水利工程论文-土工充泥袋抛坝促淤试验研究与实践.doc水利工程论文-土工充泥袋抛坝促淤试验研究与实践.doc

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水利工程论文土工充泥袋抛坝促淤试验研究与实践摘要作者对土工充泥袋代替块石作为建筑材料,在水流作用下袋体的保沙性能和充泥袋的稳定性能等关键问题开展了一系列室内外试验研究,并提出了相应的解决措施。根据土工充泥袋稳定要求而研制的新型袋体“沙垫”现已在工程实践中广泛应用。关键词土工充泥袋漏沙率保沙率袋体稳定土工合成材料是一种新型的建筑材料,已广泛应用于水利、水电、公路、铁路、海港以及军工等各个领域。黄河因泥沙颗粒较细,洪水流速较大,土工充泥袋应用于护岸工程时,保沙性能要求较高。因此,土工充泥袋外层用聚丙烯充泥袋布,内层用聚乙烯薄膜复合制成土工复合袋,然后,把袋体安装在抛枕架内,由人工把泥沙装入袋中,封住袋口后,扳动抛枕架,将袋体抛入加固堤段。实践表明,土工复合袋人工装沙用于黄河大堤防冲加固取得了较好的效果。浙江省绍兴、萧山等地于20世纪90年代初用泥浆泵充填土工长管袋在钱塘江河口高滩上进行围垦筑堤。实践表明,在治河抢险等水利工程中用土工充泥袋代替石方具有施工进度快、造价低、又能就地取材和便于机械化施工等,应用前景十分广阔。钱塘江河口泥沙颗粒细,涨、落潮流速大,能否用土工充泥袋代替石方作为钱塘江南股槽整治工程材料,土工充泥袋在水流作用下的保沙性能和袋体的稳定性能等是关键问题。对此,作者开展了一系列室内、外试验研究。通过室内和现场试验得知,解决袋体的保沙问题,首先应根据泥沙的粗细情况合理地选择袋布,用泥浆泵充填土工充泥袋结束后,其外侧及时加抛石渣和块石,或者在袋体外加包塑料薄膜使袋体免受水流和风浪的淘刷,从而达到保沙目的。至于袋体稳定问题,宜采用大体积的袋体,但袋体的长宽比L/B应在20~35之间。根据这一要求,在钱塘江南股槽整治实践中,研制出大体积土工“沙垫”代替长管袋。这种大体积“沙垫”现已广泛应用,取得了显著的经济效益。1土工充泥袋布的选择11现场泥沙颗粒级配及其物理特性试验现场位于钱塘江尖山河湾南岸曹娥江口东侧图1。现场土样经颗粒分析,泥沙粒径D50=003MM,D10=0014MM,D600033MM,曲率系数CCD230/D60D10125,不均匀系数CUD60/D10236,属颗粒较均匀的细粉沙。泥沙起动流速为03~05M/S,干容重112~158T/M3,渗透系数121104~138105CM/S,内摩擦角20~27。12土工充泥袋布的选择121土工充泥袋布的选择选择充泥袋布的原则是用泥浆泵进行充填时,袋布应满足抗拉强度、透水保沙性能等方面的要求;由于用量很大,所以又要求所选用的土工布价格低廉。我们根据就近的原则,选用了常州塑料编织总厂和杭州新丰塑料厂生产的土工充泥袋布。其基本特性见表1。室内、外试验结果表明,用泥浆泵充填土工充泥袋时,袋布的抗拉强度应每50MM大于750N。表1所列的土工充泥袋布的抗拉强度基本上能满足这一要求。表1土工充泥袋布的基本特性产地物理特性力学特性水力特性经纬密度丝/寸单位面积质量/G/M2厚度/MM拉抗强度/N/MM顶破强度/N延伸率当量孔径O90/MM渗透系数K/CM/S经向纬向经向纬向常州1416141512021005105715319816374618314189261861317802900826210259102新丰1000380025014102122土工充泥袋的保沙效果试验用泥浆泵充填土工充泥袋,透水与保沙是相互矛盾的。从施工角度考虑,要求土工充泥袋布有较好的透水性,使充填的泥浆在袋体内排水快,泥沙固结时间短,从而达到加快施工进度目的,但相应保沙效果较差。一般土工充泥袋布都有一定的透水能力,其透水(或保沙)性与土工充泥袋布的单位面积孔的数量及其大小(当量孔径O90有关。表2所列土工充泥袋布的渗透系数均大于施工现场土料的渗透系数。在施工现场测试表明,泥浆泵充填常州产1土工充泥袋时,充入袋的含沙量为550KG/M3,析出袋的含沙量为20KG/M3,保沙率为96%。由此说明,在渗透压力作用下土工充泥袋的漏沙量是不大的,能满足施工要求。表1中,杭州新丰塑料厂生产的袋布虽然渗透系数大一些,但浙江省绍兴县的围垦实践表明,该厂生产的袋布一般也能满足渗透压力作用下的保沙要求。