充泥管袋固結(jié)理論及應(yīng)用

充泥管袋固結(jié)理論及應(yīng)用

1高壓水槍加液壓法用鋼筋混凝土填充到大型體積管袋中，袋中填充沙子，堆積成水庫芯，外部防護(hù)層即水庫。在沿海、沿江一帶,缺少砂石料的地區(qū)就近使用當(dāng)?shù)氐姆奂?xì)砂粒料,采用高壓水槍將灘地上的細(xì)粉砂料射水沖起,然后用泥漿泵經(jīng)管路將帶水細(xì)粒料充灌入袋內(nèi),水份可從土工布孔中濾出,粉細(xì)砂料在自重和滲水壓力的作用下密實(shí)。土工織物充泥管袋筑堤技術(shù),在我國20世紀(jì)80年代才開始采用,但應(yīng)用推廣很快,現(xiàn)在河口整治與圍墾工程領(lǐng)域已成為主流技術(shù)。2對(duì)管道氣體的分析管袋筑壩基本理論,主要為管袋的固結(jié)理論和穩(wěn)定性理論,后者包括在波浪及水流作用下管袋的穩(wěn)定性理論。2.1初始含水率的確定管袋充泥以后,泥漿液開始固結(jié)。其固結(jié)機(jī)理是充泥管袋里的泥漿水份從袋布中淅出,同時(shí)泥漿液在自重以及滲水壓力的作用下逐漸固結(jié)密實(shí),進(jìn)而達(dá)到一定的承載力,直至承受上部荷載。固結(jié)過程中有兩個(gè)重要參數(shù):固結(jié)速度和袋布滲水速度,其與多種因素有關(guān)。其中,固結(jié)速度與泥漿液中顆粒大小、級(jí)配、濃度以及管袋形狀有關(guān);而滲水速度與袋布織物的種類、孔徑大小、數(shù)量、泥漿濃度以及滲水壓力等因素有關(guān)。在固結(jié)過程中,對(duì)于充泥管袋形狀而言:經(jīng)驗(yàn)表明,在充泥管袋高度下降的同時(shí),其最大寬度增大很少,尤其是當(dāng)用微細(xì)顆粒泥漿充灌的時(shí)候,充泥管袋的高度下降非常明顯。當(dāng)已知充灌材料的密度,可采用下述原理(該原理適用于初始充灌漿液是充分飽和的,并且充灌以后,漿液中的顆粒只在豎向作一維運(yùn)動(dòng),而忽略側(cè)向運(yùn)動(dòng)。)近似地估算管袋的平均固結(jié)度。假定漿液是充分飽和的,用體積與質(zhì)量關(guān)系,可以得到:ω0=Gs-γslurryγwGs×(γslurryγw-1)ωf=Gs-γsoilγwGs×(γsoilγw-1)式中ω0為充灌材料初始含水率;ωf為充灌材料最終含水率;Gs為土顆粒的比重;γsoil為固結(jié)后土顆粒的容重;γslurry為充灌泥漿液的容重;γw為水的容重。假設(shè)顆粒僅僅向下運(yùn)動(dòng)(即單向固結(jié)),由式Δe/(1+e0)=Δh/h0可得:Δhh0=Gs(ω0-ωf)1+ω0Gs(1)式中Δh為充泥管袋的下降高度;h0為充泥管袋的初始高度。根據(jù)單向固結(jié)理論,已知由公式(1)得到的充泥管袋經(jīng)過時(shí)間t后下降高度Δh以及可測(cè)得管袋的最終下降高度s,可以得到管袋內(nèi)充灌泥漿土層在t時(shí)刻的平均固結(jié)度為:U=Δhs(2)式中U為充泥管袋的平均固結(jié)度;Δh為充泥管袋經(jīng)過時(shí)間t后的下降高度;s為充泥管袋的最終下降高度。2.2主袋的穩(wěn)定理論2.2.1波浪影響下管袋的穩(wěn)定性(1)管袋的靜力分析通過對(duì)平行于防浪堤軸向的縱向鋪設(shè)的充泥管袋的穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果,得出結(jié)論:臨界浪高近似等于充泥管袋的理論直徑,并且與邊界條件無關(guān);僅僅在波浪逐漸減小,相對(duì)于高水位的水位線的下降以及充泥管袋的斷面逐漸變平坦才稍許對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生有利的影響。下面考慮上層充泥管袋的平衡并進(jìn)行理論計(jì)算分析。假設(shè)在波浪作用下,漫過管袋頂部的水體使得充泥管袋頂層的前端有靜水壓力分布,同時(shí)在充泥管袋的背水面受大氣壓力作用,則在P點(diǎn),波浪壓力在頂層產(chǎn)生的傾復(fù)力矩為:Μ0=34(1+k)Η12h21ρwg在P點(diǎn),由于上層管袋的豎向荷載,產(chǎn)生的恢復(fù)力矩(每米長的管袋)為:Μr=A(ρc-ρw)g12b由Mr>M0可得到滿足靜力平衡的條件:Η＜83A12bΔh21(1+k)式中Δ=ρc-ρwρw;H為波浪浪高;h1為從P點(diǎn)到管袋頂部之間的距離;k為影響系數(shù);A為管袋的橫截面積;b為管袋的寬度;ρc為充填材料的密度;ρw為水的密度(參數(shù)如圖1所示,以上、以下各式同)。