水气分离技术中排水管路真空压力分布规律

诸葛爱军 ，李彪

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；3.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；4.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

真空预压加固地基过程中通过真空压力的传递使砂垫层和垂直排水通道内的孔隙水压力降低并排出水和气，在总应力不增加的情况下，通过降低孔隙水压力来增加有效应力，从而使地基土得到有效加固[1-2]。常规真空预压采用射流泵来实现抽水和气的功能，近年来新型水气分离抽真空设备的出现[3-5]，改变了原来真空预压工艺中只有射流泵一种设备抽真空的局面。新型水气分离抽真空通过水气分离装置使水、气分离，采用真空泵抽气，潜水泵排水，在整个真空预压期间，两种泵均能发挥最大效率，从而达到高效节能等优点，大量工程实践证明水气分离式真空预压能够节能60%～70%左右。

现有JTS 147-2—2009《真空预压加固软土地基技术规程》[6]、JTS 147—2017《水运工程地基设计规范》[7]要求“抽真空设备宜均匀布置在加固区四周”，而采用新型水气分离设备进行真空预压的施工过程中通常将水气分离罐布置在加固区中间，压力经水气分离罐、盲管、盲点、滤管最终传递至排水板（其中盲管为不开孔的波纹管，盲点为能连接滤管的三通、四通或五通）。施工过程中真空压力在盲管及滤管中传递及实际损耗情况直接关系到水气分离罐及管路布置方式。目前多数学者对真空压力分布规律研究主要集中在竖向排水板内的衰减[8-9]，真空压力在水平排水通道内的传递规律往往被忽视。

本文通过对水气分离式真空预压加固过程中真空压力在水平排水通道内的传递规律进行监测，研究了真空压力在盲管及滤管中的损失情况，为确定合理的布泵方式和管路布设方式提供了依据。同时也能为今后水气分离式真空预压大面积推广和真空预压规范的修订提供借鉴[10]。

1 试验方案

1.1 试验位置的选择

本次试验地点位于连云港海州湾南部潮间带海滩上工程区域，考虑在采用水气分离式真空预压正常施工区中选取60 m×60 m的范围设置试验区。

工程地点地基土为Q4后期沉积土和近期人工吹填土，主要土层有吹填淤泥、淤泥及黏土，由于沉积历史较短，具有含水率高、压缩性大、强度低、透水性差的特点，同时地基在自重作用下未达到完全固结，处于欠固结状态。

1.2 试验区域布置

本次试验的真空预压区共布置4个串联水气分离罐，每个罐采用1台7.5 kW水环式真空泵抽真空，2台7.5 kW潜水泵抽水。盲管采用发散式布置，盲管直径为50 mm，整个区内共布设68个盲点；滤管直径为40 mm，横向滤管间距为1 m，纵向滤管间距为10 m。试验区布置示意图见图1。

图1 试验区域布置示意图Fig.1 Schematic layout of test area

为了测试盲管直径对压力传递的影响，采用3根盲管并联，并联的3根盲管为1组，和水气分离罐的1路支管连接。试验区域内管路、盲点及仪器布置图如图2所示，图中盲管1、2、3各由1个阀门控制，分别为阀1、阀2、阀3；盲点5、6、7、8由1个阀门控制为阀4；盲点2、3、4由1个阀门控制为阀5；盲点9、10、11由1个阀门控制为阀6。排水管路连接断面示意图如图3所示。

图2 试验区域内管路、盲点及仪器布置图Fig.2 Pipeline,blind point and instrument layout in test area

图3 排水管路连接断面示意图Fig.3 Drainage pipeline connection section diagram

1.3 试验过程

本次试验总共分为3个试验阶段：1）试抽气阶段；2）稳定观测阶段；3）进行各项正式试验阶段。

试验具体步骤：

①铺膜完成后，装接仪器，在盲管2、3同时关闭的状态下，开始观测，记录试抽气过程中，各个点位真空度变化情况，直至稳定，试验阶段1）完成。

②在盲管2、3同时关闭的状态下，进入稳定观测阶段，时间约为2～3 d，试验阶段2）完成；

③在盲管2、3同时关闭的状态下，稳定阶段完成后，同时关闭盲点2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，观测各个点位真空度变化情况，直至稳定。

