充泥管袋固结理论及应用

充泥管袋固结理论及应用

1高压水枪加液压法用钢筋混凝土填充到大型体积管袋中，袋中填充沙子，堆积成水库芯，外部防护层即水库。在沿海、沿江一带,缺少砂石料的地区就近使用当地的粉细砂粒料,采用高压水枪将滩地上的细粉砂料射水冲起,然后用泥浆泵经管路将带水细粒料充灌入袋内,水份可从土工布孔中滤出,粉细砂料在自重和渗水压力的作用下密实。土工织物充泥管袋筑堤技术,在我国20世纪80年代才开始采用,但应用推广很快,现在河口整治与围垦工程领域已成为主流技术。2对管道气体的分析管袋筑坝基本理论,主要为管袋的固结理论和稳定性理论,后者包括在波浪及水流作用下管袋的稳定性理论。2.1初始含水率的确定管袋充泥以后,泥浆液开始固结。其固结机理是充泥管袋里的泥浆水份从袋布中淅出,同时泥浆液在自重以及渗水压力的作用下逐渐固结密实,进而达到一定的承载力,直至承受上部荷载。固结过程中有两个重要参数:固结速度和袋布渗水速度,其与多种因素有关。其中,固结速度与泥浆液中颗粒大小、级配、浓度以及管袋形状有关;而渗水速度与袋布织物的种类、孔径大小、数量、泥浆浓度以及渗水压力等因素有关。在固结过程中,对于充泥管袋形状而言:经验表明,在充泥管袋高度下降的同时,其最大宽度增大很少,尤其是当用微细颗粒泥浆充灌的时候,充泥管袋的高度下降非常明显。当已知充灌材料的密度,可采用下述原理(该原理适用于初始充灌浆液是充分饱和的,并且充灌以后,浆液中的颗粒只在竖向作一维运动,而忽略侧向运动。)近似地估算管袋的平均固结度。假定浆液是充分饱和的,用体积与质量关系,可以得到:ω0=Gs-γslurryγwGs×(γslurryγw-1)ωf=Gs-γsoilγwGs×(γsoilγw-1)式中ω0为充灌材料初始含水率;ωf为充灌材料最终含水率;Gs为土颗粒的比重;γsoil为固结后土颗粒的容重;γslurry为充灌泥浆液的容重;γw为水的容重。假设颗粒仅仅向下运动(即单向固结),由式Δe/(1+e0)=Δh/h0可得:Δhh0=Gs(ω0-ωf)1+ω0Gs(1)式中Δh为充泥管袋的下降高度;h0为充泥管袋的初始高度。根据单向固结理论,已知由公式(1)得到的充泥管袋经过时间t后下降高度Δh以及可测得管袋的最终下降高度s,可以得到管袋内充灌泥浆土层在t时刻的平均固结度为:U=Δhs(2)式中U为充泥管袋的平均固结度;Δh为充泥管袋经过时间t后的下降高度;s为充泥管袋的最终下降高度。2.2主袋的稳定理论2.2.1波浪影响下管袋的稳定性(1)管袋的静力分析通过对平行于防浪堤轴向的纵向铺设的充泥管袋的稳定性试验结果,得出结论:临界浪高近似等于充泥管袋的理论直径,并且与边界条件无关;仅仅在波浪逐渐减小,相对于高水位的水位线的下降以及充泥管袋的断面逐渐变平坦才稍许对结构的稳定性产生有利的影响。下面考虑上层充泥管袋的平衡并进行理论计算分析。假设在波浪作用下,漫过管袋顶部的水体使得充泥管袋顶层的前端有静水压力分布,同时在充泥管袋的背水面受大气压力作用,则在P点,波浪压力在顶层产生的倾复力矩为:Μ0=34(1+k)Η12h21ρwg在P点,由于上层管袋的竖向荷载,产生的恢复力矩(每米长的管袋)为:Μr=A(ρc-ρw)g12b由Mr>M0可得到满足静力平衡的条件:Η＜83A12bΔh21(1+k)式中Δ=ρc-ρwρw;H为波浪浪高;h1为从P点到管袋顶部之间的距离;k为影响系数;A为管袋的横截面积;b为管袋的宽度;ρc为充填材料的密度;ρw为水的密度(参数如图1所示,以上、以下各式同)。