進(jìn)一步假設(shè),A=c1h1b,h1=c2b,則上式的上限值可轉(zhuǎn)化為一個(gè)更為簡(jiǎn)單的形式:ΗΔb=c134(1+k)c2式中c1和c2是與充泥管袋形狀相關(guān)的系數(shù)。通過多種不同的充泥管袋筑壩結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果,概括得到滿足穩(wěn)定性的H/Δb值大約是1.0。(2)管袋抗波能力在國內(nèi),由于充泥管袋的形狀與圓形管袋形狀有差別,更多的是接近于扁平的矩形形狀,并且主要考慮袋頂不過水的工況,故對(duì)置于上部垂直于防浪堤軸向的管袋,作用在管袋橫截面A上力的分布如圖2所示,這里假設(shè)波浪波峰剛好達(dá)到管袋頂部的臨界狀態(tài)。充泥管袋所受波浪荷載為:FA-0.5F×(mA)=(1-0.5m)×FA=34(1+k)ΗnAρwg充泥管袋之間的阻滑力為:f(G-F浮)=fAl(ρc-ρw)g式中f為充泥管袋之間的摩擦系數(shù);l為充泥管袋的寬度。由靜力平衡理論得滿足穩(wěn)定性的管袋平衡條件:阻滑力大于波浪荷載,計(jì)算臨界值為:ΗΔl=f34(1+k)n(3)式中Δ=ρc-ρwρw;A=b×h;n=1-0.5m,m為上層管袋水面線以上部分面積與其整個(gè)橫截面積之比,其它參數(shù)與圓形管袋相同。2.2.2水流對(duì)管道袋的穩(wěn)定(1)管袋厚度設(shè)計(jì)由于在水流作用下充泥管袋穩(wěn)定性方面可獲得的資料信息目前還很少,并且有也只是建立在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。所以,理論上可近似地運(yùn)用計(jì)算作用在管袋上力的方法,采用靜力平衡理論,來驗(yàn)算管袋的穩(wěn)定性。可假設(shè)D=d為充泥管袋厚度,通過充泥管袋頂端的臨界流速為Ucr,靜力平衡條件表述為:Ga-FLa-FDb=0式中G=14πD2(ρs-ρ)g;FL=CL12ρU2cry;FD=CD12ρU2cry;ρs和ρ分別為充填漿液和水的密度;CL和CD為與水流條件相關(guān)的系數(shù);參數(shù)y、a和b的大小需由管袋形狀來確定,可用充泥管袋直徑D和厚度d來表示,即y=c1D,a=c2D,以及b=c3D;FL為水流對(duì)管袋的抬升力;FD為水流對(duì)管袋的推力(其它參數(shù)如圖3所示)。整理得:Ucr(gΔtD)0.5=f(CD,CL,y,a,b)式中Δt=ρs-ρρ。再結(jié)合多組模型試驗(yàn)成果可以初步定出f的取值范圍,最終根據(jù)臨界流速Ucr就可以粗略驗(yàn)算充泥管袋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。(2)充泥管袋充液和平衡條件在國內(nèi),由于管袋形狀近似為矩形斷面,因此,我們采用一種近似的方法來驗(yàn)算充泥管袋在水流作用下的穩(wěn)定性。在試驗(yàn)中考慮大管袋施工后上下層結(jié)合較為緊密,通過在水流作用下對(duì)上層管袋進(jìn)行力的分析,考慮靜力平衡理論,來驗(yàn)算其穩(wěn)定性,其受力如圖4所示。根據(jù)受力分析,上層管袋所受水流推力荷載為:F推=c12ρU2crh;上、下層管袋之間的法向力為:(G-F浮)=Al(ρs-ρ)g；上、下層管袋之間的阻滑力為:F=f(G-F浮)=fAl(ρs-ρ)g；考慮平衡條件,阻滑力F大于水流推力荷載F推,即可以得到滿足穩(wěn)定要求的臨界流速為:Ucr=√2×ρs-ρρ×flAghc(4)式中c為與水流條件相關(guān)的系數(shù);h為充泥管袋的厚度;ρs和ρ分別為充填漿液和水的密度;f為管袋間的摩阻系數(shù);A為接觸面積;l為單位長度;g為重力加速度。根據(jù)滿足穩(wěn)定要求的臨界流速Ucr就可判斷管袋是否滿足穩(wěn)定性要求。3工程實(shí)踐3.1堤、壩岸太倉市第二水廠從長江汲取原水,水廠地處長江口南岸的浪港口。由于枯水期小流量時(shí),海潮上溯,水體含鹽量超出引用水標(biāo)準(zhǔn),需建蓄淡避咸水庫進(jìn)行原水調(diào)節(jié)。水庫建于長江大堤以外的江灘上,水庫總庫容365萬m3,占江灘面積75萬m2。水庫大壩由新建的上游堤、下游堤、外堤與加固的原長江大堤組成,總長度為3130m。其中幾乎平行于水流方向的外堤位于江中,離江岸最遠(yuǎn),所以,外堤的高度最大。外堤堤基高程-2.7m(黃?；鶞?zhǔn),下同),堤頂高程7.2m,最大堤高9.9m,防浪墻頂高程8.4m,計(jì)入防浪墻后的總高度為10.9m。