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研究生： 莊竣傑
chuang, Chun-chieh
論文名稱： 地工合成物之水庫淤泥脫水實驗與分析
Experiments and Analyses on the behavior of Geosynthetic Dewatering System against Reservior Sediments
指導教授： 黃景川
Huang, Ching-chuan
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 114
中文關鍵詞： 脫水試驗 、水庫淤泥
外文關鍵詞： reservior sediments, dewatering system
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    • 水庫清淤目前最大的問題在於大量之水庫淤泥無處堆置，地工沙腸
    管(袋)工法是能使淤泥再生利用的方法之一，所以模擬地工沙腸管脫水行為進行脫水行為的觀察，使更了解現地沙腸管工法脫水機制，並觀察影響此行為的變數(地工合成材、土樣、懸浮液濃度與懸浮液初始高度)，並討論上述變數對脫水行為的關聯性，使更了解這綠色環保工法，讓地球能永續發展。
    此研究針對兩種織布與兩種不織布，利用變水頭脫水試驗儀器進行
    白河水庫淤泥土樣與石門水庫淤泥土樣之懸浮液淤泥並改變懸浮液濃度與初始高度進行脫水實驗，此實驗探討透水率、流量、Filter cake 物理性質與上述條件之關係，並提出流量上下界預測理論。
    此研究成果以下列三點簡介:
    1. 顆粒愈粗的土樣(白河)初期系統透水率偏大；顆粒較細的土樣(石門)初期透水率偏小。顆粒排出比與地工合成物透水率大小呈正比趨勢。因此地工合成物種類對初期四分鐘內顆粒排出量、與水排
    出量影響甚鉅，而四分鐘之後就完全由土樣種類來控制。初始懸浮液高度的不同與初期系統透水率關係呈反比趨勢。懸浮液濃度
    與整體系統透水率呈現正比的趨勢。
    2. 對於不同地工合成材、土樣、懸浮液濃度與懸浮液初始高度條件
    下，將所形成的Filter cake 進行基本物理分析，發現Filter cake
    孔隙比會隨著Filter cake 厚度而減少，將孔隙比與Filter cake有效應力關係圖來分析，結果得知壓縮指數 (Cc) 為0.37 至1.1之間，底部孔隙比(e)介於0.8 至1.7 之間，其中白河淤泥與織布Cc=0.66、白河淤泥與不織布Cc=0.55、石門淤泥與不織布Cc=0.53、石門淤泥與織布當σ’≦0.44 KN/m2 時Cc=0.37、當σ’＞0.44 KN/m2 時Cc=1.1，接近低塑性正常壓密中等靈敏性黏土的性質。
    3. 由孔隙比(e)與Filter cake 高度(Hs)關係圖能有效的預測出理論高度。而D6 與D10 能對Filter cake 穩定時間訂出合理的時間預測。而通常在時間小於100 分鐘內，預測的流率與流量通常都低估，是由於在土壤透水率(Ψsoil)與Filter cake 高度(Hs)在H0﹤100mm 情況下，簡化分析為一水平線，所以預測值在此區間會趨於較為保守。

    A theoretical model for predicting effluent ratios (qt) and total effluents (Qt)in geosynthetic dewatering systems is established based on a series of falling head dewatering column tests using a silt-water mixture and four types of woven geotextiles reported by Huang and Luo (2007). Key elements of this model include :
    (1) Permeability of the geotextile dewatering system is dictated by the hydraulic properties of soil cake deposited at the upstream of the geotextile,the influence of original permeability of the geotextiles to the permeability of geotextile dewatering systems is relatively small.
    (2) Permittivity of the soil cake decreases non-linearly with the increase of the height of soil cake.
    (3) The time for attaining final soil cake heights can be determined based on the descending of the particles, D6 and D10, to the level of final cake heights calculated based on the total volume of the suspended particles and the void ratio vs. cake heights relationship obtained in the tests. It is found that the experimental values of qt and Qt fell between the lower and upper bounds calculated using the proposed model for a major part of the test condition examined. For the test using a relatively small initial water height, Ho (=100 mm), the proposed model provided satisfactory values of qt, while provided under-estimated values of Qt due partially to the assumption on the permeability of the soil cake at early stage of cake formation, and also due partially to the relatively large error associated with the test with a relatively small initial water height.

