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用排水固結(jié)法進行軟基處理的良好垂直通道，在沿海圍墾項目的軟基處理中應(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間。

影響塑料排水板性能好壞的最主要指標即為通水量，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)果準確性的因素主要包括乳膠膜的厚度和水溫。當乳膠膜較厚時，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。造成實驗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 試驗資料統(tǒng)計

對試驗資料進行統(tǒng)計同樣可以發(fā)現(xiàn)：在水溫黏滯性修正后，冬季排水板實測通水量偏大，而夏季偏小，是因為僅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。當水溫較高時，水的流動性好，黏滯系數(shù)變小，實測通水量偏大，故計算公式中乘以<1的水動力黏滯系數(shù)進行修正；但水溫高同時導(dǎo)致塑料芯板分子運動加劇，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，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個排水板通水量檢測結(jié)果進行統(tǒng)計，縱向通水量≤25 cm3/s的有97個，其中檢測水溫在10℃下只有1個，檢測水溫在30℃以上達到41個。水溫高時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度主要測試排水板能承受的最大拉力及破壞時延伸率，可從側(cè)面反映排水板芯樣的壓屈強度和剛度。

試驗選取的為目前國內(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個豎齒、62個通道，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26-30N/cm，結(jié)果比較接近。

1.3 試驗資料篩選

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度和橫向濾膜濕態(tài)抗拉強度數(shù)據(jù)較為相近的原則。6個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，進行統(tǒng)計分析水溫影響系數(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26-30N/cm，數(shù)值比較接近，本次不予考慮[4]。

選取的6個廠家的排水板，在不同水溫下復(fù)合體抗拉強度和通水量的平均值統(tǒng)計結(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 試驗成果分析

1)水溫和通水量的關(guān)系：

水溫高時實測通水量明顯比水溫低時小，主要原因是水溫對芯板強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)：

分別計算以上6個廠家的同規(guī)格的排水板在不同水溫下實測通水量的比值作為溫度變形修正系數(shù)，并以水溫20℃時溫度變形修正系數(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

由試驗資料進行統(tǒng)計分析，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)計資料分析得到水溫10℃時溫度變形修正系數(shù)為0.67-0.84，水溫30℃時溫度變形修正系數(shù)1.20-1.47；與水動力黏滯系數(shù)成負相關(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，需通過進一步的比對試驗進行細化研究。