水庫圍堤為二級(jí)建筑物。水庫最高蓄水位5.8m,死水位-0.3m。庫區(qū)已有取水泵站1座。長江口屬中等趕潮河口,每日兩漲兩落。最高潮位為4.38m,最低為-2.7m。庫區(qū)地基為第四紀(jì)松散沉積層。近岸處表層有一些粉土層,其下及離岸稍遠(yuǎn)處為淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。在該處建壩,除了需適應(yīng)潮流、臺(tái)風(fēng)環(huán)境與缺乏石料建材條件外,軟土地基以及地基中的取水鋼管(處于取水供水運(yùn)行狀態(tài),不能受損)等復(fù)雜地基問題需妥善處理。3.2管袋充填試驗(yàn)結(jié)合太倉水庫工程的實(shí)際情況,選用白峁砂作為充填管袋砂料,其顆粒組成如表1所示。充泥管袋,采用尺寸為2000cm×1230cm×60cm(長×寬×高),管袋織物的等效孔徑〉95=0.3mm;在工程施工前,進(jìn)行了管袋充填試驗(yàn),得到一些相關(guān)的數(shù)據(jù),如表2所示。在施工進(jìn)行期間,現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)如表3所示。運(yùn)用上述原理,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和施工所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算,對(duì)比情況如下?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),根據(jù)表2數(shù)據(jù),由(1)式計(jì)算得到下降高度Δh為21cm,導(dǎo)入(2)式,可計(jì)算出經(jīng)過2d后,管袋的平均固結(jié)度U達(dá)到80%以上,此時(shí)管袋已具有一定的承載力,足以承受上部荷載;再結(jié)合施工的實(shí)際情況,如表3所示,充泥管袋由充填完好的最初高度h0約為70cm,經(jīng)過1d后,管袋高度下降到約為50cm,下降高度為20cm,固結(jié)速度快,與前期試驗(yàn)的結(jié)果基本相符,并且滿足工程進(jìn)度要求。3.3用泥袋的穩(wěn)定性3.3.1管袋與管袋內(nèi)部集中密度h/l結(jié)合太倉水庫工程實(shí)際,施工時(shí),充泥管袋按照垂直于堤軸線方向放置,所以采用國內(nèi)矩形管袋理論來驗(yàn)算在波浪作用下的穩(wěn)定性。取k的值為0.45;f為上、下層管袋(采用聚丙烯編織袋)之間的摩阻系數(shù),一般在0.28～0.36之間選取,這里取0.32;m為上層管袋水面線以上部分面積與上層管袋整個(gè)橫截面積之比,這里取0.5,計(jì)算n=1-0.5×0.5=0.75;運(yùn)用(3)式計(jì)算得到H/Δl的值為0.39。其中Δ=ρc-ρwρw?為漿液的密度1.45g/cm3;ρw為水的密度1g/cm3;l為頂層管袋的寬度,太倉水庫工程施工取值為6m,所以浪高H=0.39Δl=0.39×0.45×6=1.05m。再根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,施工期長江口設(shè)計(jì)高水位時(shí)頂層管袋的臨界穩(wěn)定浪高為2.2m,因1.05m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2.2m,所以滿足穩(wěn)定性要求。3.3.2管袋厚度的確定計(jì)算滿足穩(wěn)定要求的臨界流速:Ucr=2×ρs-ρρ×flAghc式中c為與水流條件相關(guān)的系數(shù),一般取1.0;h為充泥管袋的厚度,本工程取70cm;ρs和ρ分別為充填漿液和水的密度,分別取1.45g/cm3和1g/cm3;f為上、下層矩形管袋之間的摩阻系數(shù),一般在0.28～0.36之間選取,這里取0.32;A為接觸面積,20m×12.3m;l為單位長度;g為重力加速度。根據(jù)以上數(shù)據(jù)導(dǎo)入公式計(jì)算出臨界流速Ucr=31.5m/s,滿足穩(wěn)定性要求。4管袋鋪設(shè)的水力設(shè)計(jì)(3)管袋筑壩也有一些要求,例如需防止管袋的頂破、磨損以及因環(huán)境因素導(dǎo)致的織物老化;在設(shè)計(jì)中,參數(shù)需較準(zhǔn)確確定,比如織物的等效孔徑;在施工中,需較精確地鋪放充泥管袋、保持沿管袋的長度方向