    目錄 摘要 1 ABSTRACT 3 誌謝 4 目錄 6 圖目錄 9 表目錄 13 第一章 緒論 13 1-1 前言 14 1-2 研究目的 14 1-3 研究內容 15 第二章 文獻回顧 17 2-1 地工織物用於過濾之相關研究 17 2-1-1 地工沙腸管 17 2-1-2 攔砂網 17 2-1-3 地工織物過濾機制 18 2-1-4 常用之地工織物檢測法 20 2-2 薄膜過濾相關理論 21 2-2-1 簡介薄膜過濾及其透水率衰減原因 21 2-2-2 正交過濾(dead end filtration)與掃流過濾(cross-flow filtration) 24 第三章 實驗材料與設備簡介 32 3-1 實驗土樣的選定 32 3-2 實驗地工合成物的選用 33 3-3 實驗儀器描述 33 第四章 研究方法及實驗說明 44 4-1變水頭脫水實驗 (Falling Head Dewatering Test) 44 4-2 Filter cake 厚度量測 45 4-3 Filter cake 基本性質量測 45 4-4實驗後織布的滲透率量測 46 4-5預測模式發展流程簡介 46 第五章 結果與分析 58 5-1變水頭試驗基本結果 58 5-1-1 變水頭試驗之累積流量結果 58 5-1-2 變水頭試驗之流率結果 59 5-1-3 變水頭試驗之系統透水率結果 60 5-1-4 變水頭試驗之顆粒渗出比(Piping ratio)結果 61 5-2變水頭試驗Filter cake結構分析 62 5-3 不同土樣、地工合成物、初始高度、濃度對系統透水率的影響結果 63 5-3-1不同土樣對系統透水率的影響結果 63 5-3-2不同地工合成物對系統透水率的影響結果 63 5-3-3不同初始高度對系統透水率的影響結果 64 5-3-4不同濃度對系統透水率的影響結果 64 5-4 預測地工沙腸管底部脫水行為流率上下界與預測Filter cake穩定時間上下界模型結果 65 第六章 結論與建議 109 6-1 結論 109 6-2 建議與後續研究 110 參考文獻 112 圖目錄 圖 2-1 橋式架空結構（Bridge Network Formation）(Mlynarek et al.,1991) 26 圖 2-2 圓拱架空結構（Vault Network Formation）(Mlynarek et.al.,1991) 26 圖 2-3 土壤-織物系統之長期滲透試驗行為(Rollin et al.,1985) 27 圖 2-4 阻塞機制圖(Rollin et al.,1988) 28 圖 2-5 堵塞機制圖(Rollin et al.,1988) 28 圖 2-6 遮蔽機制圖(Rollin et al., 1988) 29 圖 2-7濃度極化層及濃度梯度示意圖(Chiang and Cheryan,1987) 29 圖 2-8正交過濾與掃流過濾之之示意圖(Cheryan ,1998) 30 圖3-1 白河與石門之粒徑分佈曲線 35 圖3-2 織布- A，初始透水率= 0.0596 (1/s) 36 圖3-3 織布- D，初始透水率= 2.12 (1/s) 36 圖3-4 不織布- B，初始透水率= 0.98 (1/s) 37 圖3-5 不織布- C，初始透水率= 0.82 (1/s) 37 圖3-6 底部滲出模擬儀器(1) 38 圖3-7 底部滲出模擬儀器(2) 39 圖3-8 不鏽鋼底部尺寸一覽 40 圖3-9 薄管取樣儀器尺寸圖 40 圖4-1 織布安裝於底部示意圖 50 圖4-2 淤泥在儀器中自然沉降的情況紀錄示意圖 (石門土樣，不織布- B，初始實驗高度 = 1000 mm，初始含水量 = 500 %) 51 圖4-3 Cake量測示意圖 (石門土樣，不織布- B，初始實驗高度 = 1000 mm，初始含水量 = 500 %) 52 圖4-4 薄管示意圖(體積為70.77 cm3) 52 圖4-5 不織布上淤泥示意圖 53 圖4-6 受污染後不織布透水試驗示意圖 53 圖4-7 Filter cake高度與孔隙比關係圖 (Huang and Luo , 2007) 54 圖4-8 Filter cake高度與時間關係圖 54 圖4-9 Filter cake高度與系統透水率關係圖 (Huang and Luo , 2007) 55 圖4-10 預測流率上下界與時間關係圖 55 圖4-11 預測累計總流量上下界與時間關係圖 56 圖5-1織布A、D, H0=100 mm白河、石門土樣 Qt vs. Time關係 68 圖5-2不織布B、C, H0=100 mm白河、石門土樣Qt vs. Time關係 68 圖5-3織布A、D, H0=300 mm白河、石門土樣Qt vs. Time關係 69 圖5-4不織布B、C, H0=300 mm白河、石門土樣Qt vs. Time關係 69 圖5-5織布A、D, H0=500 mm白河、石門土樣Qt vs. Time關係 70 圖5-6不織布B、C, H0=500 mm白河、石門土樣Qt vs. Time關係 70 圖5-7織布A、D, H0=1000 mm白河、石門土樣Qt vs. Time關係 71 圖5-8不織布B、C, H0=1000 mm白河、石門土樣Qt vs. Time關係 71 圖5-9織布A、D, H0=100 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 72 圖5-10不織布B、C, H0=100 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 72 圖5-11織布A、D, H0=300 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 73 圖5-12不織布B、C, H0=300 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 73 圖5-13織布A、D, H0=500 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 74 圖5-14不織布B、C, H0=500 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 74 圖5-15織布A、D, H0=1000 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 75 圖5-16不織布B、C, H0=1000 mm白河、石門土樣qt vs. Time關係 75 圖5-17織布A、D, H0=100 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 76 圖5-18不織布B、C, H0=100 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 