④完成第③步后，在盲点2、3、4、5、6、7、8、9、10、11同时关闭的情况下，打开盲管2，关闭盲管3，观测各个点位真空度变化情况，直至稳定。

⑤完成第④步后，在盲点2、3、4、5、6、7、8、9、10、11同时关闭的情况下，打开盲管2和盲管3，观测各个点位真空度变化情况，直至稳定。

⑥完成第⑤步以后，在盲管2、3同时关闭的状态下，打开盲点2、3、4，关闭盲点5、6、7、8、9、10、11，观测各个点位真空度变化情况，直至稳定。

⑦完成第⑥步后，在盲管2、3同时关闭的状态下，打开盲点5、6、7、8，关闭盲点2、3、4、9、10、11，观测各个点位真空度变化情况，直至稳定，试验阶段3）完成。

各试验阶段示意图如图4所示。试验过程中为了确保真空压力值采集的同步，采用4台自动采集设备进行同步数据采集。

图4 试验阶段、时间示意图Fig.4 Schematic diagram of test stage and time

2 试验结果

本次试验通过采用水气分离工艺的真空预压区内的盲管和滤管中的真空压力进行监测，研究了在抽真空过程中盲管长度、盲管截面面积对真空压力传递造成的影响；以及真空压力在滤管内的传递和分布。

2.1 盲管长度对真空压力传递的影响

试验过程中，真空度观测点1布置在水气分离罐上，真空度观测点2布置在盲管中部，距离水气分离罐21 m，真空度观测点3布置在盲点1处，如图2所示。在不同时期观测真空压力，分析这3处的真空压力变化情况，不同阶段真空压力随盲管长度衰减如表1所示。

表1 各真空度测点真空压力值Table 1 Vacuum pressure values at vacuum measuring points

由表1可知，真空压力随着盲管长度的增大而降低，抽真空前期真空压力损失为0.23 kPa/m，抽真空后期真空压力损失为0.18 kPa/m，抽真空前期真空压力损失值大于抽真空后期，这主要是由于在加固前期出水量较大造成的。抽真空前期真空压力随盲管长度的变化呈现出非线性递减状态，抽真空后期真空压力随盲管长度的变化大致为线性递减。

2.2 盲管通水面积对真空压力传递的影响

本次试验中采用的是直径为50 mm的盲管，从水气分离罐到盲点1之间布设3根同直径盲管，如图2所示。通过试验第③、④、⑤步中的真空度观测数据分析盲管的截面积对真空压力传递的影响。分析结果如图5所示。

图5 不同截面积真空压力随盲管长度衰减图Fig.5 Attenuation chart of vacuum pressure with blind tube length in different section area

由图5可知，真空压力随着盲管长度的增大而降低，受盲管截面积变化的影响较小，1根盲管时真空压力损失为0.23 kPa/m，2根盲管时真空压力损失为0.20 kPa/m，3根盲管真空压力损失为0.196 kPa/m。盲管截面积与真空压力损失之间的关系如图6所示。

图6 盲管截面积与真空压力损失关系图Fig.6 Relation between blind tube section area and vacuum pressure loss

由图6可知，随着盲管截面积的增大真空压力损失减小，但并不是盲管截面积越大真空压力损失越小，当盲管截面积由19.6 cm2变为39.2 cm2时，真空压力损失减小比较明显，约为12.7%，当盲管截面积由39.2 cm2变为58.8 cm2时，真空压力损失减小不明显，约为2.3%。

2.3 真空压力在滤管内的传递和分布

真空度观测点3、4、5、6、7、8、10、16的位置，如图2所示。通过试验第③、④、⑤步骤中的真空度观测数据分析，盲管的截面积对滤管中真空压力传递的影响。分析结果如图7～图9所示。

图7 盲管截面积为19.6 cm2时滤管中真空压力的传递Fig.7 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with 19.6 cm2section area

图8 盲管截面积为39.2 cm2时滤管中真空压力的传递Fig.8 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with39.2 cm2section area

通过表2可知，真空压力在滤管中，距真空源相同距离下，往压膜沟方向真空压力损失比往区中心方向真空压力损失大。往压膜沟方向滤管中真空压力损失基本约为0.15 kPa/m。

真空度观测点4、6、7、8、9、10的位置，如图2所示。通过试验第⑥步中的真空度观测数据，分析真空压力在滤管中的传递和分布。分析结果如图10所示。

图9 盲管截面积为58.8 cm2时滤管中真空压力的传递Fig.9 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with 58.8 cm2section area

