塑料排水板滤膜淤堵特性的试验分析

蔡瑛

摘 要：对于温州沿海围垦广泛分布的滩涂淤泥而言，由于排水板淤堵问题等一直使得常规的真空预压地基处理方式不能有效地应用于高含水量滩涂淤泥土地基。文章从塑料排水板防淤堵角度出发，通过梯度比试验对普通塑料排水板和整体式排水板的防淤堵效果进行评价。

关键词：含水量；塑料排水板；淤堵；梯度比

中图分类号：TU443 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0084-03

1 概述

真空预压排水固结法是沿海地区进行软基处理的一种有效形式，在这种方法中起主要作用的是塑料排水板，如何使得塑料排水板滤膜保持较好的渗透性能，防止淤堵现象的发生，是软基处理能否成功的关键。采用梯度比方法进行的室内试验是塑料排水板滤膜淤堵性能的测试与评价方法之一，又称梯度比试验或室内淤堵试验。梯度比是具有代表性的淤堵评价指标之一，由Calhoun在1972年提出，并被美国陆军师团（1977）采纳修订为梯度比准则。由于梯度比试验试验周期相对较短，操作简单，且以室内试验为依据，其结果较为贴近理想状态，因此目前被广泛应用于土工织物淤堵特性测试中，我国的《SL/T 235-1999 土工合成材料测试规程》[1]和美国材料试验协会（ASTM）的土工合成材料试验标准《D5101-01： Standard Test Method for Measuring the Soil-Geotextile System Clogging Potential by the Gradient Ratio》[2]中均有相關测试标准和规定。

为了使淤堵试验更适合于土工织物在各种环境条件下的淤堵性能测试和防淤堵机理更明朗，多年来，国内外学者对其进行了很多研究。

Narejo D B等[3]设计了动荷载作用下的梯度比试验装置，通过脉冲水流装置模拟动荷载作用，从而分析动荷载作用下土工织物的反滤特性。

Fannin等[4]为了更好地反映土体与排水板滤膜的相互作用，提出了重新设定梯度比的定义，并将梯度比试验装置中土-滤膜反滤系统的测压孔与出水测压孔之间的距离定为8mm。而Gardoni则将其距离定为3mm，对应的梯度比值也做了相应的修改。

俞亚南和张仪萍[5]介绍杭州西湖疏浚底泥堆场处理工程中， 曾采用在底泥中埋设排水滤管， 通过在滤管中反复抽气和吸气， 以期冲洗淤堵滤层达到加快排水固结的效果， 但是由于淤堵问题，效果不明显。

2 实验原理及计算公式

2.1 试验原理

梯度比实验的实质是对比土工织物与土体构成反滤体系中的水头损失与被保护土体中的水头损失，以便分析水体流经路径上的水头损失及其变化情况，从而进一步分析反滤体系的构成及淤堵情况。

梯度比试验中对梯度比概念的定义为：

通过梯度比便可以来评价土和滤膜构成的反滤体系是否发生了淤堵。水力梯度指的是在含水层中沿水流方向每单位距离的水头下降值，亦可以理解为水流通过单位长度渗流路径为克服摩擦阻力损失的机械能，或为克服摩擦力而使水以一定流速流动的驱动力，通过水力梯度便可以评价水在土（滤膜和土构成的反滤体系）中的能的损失程度。因此，在试验土样均匀的条件下，梯度比的值等于1时说明了该反滤体系完全没有淤堵，而随着梯度比的值的增大，土和滤膜构成的反滤体系淤堵程度越严重。

2.2 计算公式

3 室内试验准备

3.1 试验土样和滤膜

试验所用土样取自温州瓯飞一期水闸工程滩涂区域现场，取样深度为地面以下0.5m～1.0m，取回的土样装入模型桶内。根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）通过室内土工试验测得模型桶内不同深度的滩涂淤泥的基本物理性质参数见表1。

