安徽省各地區(qū)土料充填管袋脫水特性研究

葛 穎,滿曉磊,路承斌,吳英杰,胡佳寶

(滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000)

充填管袋筑堤技術作為一種新技術被廣泛應用于海岸防護、抗洪搶險、填海造陸等領域。早在20世紀五六十年代，位于萊茵河、些耳德河和馬斯河入?？诘暮商m三角洲工程中就開始運用充填管袋技術。到20世紀末期，充填管袋技術開始在國內得到推廣與應用，例如浦東國際機場圍堤工程以及長江口深水航道治理一期工程等重大工程[1]?？梢钥闯龀涮罟艽夹g主要應用于沿海近江地區(qū)，而安徽省瀕江近海，內擁長江水道，地跨淮河、長江、新安江三大水系，每年的6月會迎來汛期，傳統(tǒng)的防洪搶險方法存在成本高、勞動強度大、環(huán)境效益差以及安全性低等問題，而充填管袋施工速度快、就地取材、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點能夠解決這些問題。

目前，針對充填管袋堤壩技術的研究更多是在壩體的穩(wěn)定性、管袋的脫水滲透、管袋尺寸和充填土料滲透特性等方面。朱朝榮等[2]研究了在不同模型水深和波陡波浪作用下，不同堤體坡比充填管袋結構的穩(wěn)定性；束一鳴等[3]研究了波浪作用下圍墾堤防管袋壩施工期的穩(wěn)定性，提出了一套高效的圍墾堤防快速施工技術；汪軍[4]對失穩(wěn)工況校核分析并結合極限平衡原理給出了相關建議。滿曉磊等[5]利用土工織物縫制方向的不同進行吊袋試驗得到當管袋的環(huán)向與土工織物緯絲方向一致時，脫水性能更佳；Recio等[6]研究了在低水頭的作用下不同管袋搭接方式對滲透性的影響；姜紅等[7]總結了土工織物滲透測試過程中的控制和影響因素；蔡新等[8]構建以結構斷面關鍵尺寸為設計變量、最低的堤壩工程造價為目標函數(shù)設計了結構優(yōu)化數(shù)學模型；陳亮[9]采用無量綱化的方法研究了管袋在充泥過程中拉力、形變的變化；吳海民等[10]歸納總結出了一種充排結合、邊充邊排的高效脫水技術；常廣品等[11]通過室內試驗發(fā)現(xiàn)含細顆粒較多的土料充填后難以固結。管袋脫水固結的速率是充填管袋筑堤技術的核心問題，因而充填管袋的脫水和保土性能成為國內外眾多學者研究的熱點。

關于充填管袋的保土問題，Moo Young等[12]通過壓濾試驗研究了濾餅的形成問題；唐琳等[13]研究了不同拉應變下兩種條膜機織物反濾性能的影響。而關于充填管袋的脫水固結問題，Hjk等[14]基于考慮管袋形狀的變化，對充填細顆粒土料管袋脫水固結性能的測試提出了新的解決方法；Lawson等[15]開發(fā)了一個基于保持質量-體積平衡的分析模型；Kim等[16]為了優(yōu)化土工布管的脫水能力，提出了一項獨特的由兩種不同土工布圍繞其圓周組成的土工布袋發(fā)明。

基于安徽省生態(tài)水利建設目標，很有必要將充填管袋技術引入水利建設當中，但針對安徽省自然條件，各地區(qū)土料性質不一，亟需對安徽省部分地區(qū)土料進行充填管袋脫水固結試驗，研究其作為充填土料時，充填管袋的滲透脫水性能與脫水機制，為充填管袋技術在安徽省的應用發(fā)展提供有益參考。針對上述問題，文中通過對安徽省黃山市、安慶市、滁州市、淮南市、阜陽市5個地區(qū)的土壤分別進行充填管袋滲透脫水試驗，研究其脫水速率，并分析其可行性。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及裝置

1.1.1 土料

試驗所用土料分別取自黃山市新安江堤壩附近、安慶市沿江中路的長江堤壩附近、滁州市余家洼水庫、淮南市淮河堤岸以及阜陽市潁河堤岸。在試驗開始前對取回土料依次進行烘干、除雜、碾散、篩分等試驗前預處理工作，通過直擊式振篩機對各地區(qū)土料進行篩分處理，得到如圖1所示的不同土料顆粒級配曲線。

