水氣分離技術(shù)中排水管路真空壓力分布規(guī)律

諸葛愛軍 ，李彪

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222；4.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

真空預(yù)壓加固地基過程中通過真空壓力的傳遞使砂墊層和垂直排水通道內(nèi)的孔隙水壓力降低并排出水和氣，在總應(yīng)力不增加的情況下，通過降低孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力，從而使地基土得到有效加固[1-2]。常規(guī)真空預(yù)壓采用射流泵來實現(xiàn)抽水和氣的功能，近年來新型水氣分離抽真空設(shè)備的出現(xiàn)[3-5]，改變了原來真空預(yù)壓工藝中只有射流泵一種設(shè)備抽真空的局面。新型水氣分離抽真空通過水氣分離裝置使水、氣分離，采用真空泵抽氣，潛水泵排水，在整個真空預(yù)壓期間，兩種泵均能發(fā)揮最大效率，從而達到高效節(jié)能等優(yōu)點，大量工程實踐證明水氣分離式真空預(yù)壓能夠節(jié)能60%～70%左右。

現(xiàn)有JTS 147-2—2009《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》[6]、JTS 147—2017《水運工程地基設(shè)計規(guī)范》[7]要求“抽真空設(shè)備宜均勻布置在加固區(qū)四周”，而采用新型水氣分離設(shè)備進行真空預(yù)壓的施工過程中通常將水氣分離罐布置在加固區(qū)中間，壓力經(jīng)水氣分離罐、盲管、盲點、濾管最終傳遞至排水板（其中盲管為不開孔的波紋管，盲點為能連接濾管的三通、四通或五通）。施工過程中真空壓力在盲管及濾管中傳遞及實際損耗情況直接關(guān)系到水氣分離罐及管路布置方式。目前多數(shù)學(xué)者對真空壓力分布規(guī)律研究主要集中在豎向排水板內(nèi)的衰減[8-9]，真空壓力在水平排水通道內(nèi)的傳遞規(guī)律往往被忽視。

本文通過對水氣分離式真空預(yù)壓加固過程中真空壓力在水平排水通道內(nèi)的傳遞規(guī)律進行監(jiān)測，研究了真空壓力在盲管及濾管中的損失情況，為確定合理的布泵方式和管路布設(shè)方式提供了依據(jù)。同時也能為今后水氣分離式真空預(yù)壓大面積推廣和真空預(yù)壓規(guī)范的修訂提供借鑒[10]。

1 試驗方案

1.1 試驗位置的選擇

本次試驗地點位于連云港海州灣南部潮間帶海灘上工程區(qū)域，考慮在采用水氣分離式真空預(yù)壓正常施工區(qū)中選取60 m×60 m的范圍設(shè)置試驗區(qū)。

工程地點地基土為Q4后期沉積土和近期人工吹填土，主要土層有吹填淤泥、淤泥及黏土，由于沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強度低、透水性差的特點，同時地基在自重作用下未達到完全固結(jié)，處于欠固結(jié)狀態(tài)。

1.2 試驗區(qū)域布置

本次試驗的真空預(yù)壓區(qū)共布置4個串聯(lián)水氣分離罐，每個罐采用1臺7.5 kW水環(huán)式真空泵抽真空，2臺7.5 kW潛水泵抽水。盲管采用發(fā)散式布置，盲管直徑為50 mm，整個區(qū)內(nèi)共布設(shè)68個盲點；濾管直徑為40 mm，橫向濾管間距為1 m，縱向濾管間距為10 m。試驗區(qū)布置示意圖見圖1。

圖1 試驗區(qū)域布置示意圖Fig.1 Schematic layout of test area

為了測試盲管直徑對壓力傳遞的影響，采用3根盲管并聯(lián)，并聯(lián)的3根盲管為1組，和水氣分離罐的1路支管連接。試驗區(qū)域內(nèi)管路、盲點及儀器布置圖如圖2所示，圖中盲管1、2、3各由1個閥門控制，分別為閥1、閥2、閥3；盲點5、6、7、8由1個閥門控制為閥4；盲點2、3、4由1個閥門控制為閥5；盲點9、10、11由1個閥門控制為閥6。排水管路連接斷面示意圖如圖3所示。

圖2 試驗區(qū)域內(nèi)管路、盲點及儀器布置圖Fig.2 Pipeline,blind point and instrument layout in test area

圖3 排水管路連接斷面示意圖Fig.3 Drainage pipeline connection section diagram

1.3 試驗過程

本次試驗總共分為3個試驗階段：1）試抽氣階段；2）穩(wěn)定觀測階段；3）進行各項正式試驗階段。

試驗具體步驟：

①鋪膜完成后，裝接儀器，在盲管2、3同時關(guān)閉的狀態(tài)下，開始觀測，記錄試抽氣過程中，各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定，試驗階段1）完成。

②在盲管2、3同時關(guān)閉的狀態(tài)下，進入穩(wěn)定觀測階段，時間約為2～3 d，試驗階段2）完成；

③在盲管2、3同時關(guān)閉的狀態(tài)下，穩(wěn)定階段完成后，同時關(guān)閉盲點2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

