥式和立式兩種，側(cè)向壓力裝置有水壓的，也有氣壓的。常見的水壓臥式和立式通水量儀典型原理圖見圖1、圖2。

2.1.2 試驗及結(jié)果

福建選擇三類有代表性的通水量儀，按照《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS 206-1-2009)，采用同卷樣品、相同試驗方法進(jìn)行塑料排水板縱向通水量的比對試驗(比對結(jié)果見表1)。試驗選取B型和C型兩種常用型號塑料排水板，其均勻性經(jīng)測試，相關(guān)參數(shù)檢驗結(jié)果的變異系數(shù)均小于5%。

圖1 臥式通水量儀典型原理圖

圖2 立式通水量儀典型原理圖

表1 不同通水量儀比對結(jié)果一欄表

從比對結(jié)果看，三種類型通水量儀的測試結(jié)果存在較大差異。計算得到平均變異系數(shù)(3.46%)塑料排水板縱向通水量的正常測試值范圍：樣品1為10.9～12.5cm3/s，樣品2為108.7～124.9cm3/s?？梢姡藰悠?使用設(shè)備Ⅱ測試的數(shù)據(jù)處在正常測值范圍內(nèi)，其余情況下的測試結(jié)果均超出了正常的測量值范圍，且不同類型儀器的測試結(jié)果差異也比較大。

2.2 不同邊界條件比對試驗

2.2.1 試驗條件規(guī)定

目前，塑料排水板通水量試驗方法中各種邊界條件不夠統(tǒng)一和明確，《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS 206-1-2009)對縱向通水量試驗的試樣有效長度、乳膠膜厚度、側(cè)壓力、水力梯度及試驗時間等進(jìn)行了規(guī)定，但對操作方法、試驗水溫、壓力表精度等未作具體要求。

2.2.2 試驗及結(jié)果

天津通過選擇三家試驗檢測機(jī)構(gòu)使用同一盤塑料排水板樣品(均勻性經(jīng)測試各參數(shù)檢驗結(jié)果的變異系數(shù)均小于4%)，分別按照《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS 206-1-2009)以及《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規(guī)程(比對試驗稿)》進(jìn)行兩輪縱向通水量試驗(比對結(jié)果見表2)。

表2 兩輪通水量試驗比對結(jié)果

圖3 不同檢測機(jī)構(gòu)兩輪試驗結(jié)果比較

從表2和圖3可以看出，在兩輪比對中雖采用均勻性較好的同一盤塑料排水板，因試驗邊界條件的不同，尤其是在《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規(guī)程(比對試驗稿)》中對試驗室溫度和水溫提出規(guī)定，得到不同的結(jié)果，且第二輪的通水量試驗結(jié)果明顯比第一輪偏差要小。

3 存在問題及原因分析

3.1 試驗儀器設(shè)計理論缺陷

常用通水量儀實物如圖4所示。

圖4 常用臥式、立式通水量儀

根據(jù)《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS 206-1-2009)，塑料排水板縱向通水量計算公式為：

式中，q——通水量(cm3/s)；

l——測量時間內(nèi)水流量(cm3)；

Q——塑料排水板有效長度(cm)；

t——測量水流量的時間(s)；

Δh——水頭差(cm)；

通水量計算中僅以進(jìn)出水口水位落差(20cm)作為通水量計算中試驗水頭差(Δh)。

對于立式通水量儀而言，水流進(jìn)入塑料排水板之前需要流經(jīng)一定長度的水管，這導(dǎo)致了流程水力梯度的損失。水力梯度損失主要由沿程水頭損失、局部水頭損失組成，其中沿程水頭損失公式見下公式2：

式中，v——管內(nèi)平均流速(m/s)；

l——管長(m)；

d——管徑(m)；

g——動力加速度(m/s2)；

λ——沿程阻力系數(shù)。

所以，進(jìn)水口實際水頭差應(yīng)為：

由上可知，在塑料排水板的通水能力(即q)一定的情況下，若溫度、塑料排水板有效長度不變，則實際水頭差比試驗水頭差要小(但計算中仍按試驗水頭差計)，那么通水量計算值較真實值要小?？梢缘贸?，外接管會導(dǎo)致縱向通水量結(jié)果產(chǎn)生較大的負(fù)偏差，而且性能越好、通水量越大的塑料排水板，所產(chǎn)生的負(fù)偏差越大。

另外，根據(jù)伯努利能量守恒原理，當(dāng)水體流動時，水壓力計算公式為：

式中，z——高度(m)；

p——靜壓(kPa)；

v——流速(m/s)；

ρ——液體密度(kg/m3)；

g——重力加速度(m/s2)；

h1-2——斷面與之間的水頭損失(m)。

由公式4可知：

因此，塑排兩端水力梯度為h1-2/0.4，由于試驗過程中p1與p2、v1與v2并未測定明確，所以不一定等同于20cm靜水水頭差下的水力梯度。

3.2 試驗技術(shù)規(guī)程不夠完善

《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規(guī)程(比對試驗稿)》對《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS 206-1-2009)關(guān)于試驗室溫度和試驗水溫要求進(jìn)行了補充，提出了水溫修正系數(shù)；同時，規(guī)范了操作步驟。按照《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規(guī)程(比對試驗稿)》三家試驗檢測機(jī)構(gòu)試驗結(jié)果(第二輪)比較相近，相比第一輪試驗結(jié)果，離散性小得多。究其原因，溫度對塑料的影響較大，溫度升高，塑料變軟，受到同樣的側(cè)壓力，塑料排水板齒槽相對容易倒伏，導(dǎo)致通水量降低。另一方面，第一輪比對試驗中，各試驗檢測機(jī)構(gòu)對樣品的處置情況不一致，有些在試驗前將塑料排水板浸泡，有些沒有，在一定程度上也造成試驗結(jié)果的偏差。

4 改進(jìn)措施

4.1 提高水力梯度準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

常見的立式縱向通水量測定儀大多通過上下接水管來控制水頭差，會因水管管路導(dǎo)致水頭差損失，建議儀器設(shè)計時消除該部分水頭差損失。另外，針對兩端壓力及流速的不明確等問題，可在塑料排水板進(jìn)出水口處增設(shè)精度、靈敏度較高的水壓力和流速指示裝置，以調(diào)節(jié)水位，穩(wěn)定至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水力梯度值。

4.2 完善通水量檢測標(biāo)準(zhǔn)

完善《水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JTS 206-1-2009)，進(jìn)一步明確試驗操作程序、環(huán)境條件、試驗材料等要求，統(tǒng)一尺度，尤其應(yīng)增加試驗水溫規(guī)定，減少塑料排水板中的芯板溫度敏感性對通水面積和通水量的影響。

[1]JTS 206-1-2009,水運工程塑料排水板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[2]水力學(xué)(第二版).北京：清華大學(xué)出版社，2010-2-1.