圖1 不同土料顆粒級配曲線

根據(jù)《水運工程土工合成材料應用技術規(guī)范》可知，吊袋充填料宜選用黏粒含量低于10%且顆粒粒徑大多在0.08～0.27 mm的土料。由圖1可知，相較于工程規(guī)范所規(guī)定的土料，安徽省部分地區(qū)的土料較粗，說明該土料不完全符合工程中充填管袋的施工需求。

曲率系數(shù)Cc和不均勻系數(shù)Cu能充分反應土料顆粒級配的良好程度，規(guī)范規(guī)定：Cu≥5且1≤Cc≤3的土料為級配良好，不同時滿足則為級配不良。因此，為更好地評價安徽省部分地區(qū)土料粒徑的分布情況，分別測量并計算出試驗所選用地區(qū)土料的不均勻系數(shù)以及曲率系數(shù)，測量計算結果如表1所示。

表1 不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)

1.1.2 袋體材料

本試驗選取工程中常用的單位面積為 300 g·m-2的國產(chǎn)聚丙烯典型土工編織布作為制作吊袋的袋體材料，同時，為了便于試驗操作，本試驗對吊袋裝置進行嚴密的尺寸設計，令其口徑為30 cm，高度為70 cm。

本次試驗所用試驗裝置的簡化示意圖如圖2所示，整個裝置主要由承臺、承壓桿、吊袋、掛鉤、盛水皿組成。其中，承臺高度為120 cm、長20 cm、寬40 cm,承壓桿的長度為70 cm。

圖2 試驗裝置

1.2 試驗過程及方案

本試驗采用控制變量的方法，將5種不同的試驗土料分別稱取5 kg，并與15 kg溶液混合形成總重量為20 kg的泥漿混合物，再經(jīng)充分攪拌后采用倒灌式的充填方式勻速倒入吊袋中，并開始計時。每間隔一定時間，置換吊袋下方的盛水皿并對其進行稱重直至吊袋邊壁及底部不再有泥漿滲出，試驗結束。將各盛水皿中泥漿摻和物與吊袋中的固結土烘干稱量，并對其進行顆粒級配分析。根據(jù)各時間間隔內所滲出水和土的質量分別計算得到該時間段內吊袋的脫水速率與滲土速率，進而得出脫水速率、滲土速率隨時間的變化關系。

2 試驗結果及分析

2.1 充填料對排水量的影響

試驗過程中吊袋累計排水量隨時間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，安徽省部分地區(qū)土料作為充填料時，吊袋累計排水量均隨試驗時間的增加而增長，且增長速率逐漸減小，最后趨于平緩，基本完成脫水過程。充填不同土料進行吊袋試驗時，各組的試驗時間差異較小，均能在4 h內基本完成脫水，說明安徽省部分地區(qū)土料均能滿足工程施工的時間要求。其中,安慶市土料累計排水量最多，黃山市土料次之，而淮南市土料累計排水量最少。

圖3 吊袋累計排水量隨時間變化曲線

2.2 充填料對脫水速率的影響

如圖4所示為安徽省部分地區(qū)土料脫水速率隨時間變化曲線，由圖4可知，脫水速率曲線可大致分為快速脫水、抖動回升以及平穩(wěn)滲水3個階段。其中，試驗從開始至20 min左右的時間段內為快速脫水階段，從大約20 min至試驗進行160 min左右的時間段內為抖動回升階段。在試驗進行至160 min左右時，各試驗組吊袋基本上已全部脫水完成，吊袋裝置開始進入平穩(wěn)且緩慢的滲水階段。

圖4 脫水速率隨時間變化曲線

由于吊袋在快速脫水階段已完成大部分脫水任務，因此,快速脫水階段是整個試驗脫水過程的主要影響階段。因而，為了更加清晰地了解安徽省部分地區(qū)土料充填管袋的脫水性能情況，分別對部分地區(qū)土料吊袋試驗的快速脫水階段的脫水速率隨時間變化情況進行進一步分析，并繪制出各試驗組快速脫水階段脫水速率隨時間變化曲線，如圖5所示，由圖5可知，在快速脫水階段，安慶市地區(qū)土料作為試驗充填料時其脫水速率曲線下降最快，結合表1可知，安慶市土料的不均勻系數(shù)小于5，說明安慶地區(qū)土料的粒徑分布范圍較小，但其作為充填料時吊袋的累計排水量最多，說明脫水固結過程中易形成穩(wěn)定的滲流通道。