本次实验中，滤膜采用无纺长丝化纤的普通塑料排水板的滤膜和无纺短丝化纤的整体式塑料排水板的滤膜，具体参数如表2所示。

3.2 试验装置

本次试验所采用的梯度比试验装置，如图1所示。

本次试验的常水头出水与进水装置如图2所示。

本次试验所采用的梯度比试验装置实物图如图3所示。

3.3 试验方案

本次梯度比试验采用整体式塑料排水板滤膜与普通塑料排水板滤膜两种不同试样分别在水力梯度为i=1、i=5、i=7.5、i=10的条件下进行测试。根据不同的滤膜试样和水力梯度，共进行8组试验。

每组试验中需读测项目为：测压管1#、测压管2#、测压管3#、测压管4#、测压管5#和测压管6#的测压水头值。

每组试验的读测时间间隔为：0.5h、1h、2h、4h、6h、12h、24h。若未达到试验停止标准，则继续每隔24h进行读测，直至满足要求。

试验后，根据读测的时间与测压管的水头值读数，采用梯度比计算公式，计算并作出相应的GR-t曲线，并进行研究与分析。

4 试验设计与操作

（1）试验前先裁取普通塑料排水板滤膜圆形试样和整体式塑料排水板滤膜圆形试样各1张，直径均为100mm。

（2）将测压管和实验仪器连接的地方用滤膜及细铁丝网包住，再用防水胶带缠绕。

（3）安装常水头进水和出水装置，并调节高度。

（4）将塑料排水板滤膜圆形试样放入圆筒玻璃容器内。

（5）将淤泥放入圆筒形玻璃容器内（滤膜上方），要求静置稳定后土样高度为100mm。

（6）盖上容器盖并进行密封，关闭进水装置的水阀，打开玻璃容器上方的排气阀。

（7）从出水口处缓缓进水，直至容器内充满水，并将所有气泡排出后，关闭排气阀。

（8）完成后将试样静置2～3天，待土样沉淀稳定后，按照本节中的设计和安排开始试验，记录试验值。

5 实验数据分析

5.1 普通塑料排水板滤膜淤堵特性测试结果

使用普通塑料排水板滤膜，分别在水力梯度为i=1、i=5、i=7.5、i=10的条件下连续进行了4组梯度比试验，每组测试时间计350小时，根据试验测得的时间和各测压管的水头读数，采用梯度比公式计算得到各水力梯度下的梯度比，试验GR-t曲线结果如图4所示。

由曲线结果可知：水力梯度i=1时，梯度比GR值在初期缓慢增长，在280小时处达到了峰值1.7后便呈逐渐缓慢下降趋势，无淤堵情况发生。

水力梯度i=5时，梯度比GR值在35小时处达到了峰值3.9，之后呈逐渐下降趋势，稳定时梯度比GR值为2.8。可见滤膜与淤泥构成的反滤体系工作正常，无淤堵情况发生。

水力梯度i=7.5时，梯度比GR值以较高的速率不断增长，且趋于稳定，最终测得结果为GR=11.5，淤堵情况较为严重。

水力梯度i=10时，梯度比GR值变化较大，试验初期便以极高的速率增长，并在45.5小时处达到了峰值21.2，此后梯度比值虽然有所下降，但最终又呈上升的趋势，趋于稳定，最终测得的梯度比GR值为14.2，淤堵现象非常严重。

5.2 整体式塑料排水板滤膜淤堵特性测试结果

以整体式塑料排水板滤膜作为过滤材料，分别在水力梯度为i=1、i=5、i=7.5、i=10的条件下进行了4组梯度比试验，每组测试时间计770.9小时，读测停止标准同样依据上述规定执行。

