土工織物反濾層對多孔管匯流量影響的試驗研究

謝淑華，劉煥芳*，黃海濤，葉芳

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.淮河水利委員會綜合事業(yè)發(fā)展中心，安徽 蚌埠 233001)

隨著全球氣候變化及城市化的發(fā)展，出現(xiàn)了水資源短缺和部分地區(qū)地下水上升等問題，多孔管為擺脫這種困境提供了一種思路.含有反濾層的多孔管廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水利、市政等領(lǐng)域，主要用于集水和排水[1-2].傳統(tǒng)的反濾層濾料一般為砂礫石，但有些地區(qū)受砂礫石來源的限制，用土工織物代替砂礫石作為反濾層[3]，土工織物具有運輸、施工方便，造價低，耐久性好，透水性好等特點.STUYT等[4]研究暗管排水外包濾料的設(shè)計，提出土工織物濾層的選擇標(biāo)準(zhǔn)，從而推動了土工織物作為多孔管外包濾料的發(fā)展.SALEM等[5]研究發(fā)現(xiàn)，多孔管外包土工織物的厚度和特征孔徑的大小對淤堵程度有影響.劉文龍等[6]結(jié)合實際工程并通過室內(nèi)滲透試驗研究了2種土工織物用于黃河三角洲土壤暗管排水外包濾料時的反濾效果以及防淤堵性能.除此之外，也有許多學(xué)者研究了土工織物反濾層的微觀結(jié)構(gòu)對其滲透性和防淤堵性能的影響[7-10].

匯流量是多孔管設(shè)計的重要技術(shù)指標(biāo)，反濾層對多孔管匯流量具有重要的影響.針對含有反濾層的多孔管匯流量問題，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，MURPHY等[11]利用能量方程和CFD模型，基于Kirkman理論給出了含土壤層的流量表達(dá)式.黃海濤等[12]在阿拉維娜-努美諾夫公式的基礎(chǔ)上并結(jié)合室內(nèi)試驗建立不同來流流量下的滲管出水量的回歸方程.鄭曉瑜等[13]探究了砂石料反濾層厚度對多孔管的匯流量的影響.

隨著含有土工織物反濾層多孔管的推廣使用，對其匯流量的研究顯得尤為重要.文中將在前人的研究基礎(chǔ)上，通過理論分析和室內(nèi)試驗，研究土工織物反濾層厚度、面密度對多孔管匯流量的影響，以期為工程中含有土工織物反濾層的多孔管設(shè)計提供參考.

1 試驗設(shè)計和方法

圖1為試驗裝置示意圖.本試驗在長為11.0 m,寬為0.6 m，高為0.8 m的矩形斷面渠道中進(jìn)行.試驗裝置包括離心泵、高位水箱、多孔流體分布管和三角堰等.采用管徑D為0.156 m的PVC圓管，管長L為4 m，管頂有3排孔，孔徑d為0.02 m，孔距s為0.05 m，孔呈梅花狀分布，管道始端用堵頭封堵，管道外部用土工織物覆蓋.將管道水平放置在渠道中間，使管道的坡度為0，在渠道尾部設(shè)有調(diào)節(jié)閥，用于控制渠道內(nèi)水位，并將水位控制在0.1～0.6 m.

圖1 試驗裝置示意圖

試驗開始時，打開進(jìn)水閥，水流進(jìn)入渠道內(nèi)，再調(diào)節(jié)渠道的調(diào)節(jié)閥，使管頂初始水深為0.1～0.2 m，待水位平穩(wěn)后，記錄三角堰測針度數(shù).再調(diào)節(jié)渠道的調(diào)節(jié)閥，使渠道內(nèi)水位上漲0.03～0.07 m，水位平穩(wěn)后，記錄三角堰測針度數(shù).重復(fù)以上試驗，直至水位到達(dá)0.5 m時，結(jié)束本組試驗.關(guān)閉進(jìn)水閥，待渠內(nèi)無水時，換另一組土工布進(jìn)行下一組試驗.

選擇透水性和過濾性能較好的短纖針刺非織造土工布，取其中5種規(guī)格，面密度μg分別是100,150,200,300,400 g/m2，每種規(guī)格分別設(shè)置4組層數(shù)n，分別為1層、2層、3層、4層，共20組試驗.表1為試驗組次表，表中t為土工布的單層厚度，O90為特征孔徑，K為單層滲透系數(shù).