表2土工充泥袋漏沙率试验编号生产厂家规格单位面积重量/G/M2漏沙率Η备注1常州厂14161201000袋体纵轴顺水流23456常州厂常州厂杭州新丰厂杭州新丰厂杭州新丰厂141412~13131313131415150195200240210538387981000140方向摆放如图123水流作用下土工充泥袋的保沙试验土工充泥袋在水流作用下的保沙性能是一项很重要的指标,但难以通过模型试验得到,一般需在土工充泥袋内装入天然泥沙,然后在接近天然流速的情况下进行冲刷试验。有人把沙袋悬挂在船尾,船在水中行驶,据此测得袋体保沙率与流速之间的关系。本项试验是在活动水槽内进行的。活动水槽长160M、宽05M、高06M,最大坡度24,最大流量005M3/S,最大流速20M/S。为了增大活动水槽内的流速,又将试验段面宽缩窄至035M,使最大流速提高到22M/S。充泥袋试件的长20CM、宽10CM、厚5CM,为偏平长方体。用不同规格的袋布制成6种试验袋体。将试件安置在水槽底板轴线上,然后放水冲刷,并用南京水利科学研究院生产的智能流速仪施测流速。土工充泥袋的保沙性能指标用漏沙率表示,即1式中Η为试验袋体的漏沙率;W0为水流冲刷前的充泥袋重量,单位N;W1为水流冲刷后的充泥袋重量,单位N。当水槽试验流速为20M/S,冲刷时间2H,测得漏沙率如表2。从表2看出,在上述试验条件下,常州厂生产的3、6土工充泥袋试件的漏沙率较小Η5;2、4试件的漏沙率Η50;1、5试件的漏沙率更大Η100),袋体内泥沙全部漏失。可见,后4种土工充泥袋在流速2M/S左右的水域中难以满足保沙要求。为了进一步探明土工充泥袋漏沙率与流速和冲刷时间之间的关系,用表中1土工充泥袋试件在水槽内进行了不同流速作用下、持续时间为2H的冲刷试验。其漏沙率与冲刷流速间的关系见图2。从图看出,L土工充泥袋试件的漏沙率与冲刷流速成正比。当流速为10M/S时,漏沙率约10;当冲刷流速大于15M/S时漏沙率快速增大。1土工充泥袋试件在水槽内进行保沙试验,试验流速为10M/S,其漏沙率与冲刷时间的关系见图3。结果表明,随着冲刷时间的增长,漏沙率也逐渐增大,冲刷3H后漏沙率大约稳定在20左右。由此可知,1土工充泥袋适用于流速小于10M/S的水域中。试验现场用1土工充泥袋筑坝,由于袋体外测未经石渣、块石保护,经过四天大潮流速每潮流速约20M/S、持续时间约05H)的淘刷作用,袋体内的泥沙几乎漏光。现场试验时,对于流速大于10M/S的水域,用泥浆泵充填1土工充泥袋时,在袋体外侧及时加抛石渣和块石,既防止了水流、风浪对袋体的淘刷,又能有效地防止袋布的老化。图21袋布流速与漏沙率关系曲线图31袋布受流速10M/S作用与冲刷历时关系表2中3、6两种袋布的漏沙率较小。我们用这两种土工充泥袋试件在水槽中进行试验,在20M/S的流速作用下,其充泥袋漏沙率随时间变化如图4。从图可知,当袋体纵轴与水流方向平行时,大约经8H冲刷后,漏沙率趋于稳定Η20;而袋体纵轴垂直于水流方向的漏沙率大于前一种情况的漏沙率。试验后,将这两种不同摆放的试件切开,对比分析可知,漏沙最严重处位于试件迎流面,此处因水流紊乱,袋体内泥沙易被吸出带走。试件纵轴与水流方向垂直时,其迎流面积较大,因而漏沙率较大。为减少土工充泥袋的漏沙量,现场施工时土工充泥袋纵轴宜与水流方向平行摆放。拟建工程水域钱塘江南股槽内涨潮流速30M/S以上大于落潮流速约10M/S,根据这种水流特性,对土工充泥袋迎涨潮流侧用漏沙率较小的土工布料予以保护,收到较好的保沙效果。表1中漏沙率最大的常州产1土工充泥袋布缝制成30CM15CM的试件,受水流作用的袋体头部用不透水的膜保护,在水槽内受到流速20M/S作用,冲刷历时2H,其漏沙率仅为9。此值大大低于袋体未经保护且水流条件相同的漏沙率Η=100。以上试验表明,漏沙率不但与流速大小有关,且与袋体附近流态关系也很密切。2土工充泥袋的稳定性及其尺寸选择21土工充泥袋布的摩擦系数用土工充泥袋筑坝,袋体接触面之间的摩擦系数关系到坝体在水流作用下的稳定性。土工充泥袋布的规格不同及其干湿之别,对摩擦系数有一定程度的影响。试验表明,同种土工充泥袋布,干的摩擦系数比
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