圖5 快速脫水階段脫水速率隨時間變化曲線

對于何時能完成管袋的脫水過程進而使得單個管袋能滿足下一層管袋施工條件的問題，最終取決于管袋的抖動回升階段。因而，筆者對各試驗組的抖動回升階段進行單獨分析研究，并繪制出抖動回升階段各試驗組脫水速率隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖6 抖動回升階段脫水速率隨時間變化曲線

由圖6可知，抖動回升階段各地區(qū)土料的脫水速率曲線的下降方式各有不同。其中,黃山市、安慶市、滁州市及阜陽市土料脫水速率在此階段有較為明顯的抖動回升現(xiàn)象，而淮南市土料脫水速率的抖動回升值相對較小。結合圖5中的快速脫水階段部分地區(qū)土料吊袋的脫水速率變化情況可知，當以淮南市土料作為管袋的充填土料時，單個管袋會在快速脫水階段完成后達到下層管袋堆疊施工的條件。而結合圖3中吊袋累計排水量隨時間變化情況可知，淮南市土料在吊袋試驗中排水量較少，不完全滿足工程施工需求。

為減小試驗誤差，本次試驗在嚴格控制試驗環(huán)境條件及試驗方案相同的情況下，采用多次重復試驗求平均值的方法測得不同充填料下吊袋平均脫水速率，并將數(shù)據(jù)整理繪制成如圖7所示的不同充填料下吊袋平均脫水速率。

圖7 不同充填料下吊袋平均脫水速率

由圖7可知，黃山市土料作為充填料時，吊袋平均脫水速率最大，安慶市、滁州市以及阜陽市次之，而淮南市土料作為充填料時，吊袋平均脫水速率最小，因此，黃山市土料作為吊袋充填料時，吊袋的脫水性能更優(yōu)，而安慶市土料作為吊袋充填料時，吊袋的脫水性能次之。

2.3 充填料對保土率的影響

充填管袋保土性能的好壞直接影響著管袋工程的可實施性，因此,對于充填管袋保土性能的研究必不可少。如圖8所示為充填不同地區(qū)土料時吊袋試驗的滲土累計量和保土率。由圖8可知，安慶市土料吊袋試驗的保土率最高，保土性能最好，阜陽、淮南、滁州和黃山依次次之，說明安慶市土料用作管袋工程的充填料時，充填管袋的保土性能較佳，較為適合管袋工程的施工。

圖8 充填不同土料時吊袋滲土累計量和保土率

為進一步探究各試驗組吊袋的保土性能出現(xiàn)差異的原因，對各試驗組的滲土速率進行分析，并繪制出如圖9所示的不同充填料下吊袋平均滲土速率。由圖9可知，采用滁州市土料作為充填料時，吊袋平均滲土速率最大，安慶市、黃山市、阜陽市次之，而采用淮南市土料作為充填料時，吊袋平均滲土速率最小。結合黃山市土料作為充填料時吊袋平均脫水速率可知，由于脫水速率較大，吊袋在脫水固結過程中充填料更易隨水而流失。由圖3可知，安慶市土料作為充填料時，吊袋試驗過程中累計排水量最高，平均脫水速率僅次于黃山市土料的吊袋試驗，而由其保土性能最佳可知，安慶市土料更適合作為管袋的充填料。

圖9 不同充填料下吊袋平均滲土速率

3 結 論

1)安徽省境內若要進行充填管袋施工，其單個管袋的脫水過程大致可分為快速脫水階段、抖動回升階段和平穩(wěn)滲水3個階段，且從其脫水過程來看，安徽省各地區(qū)土料均能滿足施工的時間要求。

2)快速脫水階段是吊袋整個脫水固結過程的主導階段。據(jù)此，黃山市土料作為充填料時，吊袋脫水性能最優(yōu)；淮南市土料作為充填料時，吊袋脫水性能最差。

3)單論吊袋的保土性能而言，安慶地區(qū)土料用作吊袋填充料時，吊袋的保土性能最佳，黃山地區(qū)土料用作吊袋填充料時，吊袋的保土性能最差。綜合比較，安慶地區(qū)土料較適合作為管袋工程中的填充料。