通过以上图表可知，真空压力在滤管中，距真空源（盲点）越远，真空压力越小。当盲管截面积为19.6 cm2时，真空压力损失为0.08 kPa/m；当盲管截面积为39.2 cm2时，真空压力损失为0.07 kPa/m；当盲管截面积为58.8 cm2时，真空压力损失为0.07 kPa/m，由此可知，盲管截面积的改变对于滤管中真空压力的损失影响不大，真空压力在滤管中的压力损失基本上为0.08 kPa/m。

真空度观测点3、12、16的位置，如图2所示。通过试验第③、④、⑤步骤中的真空度观测数据，分析真空压力在滤管中的靠近压膜沟位置处和靠近区中位置处真空压力衰减的区别。分析结果如表2所示。

表2 各真空度测点真空压力值Table 2 Vacuum pressure values at vacuum measuring points

图10 滤管中真空压力的传递（步骤⑥）Fig.10 Transfer of vacuum pressure in filter tube(step⑥)

通过图10可知，真空压力在滤管中，距真空源越远，真空压力越小。真空压力在滤管中的损失为0.08 kPa/m。

真空度观测点3、4、5、6、7的位置，如图2所示。通过试验第⑦步中的真空度观测数据，分析真空压力在滤管中的传递和分布。分析结果如图11所示。

图11 滤管中真空压力的传递（步骤⑦）Fig.11 Transfer of vacuum pressure in filter tube(step⑦)

通过图11可知，真空压力在滤管中，距真空源越远，真空压力越小。真空压力在滤管中的损失为0.08 kPa/m。

3 试验结果应用

水气分离式真空预压，采用水气分离罐实现了集中高效抽水和抽气，但是随着真空传递方式的变化，压力在排水管路里损耗也较大。因此需要对水气分离罐的布设方式及水平排水通道进行相应调整。

《真空预压加固软土地基规程》[6]中要求真空预压荷载设计值不宜小于85 kPa。水环式真空泵的抽真空过程中通常能形成96 kPa的真空压力，由于真空压力在盲管中损耗较大，要保证盲点位置压力满足设计要求85 kPa，按照盲管中压力损耗0.2 kPa/m计算，则水气分离罐离盲点距离不宜大于55 m。以1个100 m×200 m的加固区为例，宜布置4个水气分离罐，才能保证末端压力能够满足规范的要求。

真空压力在滤管中损耗较小，但为了确保真空压力的均匀，建议在真空预压区中均匀设置盲点。

4 结论与建议

本文通过对水气分离式真空预压加固过程中真空压力在水平排水通道内的传递规律进行监测，研究了真空压力在盲管及滤管中的损失情况，为确定合理的布泵方式和管路布设方式提供了依据。主要结论及建议如下：

1）真空压力随着盲管长度的增大而降低，抽真空前期真空压力损失为0.23 kPa/m，抽真空后期真空压力损失为0.18 kPa/m，抽真空前期真空压力损失值大于抽真空后期。抽真空前期真空压力随盲管长度的变化呈现出非线性递减状态，抽真空后期真空压力随盲管长度的变化大致为线性递减。

2）随着盲管截面积的增大真空压力损失减小，但是并不是盲管截面积越大真空压力损失越小，当盲管截面积由19.6 cm2变为39.2 cm2时，真空压力损失减小比较明显，约为12.7%，当盲管截面积由39.2 cm2变为58.8 cm2时，真空压力损失减小不明显，约为2.3%。

3）盲管截面积的改变对于滤管中真空压力的损失影响不大，真空压力在滤管中的压力损失基本上为0.08 kPa/m。真空压力在滤管中，距真空源（盲点）相同距离下，向压膜沟方向真空压力损失比向区中心方向真空压力损失大。向压膜沟方向滤管中真空压力损失基本为0.15 kPa/m。

4）根据对试验结果以及规范的分析，在采用水气分离式真空预压处理软土地基时，水气分离罐距加固区边缘的距离不宜大于55 m，以100 m×200 m的加固区为例，宜布置4个水气分离罐，才能保证末端压力能够满足规范的要求。盲点在加固区内宜采用均布的方式，以确保真空压力分布均匀。