表1 試驗組次表

2 匯流量計算公式

2.1 基礎(chǔ)公式的選擇

以土工布為反濾層的多孔管與以砂石料為反濾層的多孔管類似，都是匯集地表水，所以含有土工織物反濾層的多孔管匯流量計算表達(dá)式可在阿拉薇娜·努美諾夫完整式的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，

(1)

(2)

式中：Q為滲渠產(chǎn)水量，m3/s；L為滲渠長度，m；α為淤塞系數(shù)，一般不渾濁的河、湖水采用0.8，中等渾濁時采用0.6，渾濁時采用0.3，本試驗水質(zhì)比較清澈，采用0.9；H為多孔管頂部水頭，m；h為多孔管內(nèi)水位對多孔管出口所施水頭，m，當(dāng)多孔管內(nèi)為大氣壓時,h=0；A為量綱為一的參數(shù)；D為多孔管直徑，m；T為含水層厚度，m.

圖2為cotx的計算值.

圖2 cot x的計算值

對于含有土工織物反濾層的多孔管，管徑D遠(yuǎn)大于含水層(土工織物)厚度T，則式(2)中D/T>>1，令x=(π/8)×(D/T)，由室內(nèi)試驗參數(shù)可知，cotx在一定的工況下存在著負(fù)值，如圖2所示.根據(jù)對數(shù)函數(shù)的性質(zhì)，當(dāng)cotx為負(fù)值時，式(2)無意義.由此說明，式(2)對于量綱為一的參數(shù)A的計算不適用于含有土工織物反濾層的多孔管，因而需要通過理論分析和試驗結(jié)果來總結(jié)出適用于有土工織物的多孔管匯流量的表達(dá)式.

2.2 量綱分析

含有土工布反濾層的多孔管匯流量的影響因素有：土工布的滲透系數(shù)K、土工布的層數(shù)n、壓力水頭H、多孔管匯流管長度L、特征孔徑O90、淤塞系數(shù)α、流體密度ρ、運動黏滯系數(shù)υ、重力加速度g.由此，含有土工織物反濾層的多孔管的匯流量的一般表達(dá)式為

Q=f(K,t,n,L,O90,H,α,ρ,υ,g).

(3)

不考慮常量和次要因素可得：

Q=f(K,t,n,L,O90,H,α).

(4)

參考式(1)，并根據(jù)物理關(guān)系以及量綱和諧原理得

(5)

(6)

將f(β)視為一流量修正系數(shù)φ，則

Q=αφKLH.

(7)

下面將著重研究量綱為一的參數(shù)φ與土工布反濾層的特征系數(shù)β的關(guān)系.

2.3 計算公式擬合

結(jié)合具體試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析.在面密度μg為100,150,400 g/m2的短纖針刺非織造土工布，層數(shù)n=1，2，3，4，壓力水頭H=0.3 m和H=0.4 m的工況下，圖3為流量修正系數(shù)φ與土工布反濾層的特征系數(shù)β的擬合關(guān)系，關(guān)系式為

圖3 流量修正系數(shù)φ與土工布反濾層的特征系數(shù)β關(guān)系圖

φ=(1.72×10-4)β2-0.046β+4.4.

(8)

由此可得匯流量Q與土工織物反濾層特征系數(shù)β的關(guān)系表達(dá)式：

Q=[(1.72×10-4)β2-0.046β+4.4]αKLH,

(9)

即，

(10)

2.4 計算公式驗證

為驗證式(10)的可靠性與精確性，將試驗數(shù)據(jù)實測值與計算值進(jìn)行對比，鑒于沒有這方面其他學(xué)者的試驗資料，故無法用他人研究資料進(jìn)行驗證，所以筆者用面密度μg為200，300 g/m2的試驗組進(jìn)行對比.圖4為室內(nèi)試驗實測出水量Qc與計算匯流量值Qe的對比圖.從圖中可以看出，數(shù)據(jù)點基本分布在1∶1線兩側(cè)，線性回歸計算的修正后相關(guān)系數(shù)R2為0.923 4，證明室內(nèi)試驗匯流量實測值與式(10)的理論值高度相關(guān)，可以用于指導(dǎo)實際工程的設(shè)計計算.

