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土工织物-非稳定土体反滤系统中滤饼的研究
作者:管理员    发布于:2016-02-27 08:34:07    文字:【】【】【

  在我国土工织物主要用于排水和反滤,其用量已占各种应用之首。由于土工织物除具有传统粒状材料反滤层相似的功能外,还具有其优点,如产品种类较多、运输方便、造价低、强度高、整体性和耐久性较好等特点,使得土工织物反滤在防洪减灾、跨流域调水、生态保护及城市建设等重要领域得到了广泛的应用。但是对土工织物反滤机理的研究却没有跟上其应用发展的步伐。在工程实践中,土工织物滤层的淤堵成了影响其长期使用效果的大问题,在堤防工程中,有的部门甚至规定土工织物不得用于堤防的贴坡反滤排水。观察取自现场的土工织物,亦可发现迎水面已形成泥皮。尤其当被保护土为非稳定土的情况,细粒在粗粒骨架内的运动对系统的淤堵产生了重要影响,淤堵主要是由于细颗粒在穿越滤层过程中沉积于织物内部及其表面,在土-土工织物界面附近形成了一层低渗透性的薄滤饼,从而使得渗水很难通过织物滤层,导致反滤系统失效。

  1非稳定土体渗滤过程中滤饼形成的机理根据Giround等人的观点,级配不连续或内部有不稳定细粒组的土,在渗滤过程中细粒土较易发生迁移,大部分这种土属于内部非稳定土。在这种土中设置织物滤层后,如果阻滞颗粒的滤层孔径合适,在水流的拖曳力作用下,大量细粒土会在土工织物内部及表面沉积。根据目前土力学的概念,土体受荷(外荷或土层自重)时应力传播并不是均匀地分布到各土粒的,而是按照应力枝传送的,应力枝经过的土粒(或土团)为受荷的骨架,而在应力枝内包含的土粒则基本上不受力,那些不受力且粒径小于骨架孔隙的细粒称为自由土粒,它们与水结合形成的悬浮液很容易在渗透力的推动下,在土骨架组成的多孔介质中,沿着水流向土工织物迁移。部分细粒将进入土工织物并被阻挡下来,导致织物的渗透性土的体积分数为f则会有所下降,相应的水力坡降有所增加。由于总的水头不变,局部地区水头损失的增加使得相邻部位的水头损失有所下降,亦即是织物水头损失的增加导致相邻土层水力坡降的减少,随着细粒土在织物内部和表面越积越多,其水头损失继续增大,直至相邻土层的水力坡降减小到某一临界值,在该水力坡降下渗透力不足已带动土粒,细粒的迁移才趋于稳定。在内部不稳定的土层中,细颗粒随着渗滤的进行迁移更为频繁,以至于在织物表面更容易形成一层相对不透水的滤饼。

  的透水性降低而开始影响到系统的透水性之前,进入较厚的土工织物的细颗粒将比薄的要多,对于定量的细粒土,在土体和织物交界面上形成薄饼比等量的细粒土在织物内部淤积对土体-土工织物系统的透水性危害更大。由此可见,在织物外表面上形成的滤饼的渗透系数及其厚度成为影响系统渗透性能的重要因素。本文以多孔介质中的渗流与沉积理论为基础,研究了在非稳定土体渗滤过程中,随着细粒土的迁移,在土体与织物界面上形成的滤饼厚度与织物厚度及其渗透系数、外部压力等因素之间的关系进行了研究。

  2细颗粒的沉积和系统内的渗流方程2.1细颗粒的沉积为了研究非稳定土体渗滤过程中滤饼厚度与其它因素的关系,由大于0.5mm的中砂(文中称之粗颗粒)和小于0. 075mm的粘性土(细颗粒)按比例混合而成的非连续级配土为研究对象,土样总质量为ms,其中细颗粒含量质量分数为ms°c(见)。对由水饱和的土-土工织物系统,假定初始情况下细颗粒与水组成的悬浮液均匀地分布于粗颗粒所组成由于悬浮液的密度大于水的密度,在渗滤过程中,随着水的渗出和细粒土不断向下迁移与沉积,土体上部粗颗粒孔隙逐渐被水充满,假定该悬浮液的平均密度近似保持不变,即这部分悬浮液中Vw在dt时间内减少dVw,Vsc则同时减少dVsc.设细粒在渗滤过程中,部分细粒土沉积于织物内部孔隙中并与织物形成纤维胶结物,或以滤饼的形式沉积在织物外表面上,还有一部分随水流穿过滤层。

  令§4是其上有颗粒沉积的面积单兀,dx(。是在时间dt内土颗粒沉积形成的滤饼厚度增量,当沉积主要集中于土工织物外表面时,假设滤饼的孔隙率为n.可得滤饼中细粒土的体积为的骨架孔隙中,其孔隙体积Vw等于水的体积Vsc与细粒土体积之和即量;为细颗粒占土粒质量的质量分数;e(;为粗颗粒孔隙比;s(。、df为分别为细颗粒土与粗颗粒的相对体积质量。

  式(1)可化简为(卜c)亭如果此区域是在土工织物的内部,则可认为滤饼是由细粒土和填满土粒的织物层组成,假设此时滤饼的孔隙率为n、则细粒土的体积为在dt内如果水流的某个体积流经面积,设垂直于的单位面积的流速为Vn,于是有本文对于细粒土在织物内部沉积以及随水流穿过滤层的情况暂不考虑,只研究在织物外表面上形成滤饼的情况,联立式(3)、式(4)、式(5)即可得该条件下滤饼厚度随时间变化的表达式代入上式可得,可知沉积因子与细粒土的质量分数成正比。

  由于滤饼是弱可压缩的,nc随着压力而变化,对于同一土样并不是严格意义上的常量,但在恒定的压差下将其作为常量处理,不会导致过大误差。

  将式(7)代入式(6)可得滤饼形成的速率为22反滤系统内的渗流方程在中,流体在滤饼和土工织物内部的流动服从达西定律,设为土样的总厚度,滤饼的渗透系数为k-厚度为X-织物的渗透系数为kg,厚度为/.将滤液和滤饼视为不可压缩的,则由达西定律有定的水头差来获得;Y为细颗粒与水组成的悬浮液容重,其大小等于w++C:iw;h是滤饼上层土的厚度(即从土体上表面至滤饼表面的距离),将式(13)代入式(12)可得再将式(14)代入式(10)可得进而可以导出系统渗流速率:即截面积,取坐标系时,位置水头x在织物面以上取负值,g为重力加速度。若将k-替换成kg,式(10)同样适合于土工织物内部流体的流动。因为流体不可压缩,由连续性方程得从式(16)可以看出,渗流速率与压力、滤饼和织物的渗透系数及滤饼厚度变化之间的关系。压力P0越大、织物渗透系数kg越大,则系统渗滤越快;随着滤饼厚度x-的增加,渗滤过程渐缓。

  滤饼形成的速率:远远大于滤饼的渗透系数,即::gk-,可假定1一1-+/x-,则可以将式(17)简化为则其解为:一1已知初始条件为::=0,x-=0将式(18)积分可得:触内

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