进一步假设,A=c1h1b,h1=c2b,则上式的上限值可转化为一个更为简单的形式:ΗΔb=c134(1+k)c2式中c1和c2是与充泥管袋形状相关的系数。通过多种不同的充泥管袋筑坝结构测试结果,概括得到满足稳定性的H/Δb值大约是1.0。(2)管袋抗波能力在国内,由于充泥管袋的形状与圆形管袋形状有差别,更多的是接近于扁平的矩形形状,并且主要考虑袋顶不过水的工况,故对置于上部垂直于防浪堤轴向的管袋,作用在管袋横截面A上力的分布如图2所示,这里假设波浪波峰刚好达到管袋顶部的临界状态。充泥管袋所受波浪荷载为:FA-0.5F×(mA)=(1-0.5m)×FA=34(1+k)ΗnAρwg充泥管袋之间的阻滑力为:f(G-F浮)=fAl(ρc-ρw)g式中f为充泥管袋之间的摩擦系数;l为充泥管袋的宽度。由静力平衡理论得满足稳定性的管袋平衡条件:阻滑力大于波浪荷载,计算临界值为:ΗΔl=f34(1+k)n(3)式中Δ=ρc-ρwρw;A=b×h;n=1-0.5m,m为上层管袋水面线以上部分面积与其整个横截面积之比,其它参数与圆形管袋相同。2.2.2水流对管道袋的稳定(1)管袋厚度设计由于在水流作用下充泥管袋稳定性方面可获得的资料信息目前还很少,并且有也只是建立在模型试验的基础上。所以,理论上可近似地运用计算作用在管袋上力的方法,采用静力平衡理论,来验算管袋的稳定性。可假设D=d为充泥管袋厚度,通过充泥管袋顶端的临界流速为Ucr,静力平衡条件表述为:Ga-FLa-FDb=0式中G=14πD2(ρs-ρ)g;FL=CL12ρU2cry;FD=CD12ρU2cry;ρs和ρ分别为充填浆液和水的密度;CL和CD为与水流条件相关的系数;参数y、a和b的大小需由管袋形状来确定,可用充泥管袋直径D和厚度d来表示,即y=c1D,a=c2D,以及b=c3D;FL为水流对管袋的抬升力;FD为水流对管袋的推力(其它参数如图3所示)。整理得:Ucr(gΔtD)0.5=f(CD,CL,y,a,b)式中Δt=ρs-ρρ。再结合多组模型试验成果可以初步定出f的取值范围,最终根据临界流速Ucr就可以粗略验算充泥管袋结构的稳定性。(2)充泥管袋充液和平衡条件在国内,由于管袋形状近似为矩形断面,因此,我们采用一种近似的方法来验算充泥管袋在水流作用下的稳定性。在试验中考虑大管袋施工后上下层结合较为紧密,通过在水流作用下对上层管袋进行力的分析,考虑静力平衡理论,来验算其稳定性,其受力如图4所示。根据受力分析,上层管袋所受水流推力荷载为:F推=c12ρU2crh;上、下层管袋之间的法向力为:(G-F浮)=Al(ρs-ρ)g；上、下层管袋之间的阻滑力为:F=f(G-F浮)=fAl(ρs-ρ)g；考虑平衡条件,阻滑力F大于水流推力荷载F推,即可以得到满足稳定要求的临界流速为:Ucr=√2×ρs-ρρ×flAghc(4)式中c为与水流条件相关的系数;h为充泥管袋的厚度;ρs和ρ分别为充填浆液和水的密度;f为管袋间的摩阻系数;A为接触面积;l为单位长度;g为重力加速度。根据满足稳定要求的临界流速Ucr就可判断管袋是否满足稳定性要求。3工程实践3.1堤、坝岸太仓市第二水厂从长江汲取原水,水厂地处长江口南岸的浪港口。由于枯水期小流量时,海潮上溯,水体含盐量超出引用水标准,需建蓄淡避咸水库进行原水调节。水库建于长江大堤以外的江滩上,水库总库容365万m3,占江滩面积75万m2。