圖4 實測匯流量與計算匯流量對比圖

3 匯流量影響因素分析

3.1 土工織物層數(shù)對多孔管匯流量的影響

為了更好地反映土工織物的層數(shù)n與出水量Qc之間的關(guān)系.根據(jù)不同面密度組的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，多孔管匯流量隨著土工織物反濾層層數(shù)的增加而減小，且減小的幅度逐漸變緩.結(jié)合前文的理論分析，當(dāng)其他參數(shù)一定時，土工織物反濾層特征系數(shù)β隨著土工織物層數(shù)n的增加而增大，由式(9)可知，β增大時，φ減小，匯流量隨之減小，與試驗結(jié)果相符.

圖5 不同層數(shù)土工織物下多孔管的出水量分布

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因有2個：① 土工織物孔隙分布不均勻，當(dāng)2層土工織物自由疊在一起時，2層土工織物接觸面的孔隙不能完全匹配，即孔隙不能重合，所以當(dāng)水流從上層土工織物流入下一層時，會受到阻力，造成一定水頭損失，使水流流速變緩.除此之外部分流體沿層間間隙流動，滲徑延長，水力損失增加，故2層土工織物時，多孔管的匯流量較單層土工織物時急劇減少.② 土工織物反濾層不同于砂石料反濾層，土工織物纖維在垂直水壓力的作用下會被拉伸產(chǎn)生變形，隨著拉伸應(yīng)變的增加，濾層整體厚度減小，孔隙增大，導(dǎo)致孔隙率增大，滲透系數(shù)也隨之增大.但隨著土工織物層數(shù)的增加，反濾層整體的抗拉伸性能增強，濾層整體的拉伸應(yīng)變減小，每層土工織物孔隙增大幅度減小，整體滲透系數(shù)逐漸變小，相應(yīng)的匯流量也會減小.

3.2 土工織物面密度對多孔管匯流量的影響

圖6為不同壓力水頭下，土工織物面密度μg對多孔管匯流量Qc的影響.從圖中可以看出，隨著面密度的增加，多孔管的匯流量隨之增加.非織造土工織物是一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的纖維材料，孔隙形狀和尺寸的變化取決于層中纖維的空間分布、纖維纏繞程度、纖維形狀和土工織物的制造過程，面密度增加，則單位面積的纖維將會增加，相應(yīng)的特征孔隙O90將會變小，厚度t將會增加，進(jìn)而導(dǎo)致滲透系數(shù)K減小.由理論分析可知，當(dāng)特征孔隙O90變小、厚度t增加時，土工織物反濾層特征系數(shù)β會增大.根據(jù)式(9)可得，φ隨β增大而減小.φ和滲透系數(shù)K減小，必然引起匯流量的減小，與實測結(jié)果相符.

圖6 不同面密度土工織物下多孔管的出水量分布

4 結(jié)論與展望

1)經(jīng)理論分析并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)擬合出匯流量與土工織物反濾層厚度、特征孔徑之間的關(guān)系表達(dá)式，計算值與試驗實測值相差較小，說明該表達(dá)式可用于指導(dǎo)實際工程的設(shè)計計算.

2)當(dāng)其他參數(shù)一定時，含有土工織物反濾層的多孔管匯流量隨著土工織物層數(shù)的增加而減小，且趨勢越來越緩.當(dāng)層數(shù)增加到一定數(shù)量，匯流量變化將趨于穩(wěn)定.

3)當(dāng)多孔管參數(shù)、壓力水頭以及土工織物層數(shù)一定時，多孔管匯流量隨著面密度的增加而減小，即隨著特征孔徑的減小而減小.

4)本研究引入土工織物反濾層特征系數(shù)，由于該系數(shù)為綱量為一的參數(shù)，故所得的經(jīng)驗公式(10)在土工織物反濾層的一定參數(shù)內(nèi)具有適用性，可為排水、集水實際工程中土工織物反濾層的設(shè)計提供理論支持，從而達(dá)到較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，同時為具有土工織物反濾層的匯水管道的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供幫助.