据试验测得的时间和各测压管的水头读数，采用梯度比公式计算得到各水力梯度下的梯度比，试验结果如图5中GR-t曲线所示。

由试验结果可知：水力梯度i=1时，梯度比GR值缓慢增长并在119小时处达到峰值5.44，之后趋于稳定，由此可见淤泥与滤膜组成的反滤体系失效，淤堵现象比较严重。

水力梯度i=5时，经过了265.3小时的试验，梯度比GR值先下降至最低值1.556（3.5小时处）后，以较高的速率递增，趋于稳定，最终测得数据为22.35，淤堵现象极其严重。

水力梯度i=7.5时，梯度比GR值呈下降-上升-下降趋势，最终测得GR值为5.563。

水力梯度i=10时，梯度比GR值总体稳定，在529.9小时处达到峰值7.889，随后不断降低，并趋于稳定，最终测得GR值为6.6，仍有淤堵现象。

5.3 两种塑料排水板滤膜淤堵特性对比分析

由于两种塑料排水板滤膜在不同水力梯度下的淤堵试验均为连续测试，因此根据测试结果，作出两种塑料排水板滤膜的梯度比试验连续GR-t曲线并进行分析，如图6所示。

（1）按梯度比测试时段分析

由试验结果可知：试验初始阶段，两种塑料排水板滤膜梯度比GR值均呈增长趋势。两种塑料排水板滤膜梯度比曲线在t=687处相交，因此试验开始至687小时范围内，普通塑料排水板滤膜的防於堵能力优于整体式塑料排水板滤膜，而在687小时以后，普通塑料排水板滤膜的防於堵能力劣于整体式塑料排水板滤膜。

（2）按水力梯度条件分析

在相对较低的水力梯度环境下（i=1、i=5），普通塑料排水板滤膜与淤泥构成的反滤体系工作良好，在每一级的水力梯度下，GR值最终均趋于稳定，无淤堵情况发生，在相对较高的水力梯度环境下（i=7.5、i=10），整体式塑料排水板滤膜与淤泥构成的反滤体系逐渐发挥作用，所测得的梯度比GR值从峰值14降低至7，且最终趋于稳定，虽然仍有淤堵情况发生，但相比在低水力梯度的环境下已大为改善，且此时整体式塑料排水板滤膜的反滤整体式情况远远好于普通塑料排水板滤膜。

6 结束语

（1）试验中采用的滩涂淤泥，其特点是土颗粒细小，组成成分均匀，颗粒间粘度高，渗透性较小，因此在试验过程中不管使用哪种滤膜，试验时间较长且均出现了较严重的淤堵。

（2）在较低的水力梯度（i=1、i=5）的条件下，普通塑料排水板滤膜与滩涂淤泥构成的反滤体系工作正常，无淤堵现象发生；而整体式塑料排水板滤膜与滩涂淤泥构成的反滤体系失效，淤堵较为严重，但随着水力梯度的增大，整体式塑料排水板滤膜的反滤整体式效果有了改善，普通塑料排水板滤膜开始出现淤堵趋势。

（3）在较高的水力梯度（i=7.5、i=10）的条件下，普通塑料排水板滤膜与滩涂淤泥构成的反滤体系失效，淤堵现象极其严重，水力梯度越高，淤堵越显著；反滤体系随着水力梯度的增大，大大改善了原本在低水力梯度环境下的淤堵现象。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.SL/T 235-1999.土工合成材料测试规程[S].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]ASTM. D5101-01 Standard Test Method for Measuring the Soil-Geotextile System Clogging Potential by the Gradient Ratio[S]. West Conshohocken， PA， USA： ASTM International.

[3]Narejo，D.B， Koerner，R.M. Dynamic fitration testfor geotextile filters. Geotex and Geomem，1992.

[4]Palmeira，E.M.， Fannin，R.J.， Vaid，Y.P. A Study on the Behavior of Soil-geotextile Systems in Filtration Tests. Canadian Geotechnical Journal， 1996.

[5]俞亞南，张仪萍.杭州西湖疏浚底泥工程性质试验研究[J].岩土力学，2004，25（40）：579-582.