④完成第③步后，在盲點2、3、4、5、6、7、8、9、10、11同時關(guān)閉的情況下，打開盲管2，關(guān)閉盲管3，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

⑤完成第④步后，在盲點2、3、4、5、6、7、8、9、10、11同時關(guān)閉的情況下，打開盲管2和盲管3，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

⑥完成第⑤步以后，在盲管2、3同時關(guān)閉的狀態(tài)下，打開盲點2、3、4，關(guān)閉盲點5、6、7、8、9、10、11，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定。

⑦完成第⑥步后，在盲管2、3同時關(guān)閉的狀態(tài)下，打開盲點5、6、7、8，關(guān)閉盲點2、3、4、9、10、11，觀測各個點位真空度變化情況，直至穩(wěn)定，試驗階段3）完成。

各試驗階段示意圖如圖4所示。試驗過程中為了確保真空壓力值采集的同步，采用4臺自動采集設(shè)備進行同步數(shù)據(jù)采集。

圖4 試驗階段、時間示意圖Fig.4 Schematic diagram of test stage and time

2 試驗結(jié)果

本次試驗通過采用水氣分離工藝的真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)的盲管和濾管中的真空壓力進行監(jiān)測，研究了在抽真空過程中盲管長度、盲管截面面積對真空壓力傳遞造成的影響；以及真空壓力在濾管內(nèi)的傳遞和分布。

2.1 盲管長度對真空壓力傳遞的影響

試驗過程中，真空度觀測點1布置在水氣分離罐上，真空度觀測點2布置在盲管中部，距離水氣分離罐21 m，真空度觀測點3布置在盲點1處，如圖2所示。在不同時期觀測真空壓力，分析這3處的真空壓力變化情況，不同階段真空壓力隨盲管長度衰減如表1所示。

表1 各真空度測點真空壓力值Table 1 Vacuum pressure values at vacuum measuring points

由表1可知，真空壓力隨著盲管長度的增大而降低，抽真空前期真空壓力損失為0.23 kPa/m，抽真空后期真空壓力損失為0.18 kPa/m，抽真空前期真空壓力損失值大于抽真空后期，這主要是由于在加固前期出水量較大造成的。抽真空前期真空壓力隨盲管長度的變化呈現(xiàn)出非線性遞減狀態(tài)，抽真空后期真空壓力隨盲管長度的變化大致為線性遞減。

2.2 盲管通水面積對真空壓力傳遞的影響

本次試驗中采用的是直徑為50 mm的盲管，從水氣分離罐到盲點1之間布設(shè)3根同直徑盲管，如圖2所示。通過試驗第③、④、⑤步中的真空度觀測數(shù)據(jù)分析盲管的截面積對真空壓力傳遞的影響。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同截面積真空壓力隨盲管長度衰減圖Fig.5 Attenuation chart of vacuum pressure with blind tube length in different section area

由圖5可知，真空壓力隨著盲管長度的增大而降低，受盲管截面積變化的影響較小，1根盲管時真空壓力損失為0.23 kPa/m，2根盲管時真空壓力損失為0.20 kPa/m，3根盲管真空壓力損失為0.196 kPa/m。盲管截面積與真空壓力損失之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 盲管截面積與真空壓力損失關(guān)系圖Fig.6 Relation between blind tube section area and vacuum pressure loss

由圖6可知，隨著盲管截面積的增大真空壓力損失減小，但并不是盲管截面積越大真空壓力損失越小，當(dāng)盲管截面積由19.6 cm2變?yōu)?9.2 cm2時，真空壓力損失減小比較明顯，約為12.7%，當(dāng)盲管截面積由39.2 cm2變?yōu)?8.8 cm2時，真空壓力損失減小不明顯，約為2.3%。

2.3 真空壓力在濾管內(nèi)的傳遞和分布

真空度觀測點3、4、5、6、7、8、10、16的位置，如圖2所示。通過試驗第③、④、⑤步驟中的真空度觀測數(shù)據(jù)分析，盲管的截面積對濾管中真空壓力傳遞的影響。分析結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 盲管截面積為19.6 cm2時濾管中真空壓力的傳遞Fig.7 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with 19.6 cm2section area

圖8 盲管截面積為39.2 cm2時濾管中真空壓力的傳遞Fig.8 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with39.2 cm2section area

通過表2可知，真空壓力在濾管中，距真空源相同距離下，往壓膜溝方向真空壓力損失比往區(qū)中心方向真空壓力損失大。往壓膜溝方向濾管中真空壓力損失基本約為0.15 kPa/m。

真空度觀測點4、6、7、8、9、10的位置，如圖2所示。通過試驗第⑥步中的真空度觀測數(shù)據(jù)，分析真空壓力在濾管中的傳遞和分布。分析結(jié)果如圖10所示。

圖9 盲管截面積為58.8 cm2時濾管中真空壓力的傳遞Fig.9 Transfer of vacuum pressure in a blind tube with 58.8 cm2section area