水库大坝由新建的上游堤、下游堤、外堤与加固的原长江大堤组成,总长度为3130m。其中几乎平行于水流方向的外堤位于江中,离江岸最远,所以,外堤的高度最大。外堤堤基高程-2.7m(黄海基准,下同),堤顶高程7.2m,最大堤高9.9m,防浪墙顶高程8.4m,计入防浪墙后的总高度为10.9m。水库围堤为二级建筑物。水库最高蓄水位5.8m,死水位-0.3m。库区已有取水泵站1座。长江口属中等赶潮河口,每日两涨两落。最高潮位为4.38m,最低为-2.7m。库区地基为第四纪松散沉积层。近岸处表层有一些粉土层,其下及离岸稍远处为淤泥及淤泥质粉质粘土。在该处建坝,除了需适应潮流、台风环境与缺乏石料建材条件外,软土地基以及地基中的取水钢管(处于取水供水运行状态,不能受损)等复杂地基问题需妥善处理。3.2管袋充填试验结合太仓水库工程的实际情况,选用白峁砂作为充填管袋砂料,其颗粒组成如表1所示。充泥管袋,采用尺寸为2000cm×1230cm×60cm(长×宽×高),管袋织物的等效孔径〉95=0.3mm;在工程施工前,进行了管袋充填试验,得到一些相关的数据,如表2所示。在施工进行期间,现场收集的数据如表3所示。运用上述原理,对现场试验和施工所采集的数据进行理论计算,对比情况如下。现场试验,根据表2数据,由(1)式计算得到下降高度Δh为21cm,导入(2)式,可计算出经过2d后,管袋的平均固结度U达到80%以上,此时管袋已具有一定的承载力,足以承受上部荷载;再结合施工的实际情况,如表3所示,充泥管袋由充填完好的最初高度h0约为70cm,经过1d后,管袋高度下降到约为50cm,下降高度为20cm,固结速度快,与前期试验的结果基本相符,并且满足工程进度要求。3.3用泥袋的稳定性3.3.1管袋与管袋内部集中密度h/l结合太仓水库工程实际,施工时,充泥管袋按照垂直于堤轴线方向放置,所以采用国内矩形管袋理论来验算在波浪作用下的稳定性。取k的值为0.45;f为上、下层管袋(采用聚丙烯编织袋)之间的摩阻系数,一般在0.28～0.36之间选取,这里取0.32;m为上层管袋水面线以上部分面积与上层管袋整个横截面积之比,这里取0.5,计算n=1-0.5×0.5=0.75;运用(3)式计算得到H/Δl的值为0.39。其中Δ=ρc-ρwρw‚为浆液的密度1.45g/cm3;ρw为水的密度1g/cm3;l为顶层管袋的宽度,太仓水库工程施工取值为6m,所以浪高H=0.39Δl=0.39×0.45×6=1.05m。再根据模型试验结果,施工期长江口设计高水位时顶层管袋的临界稳定浪高为2.2m,因1.05m远远小于2.2m,所以满足稳定性要求。3.3.2管袋厚度的确定计算满足稳定要求的临界流速:Ucr=2×ρs-ρρ×flAghc式中c为与水流条件相关的系数,一般取1.0;h为充泥管袋的厚度,本工程取70cm;ρs和ρ分别为充填浆液和水的密度,分别取1.45g/cm3和1g/cm3;f为上、下层矩形管袋之间的摩阻系数,一般在0.28～0.36之间选取,这里取0.32;A为接触面积,20m×12.3m;l为单位长度;g为重力加速度。根据以上数据导入公式计算出临界流速Ucr=31.5m/s,满足稳定性要求。4管袋铺设的水力设计(3)管袋筑坝也有一些要求,例如需防止管袋的顶破、磨损以及因环境因素导致的织物老化;在设计中,参数需较准确确定,比如织物的等效孔径;在施工中,需较精确地铺放充泥管袋、保持沿管袋的长度方向