76 圖5-19織布A、D, H0=300 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 77 圖5-20不織布B、C, H0=300 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 77 圖5-21織布A、D, H0=500 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 78 圖5-22不織布B、C, H0=500 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 79 圖5-23織布A、D, H0=1000 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 79 圖5-24不織布B、C, H0=1000 mm白河、石門土樣Ψt vs. Time關係 80 圖5-25織布A、D, 白河土樣Ψsystem vs. Hs關係 80 圖5-26織布A、D, 石門土樣Ψsystem vs. Hs關係 81 圖5-27不織布B、C, 白河、石門土樣Ψsystem vs. Hs關係 81 圖5-28織布A、D, H0=1000 mm, 白河土樣Piping ratio vs. Time關係 82 圖5-29不織布B、C, H0=1000 mm, 白河土樣Piping ratio vs. Time關係 82 圖5-30織布A、D, H0=1000 mm, 石門土樣Piping ratio vs. Time關係 83 圖5-31不織布B、C, H0=1000 mm, 石門土樣Piping ratio vs. Time關係 83 圖5-32織布A, 白河、石門土樣Accumulated piping ratio vs. Intitial water height關係 84 圖5-33不織布B, 白河、石門土樣Accumulated piping ratio vs. Intitial water height關係 84 圖5-34不織布C, 白河、石門土樣Accumulated piping ratio vs. Intitial water height關係 85 圖5-35織布D, 白河、石門土樣Accumulated piping ratio vs. Intitial water height關係 85 圖5-36織布A、D, 白河、石門土樣Void ratio vs. Cake height關係 86 圖5-37不織布B、C, 白河、石門土樣Void ratio vs. Cake height關係 86 圖5-38織布A、D, 白河、石門土樣Void ratio vs. σ’關係 87 圖5-39不織布B、C, 白河、石門土樣Void ratio vs. σ’關係 87 圖5-40織布A、D, 不織布B、C , 白河土樣Ψsystem vs. Time關係 88 圖5-42織布D, 白河土樣,在各初始高度下Ψsystem vs. Time關係 89 圖5-43織布D, 石門土樣,在各初始高度下Ψsystem vs. Time關係 89 圖5-44織布A、不織布B, 白河土樣,在含水量變化狀況下qt vs. Time關係 90 圖5-45織布A、不織布B, 白河土樣,在含水量變化狀況下Ψsystem vs. Time關係 90 圖5-46織布A、B、C、D, 白河土樣 Ψsystem vs. Cake height所繪的上下界 91 圖5-47 Ψsystem與Ψsoil在 Ψ vs. Cake height 關係 91 圖5-48在H0=500mm, 理論預測Filter cake高度與D6、Ｄ10在Ｈs vs. Time關係 92 圖5-49在H0=300mm, 理論預測Filter cake高度與D6、Ｄ10在Ｈs vs. Time關係 92 圖5-50在H0=100mm, 理論預測Filter cake高度與D6、Ｄ10在Ｈs vs. Time關係 93 圖5-51織布Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ,H0=500mm, 理論預測時間與實驗時間關係 93 圖5-52織布Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ,H0=300mm, 理論預測時間與實驗時間關係 94 圖5-53織布Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ,H0=100mm, 理論預測時間與實驗時間關係 94 圖5-54在Ｈ0=500 mm, 理論預測上下界與實驗值qt vs. Time 關係 95 圖5-55在Ｈ0=300 mm, 理論預測上下界與實驗值qt vs. Time 關係 95 圖5-56在Ｈ0=100 mm, 理論預測上下界與實驗值qt vs. Time 關係 96 圖5-57在Ｈ0=500 mm, 理論預測上下界與實驗值Qt vs. Time 關係 96 圖5-58在Ｈ0=300 mm, 理論預測上下界與實驗值Qt vs. Time 關係 97 圖5-59在Ｈ0=100 mm, 理論預測上下界與實驗值Qt vs. Time 關係 97 表目錄 表2-1常用地工織物檢測法 (謝啟萬，1999) 31 表3-2織布A、D基本性質(Huang and Luo ,2007) 42 表3-3不織布B、Ｃ基本性質 43 表4-1 K值的選定 (ASTM-D422-63,2002) 57 圖5-3織布A、D, H0=300 mm白河、石門土樣Qt vs. Tim 69 表5-1 白河土樣下織布A、D行為 98 表5-2 石門土樣下織布A、D行為 99 表5-3 白河土樣下Filter cake行為 100 表5-4 石門土樣下Filter cake行為 101 表5-5 白河土樣下不織布B、C行為 102 表5-6 石門土樣下不織布B、C行為 103 表5-7 白河土樣下Filter cake行為 104 表5-8 石門土樣下Filter cake行為 105 表5-9 白河土樣理論預測時間與實驗時間結果 106 表5-10 系統透水率與土樣透水率比較結果 107 表5-11估計黏土壓縮指數的經驗公式(Terzaghi and Peck, 1967 ) 108 表5-12壓縮指數Cc值的典型值(Azzouz、Kyizek and Corotis, 1976 ) 108

    參考文獻
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    下載圖示
    2007-08-27公開
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