通過以上圖表可知，真空壓力在濾管中，距真空源（盲點）越遠，真空壓力越小。當(dāng)盲管截面積為19.6 cm2時，真空壓力損失為0.08 kPa/m；當(dāng)盲管截面積為39.2 cm2時，真空壓力損失為0.07 kPa/m；當(dāng)盲管截面積為58.8 cm2時，真空壓力損失為0.07 kPa/m，由此可知，盲管截面積的改變對于濾管中真空壓力的損失影響不大，真空壓力在濾管中的壓力損失基本上為0.08 kPa/m。

真空度觀測點3、12、16的位置，如圖2所示。通過試驗第③、④、⑤步驟中的真空度觀測數(shù)據(jù)，分析真空壓力在濾管中的靠近壓膜溝位置處和靠近區(qū)中位置處真空壓力衰減的區(qū)別。分析結(jié)果如表2所示。

表2 各真空度測點真空壓力值Table 2 Vacuum pressure values at vacuum measuring points

圖10 濾管中真空壓力的傳遞（步驟⑥）Fig.10 Transfer of vacuum pressure in filter tube(step⑥)

通過圖10可知，真空壓力在濾管中，距真空源越遠，真空壓力越小。真空壓力在濾管中的損失為0.08 kPa/m。

真空度觀測點3、4、5、6、7的位置，如圖2所示。通過試驗第⑦步中的真空度觀測數(shù)據(jù)，分析真空壓力在濾管中的傳遞和分布。分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 濾管中真空壓力的傳遞（步驟⑦）Fig.11 Transfer of vacuum pressure in filter tube(step⑦)

通過圖11可知，真空壓力在濾管中，距真空源越遠，真空壓力越小。真空壓力在濾管中的損失為0.08 kPa/m。

3 試驗結(jié)果應(yīng)用

水氣分離式真空預(yù)壓，采用水氣分離罐實現(xiàn)了集中高效抽水和抽氣，但是隨著真空傳遞方式的變化，壓力在排水管路里損耗也較大。因此需要對水氣分離罐的布設(shè)方式及水平排水通道進行相應(yīng)調(diào)整。

《真空預(yù)壓加固軟土地基規(guī)程》[6]中要求真空預(yù)壓荷載設(shè)計值不宜小于85 kPa。水環(huán)式真空泵的抽真空過程中通常能形成96 kPa的真空壓力，由于真空壓力在盲管中損耗較大，要保證盲點位置壓力滿足設(shè)計要求85 kPa，按照盲管中壓力損耗0.2 kPa/m計算，則水氣分離罐離盲點距離不宜大于55 m。以1個100 m×200 m的加固區(qū)為例，宜布置4個水氣分離罐，才能保證末端壓力能夠滿足規(guī)范的要求。

真空壓力在濾管中損耗較小，但為了確保真空壓力的均勻，建議在真空預(yù)壓區(qū)中均勻設(shè)置盲點。

4 結(jié)論與建議

本文通過對水氣分離式真空預(yù)壓加固過程中真空壓力在水平排水通道內(nèi)的傳遞規(guī)律進行監(jiān)測，研究了真空壓力在盲管及濾管中的損失情況，為確定合理的布泵方式和管路布設(shè)方式提供了依據(jù)。主要結(jié)論及建議如下：

1）真空壓力隨著盲管長度的增大而降低，抽真空前期真空壓力損失為0.23 kPa/m，抽真空后期真空壓力損失為0.18 kPa/m，抽真空前期真空壓力損失值大于抽真空后期。抽真空前期真空壓力隨盲管長度的變化呈現(xiàn)出非線性遞減狀態(tài)，抽真空后期真空壓力隨盲管長度的變化大致為線性遞減。

2）隨著盲管截面積的增大真空壓力損失減小，但是并不是盲管截面積越大真空壓力損失越小，當(dāng)盲管截面積由19.6 cm2變?yōu)?9.2 cm2時，真空壓力損失減小比較明顯，約為12.7%，當(dāng)盲管截面積由39.2 cm2變?yōu)?8.8 cm2時，真空壓力損失減小不明顯，約為2.3%。

3）盲管截面積的改變對于濾管中真空壓力的損失影響不大，真空壓力在濾管中的壓力損失基本上為0.08 kPa/m。真空壓力在濾管中，距真空源（盲點）相同距離下，向壓膜溝方向真空壓力損失比向區(qū)中心方向真空壓力損失大。向壓膜溝方向濾管中真空壓力損失基本為0.15 kPa/m。

4）根據(jù)對試驗結(jié)果以及規(guī)范的分析，在采用水氣分離式真空預(yù)壓處理軟土地基時，水氣分離罐距加固區(qū)邊緣的距離不宜大于55 m，以100 m×200 m的加固區(qū)為例，宜布置4個水氣分離罐，才能保證末端壓力能夠滿足規(guī)范的要求。盲點在加固區(qū)內(nèi)宜采用均布的方式，以確保真空壓力分布均勻。