塑料排水板縱向通水量測試改進措施研究

(福建省交通建設質量安全監督局，福州350001)

塑料排水板縱向通水量測試改進措施研究

■林同欽

(福建省交通建設質量安全監督局，福州350001)

本文根據塑料排水板比對測試結果，探討塑料排水板縱向通水量測定儀以及試驗邊界條件對塑料排水板縱向通水量試驗結果的影響。分析試驗設備存在的問題以及技術規程中的不足，提出相應的改進建議，為今后完善行業標準提供參考。

塑料排水板縱向通水量測試改進措施

1 前言

塑料排水板適用于軟粘土地基加固，在臨海工程地基加固中廣泛應用。塑料排水板縱向通水效果是制約加固效果的一個重要因素，塑料排水板縱向通水效果以縱向通水量作為重要控制指標。港口工程塑料排水板縱向通水量指標測定是依據《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS 206-1-2009)規定，在350kPa的側向壓力條件下，單位水力梯度為0.5，單位時間沿塑料排水板(試驗有效長度40cm)通過的水量。但在長期的工作實踐中發現，同一規格型號的塑料排水板縱向通水量測定值相差較大，經了解同樣問題普遍存在。同時，目前縱向通水量測定儀尚未有產品標準和校準規程，也沒有定型產品。因此，從試驗儀器及試驗方法等方面，分析探討影響測試結果的因素是必要的。

2 試驗驗證情況

2.1 不同類型儀器比對試驗

2.1.1 常用縱向通水量測定儀

塑料排水板縱向通水量測定儀器有臥式和立式兩種，側向壓力裝置有水壓的，也有氣壓的。常見的水壓臥式和立式通水量儀典型原理圖見圖1、圖2。

2.1.2 試驗及結果

福建選擇三類有代表性的通水量儀，按照《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS 206-1-2009)，采用同卷樣品、相同試驗方法進行塑料排水板縱向通水量的比對試驗(比對結果見表1)。試驗選取B型和C型兩種常用型號塑料排水板，其均勻性經測試，相關參數檢驗結果的變異系數均小于5%。

圖1 臥式通水量儀典型原理圖

圖2 立式通水量儀典型原理圖

表1 不同通水量儀比對結果一欄表

從比對結果看，三種類型通水量儀的測試結果存在較大差異。計算得到平均變異系數(3.46%)塑料排水板縱向通水量的正常測試值范圍：樣品1為10.9～12.5cm3/s，樣品2為108.7～124.9cm3/s。可見，除了樣品1使用設備Ⅱ測試的數據處在正常測值范圍內，其余情況下的測試結果均超出了正常的測量值范圍，且不同類型儀器的測試結果差異也比較大。

2.2 不同邊界條件比對試驗

2.2.1 試驗條件規定

目前，塑料排水板通水量試驗方法中各種邊界條件不夠統一和明確，《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS 206-1-2009)對縱向通水量試驗的試樣有效長度、乳膠膜厚度、側壓力、水力梯度及試驗時間等進行了規定，但對操作方法、試驗水溫、壓力表精度等未作具體要求。

2.2.2 試驗及結果

天津通過選擇三家試驗檢測機構使用同一盤塑料排水板樣品(均勻性經測試各參數檢驗結果的變異系數均小于4%)，分別按照《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS 206-1-2009)以及《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規程(比對試驗稿)》進行兩輪縱向通水量試驗(比對結果見表2)。

表2 兩輪通水量試驗比對結果

圖3 不同檢測機構兩輪試驗結果比較

從表2和圖3可以看出，在兩輪比對中雖采用均勻性較好的同一盤塑料排水板，因試驗邊界條件的不同，尤其是在《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規程(比對試驗稿)》中對試驗室溫度和水溫提出規定，得到不同的結果，且第二輪的通水量試驗結果明顯比第一輪偏差要小。

3 存在問題及原因分析

3.1 試驗儀器設計理論缺陷

常用通水量儀實物如圖4所示。

圖4 常用臥式、立式通水量儀

根據《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS 206-1-2009)，塑料排水板縱向通水量計算公式為：

式中，q——通水量(cm3/s)；

l——測量時間內水流量(cm3)；

Q——塑料排水板有效長度(cm)；

t——測量水流量的時間(s)；

Δh——水頭差(cm)；

通水量計算中僅以進出水口水位落差(20cm)作為通水量計算中試驗水頭差(Δh)。

對于立式通水量儀而言，水流進入塑料排水板之前需要流經一定長度的水管，這導致了流程水力梯度的損失。水力梯度損失主要由沿程水頭損失、局部水頭損失組成，其中沿程水頭損失公式見下公式2：

式中，v——管內平均流速(m/s)；

l——管長(m)；

d——管徑(m)；

g——動力加速度(m/s2)；

λ——沿程阻力系數。

所以，進水口實際水頭差應為：

由上可知，在塑料排水板的通水能力(即q)一定的情況下，若溫度、塑料排水板有效長度不變，則實際水頭差比試驗水頭差要小(但計算中仍按試驗水頭差計)，那么通水量計算值較真實值要小。可以得出，外接管會導致縱向通水量結果產生較大的負偏差，而且性能越好、通水量越大的塑料排水板，所產生的負偏差越大。

另外，根據伯努利能量守恒原理，當水體流動時，水壓力計算公式為：

式中，z——高度(m)；

p——靜壓(kPa)；

v——流速(m/s)；

ρ——液體密度(kg/m3)；

g——重力加速度(m/s2)；

h1-2——斷面與之間的水頭損失(m)。

由公式4可知：

因此，塑排兩端水力梯度為h1-2/0.4，由于試驗過程中p1與p2、v1與v2并未測定明確，所以不一定等同于20cm靜水水頭差下的水力梯度。

3.2 試驗技術規程不夠完善

《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規程(比對試驗稿)》對《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS 206-1-2009)關于試驗室溫度和試驗水溫要求進行了補充，提出了水溫修正系數；同時，規范了操作步驟。按照《天津市水運工程塑料排水板通水量試驗規程(比對試驗稿)》三家試驗檢測機構試驗結果(第二輪)比較相近，相比第一輪試驗結果，離散性小得多。究其原因，溫度對塑料的影響較大，溫度升高，塑料變軟，受到同樣的側壓力，塑料排水板齒槽相對容易倒伏，導致通水量降低。另一方面，第一輪比對試驗中，各試驗檢測機構對樣品的處置情況不一致，有些在試驗前將塑料排水板浸泡，有些沒有，在一定程度上也造成試驗結果的偏差。

4 改進措施

4.1 提高水力梯度準確性和穩定性

常見的立式縱向通水量測定儀大多通過上下接水管來控制水頭差，會因水管管路導致水頭差損失，建議儀器設計時消除該部分水頭差損失。另外，針對兩端壓力及流速的不明確等問題，可在塑料排水板進出水口處增設精度、靈敏度較高的水壓力和流速指示裝置，以調節水位，穩定至標準規定的水力梯度值。

4.2 完善通水量檢測標準

完善《水運工程塑料排水板應用技術規程》(JTS 206-1-2009)，進一步明確試驗操作程序、環境條件、試驗材料等要求，統一尺度，尤其應增加試驗水溫規定，減少塑料排水板中的芯板溫度敏感性對通水面積和通水量的影響。

[1]JTS 206-1-2009,水運工程塑料排水板應用技術規程[S].

[2]水力學(第二版).北京：清華大學出版社，2010-2-1.