管袋壩芯砂體沿袋間接縫滲透試驗研究裝置及方法

蔚成亮 束一鳴 曹明杰 吳海民 任澤棟 蔣善平 滿曉磊

（河海大學水利水電工程學院，南京 210098）

隨著對近海、河口地區(qū)的保護性開發(fā)，充填管袋壩筑堤作為一種重要技術(shù)發(fā)揮了越來越大的作用.管袋壩一般是先在灘涂上（水上或水下）充填兩側(cè)的大型土工管袋形成圍堰或戧臺，待圍堰高程達到施工期潮位以上后，再在兩側(cè)戧臺中間吹填砂質(zhì)土形成擋水堤壩.與傳統(tǒng)拋石筑壩技術(shù)相比，充填管袋筑壩技術(shù)具有就地取材、造價低廉、施工工藝簡單、施工速度快、對軟基的適應能力較強、施工基本不受潮位和降雨影響等優(yōu)點［1］.

國內(nèi)外學者的研究主要是集中在管袋壩壩體穩(wěn)定性、管袋材料的滲透和脫水特性、尺寸設(shè)計、充填工藝和管袋后期變形等特性的研究［1－11］.鑒于國外土工管袋大多選用高強土工織物制作，管袋可以做得很長，管袋搭接較少，管袋壩體接縫滲透穩(wěn)定性并不突出，所以至今尚無相關(guān)研究成果.而在國內(nèi)，由于管袋多選用強度較低的裂膜絲編織土工織物，受材料強度限制，管袋長度一般較短、高度小、層數(shù)較多，所以堆成的壩體會沿著壩軸線方向形成很多袋間接縫，如圖1所示，而國內(nèi)針對這種充填管袋壩袋間接縫滲透穩(wěn)定性的研究尚未見報道.

圖1 管袋壩袋間接縫實物圖

如圖2所示，在壩芯吹填砂質(zhì)土施工時，充填管袋處于外側(cè)尚未進行防護或者織物反濾鋪設(shè)存在間隙的狀態(tài)，在壩內(nèi)外水位差作用下水流會沿著接縫流動，壩芯的充填砂質(zhì)土可能會在滲流力作用下沿接縫流失而發(fā)生滲透破壞，這給壩體結(jié)構(gòu)帶來了很大的安全隱患.目前尚無針對管袋壩袋間接縫滲透破壞方面的研究，也沒有相關(guān)規(guī)范可以參考，為了探索管袋壩芯砂體沿袋間接縫在單向水流作用下滲透破壞情況，本文在借鑒其他研究領(lǐng)域滲透破壞試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套有針對性的試驗裝置與試驗方法［12－13］.

圖2 管袋壩橫截面圖

1 試驗裝置

1.1 裝置設(shè)計原理

管袋壩芯砂體沿袋間接縫滲透破壞問題表現(xiàn)為：壩芯吹填砂在上下游水位差形成的單向水流作用下，通過袋間接縫被水流帶至壩外.因此，根據(jù)管袋壩充填施工工程實際情況將該問題簡化成如圖3所示的試驗模型，砂箱模擬管袋壩袋間接縫口附近的吹填砂，管路模擬袋間接縫，管袋與袋內(nèi)固結(jié)土組成的系統(tǒng)滲透性能相對管路要小的多，模型不考慮該系統(tǒng)可能存在的滲流.由于管袋壩實際工程水流條件非常復雜，既存在單向水流作用，同時也存在潮汐引起的往復水流以及壩外的波浪作用，本文主要針對壩體兩側(cè)存在水位差形成單向水流作用的工況進行研究，探索管袋壩芯砂體沿袋間接縫的滲透問題，以期為后續(xù)其他工況研究作指導.

圖3 試驗裝置簡化示意圖

1.2 裝置組成

試驗裝置組成部分主要包括：砂箱、管路、集砂箱、控制水箱、加載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖像采集設(shè)備等.為了能夠觀察裝置內(nèi)部變化，裝置主體部分采用有機玻璃制成.試驗裝置示意圖如圖4所示.

圖4 試驗裝置示意圖

1）砂箱

砂箱主要模擬管袋壩芯砂體，凈尺寸為450mm ×300mm×300mm（長×寬×高），分為進水室、穩(wěn)流室、裝砂室、氣囊加載室4部分，如圖5～6所示.進水室與穩(wěn)流室中間固定一塊均勻多孔過流板，使水流均勻進入裝砂室；穩(wěn)流室與裝砂室也固定一塊均勻多孔過流板隔開，并在多孔板上附上無紡布，一方面使水流均勻，另一方面防止砂粒進入穩(wěn)流室和進水室；裝砂室尺寸為300mm×300mm×300mm（長×寬×高），壓力傳感器通過銅管從砂箱內(nèi)部引至箱外，以監(jiān)測水壓力變化；裝砂室上部設(shè)置有氣囊加載室，用來模擬上覆壓重，氣囊加載室為圓形，直徑500mm，位于裝砂室正上方，兩室之間用硅膠膜隔開起到止水作用.試驗時，通過氣囊充氣反壓于下部砂體，由于氣囊以及硅膠膜均為柔性材料，使得加載后硅膠膜能緊貼砂面，保證加載的均勻性.

2）管路

管路主要模擬管袋壩袋間接縫，如圖7所示.根據(jù)施工現(xiàn)場測量，實際工程中袋間接縫短至2～3m，長至10m多，實際袋間接縫直徑在50mm左右，管路形狀各異.管路在設(shè)計時基于最小滲徑、最大管路截面最易破壞原則來模擬實際情況，且考慮到裝置的拆卸以及量測的方便，設(shè)計管路等效截面為50mm×50 mm矩形，長度為2 000mm的管路.管路頂面設(shè)置可拆卸蓋板，蓋板與管路之間放置矩形橡膠止水墊片用螺釘錨固連接，管路側(cè)壁設(shè)有水壓力傳感器接入點，一端與砂箱相連.另一端連接集砂箱，試驗中砂粒從管路運至集砂箱內(nèi)，集砂箱起到收集和取樣的作用.

圖5 砂箱實物圖

圖6 氣囊加載室

圖7 管路

3）控制水箱

控制水箱主要是通過溢流的方式獲得穩(wěn)定水頭，包括上游控制水箱1和下游控制水箱2，如圖8所示，借助滑輪提升或降低水箱所在位置，進而改變兩控制水箱的相對位置來獲得不同的水頭及水頭差.

4）加載設(shè)備

加載設(shè)備包括設(shè)有調(diào)壓閥的空壓機（如圖9所示）與加載氣囊（如圖10所示）.氣囊置于加載室內(nèi)，試驗過程中，通過空壓機向氣囊內(nèi)部充氣，同時利用調(diào)壓閥設(shè)定試驗所需壓力，使氣囊對砂箱頂部砂粒產(chǎn)生恒定荷載，模擬實際工程上覆壓力荷載.

圖8 控制水箱

圖9 空壓機

圖10 加載氣囊

5）數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集括水壓力數(shù)據(jù)采集、流量以及流速采集.水壓力數(shù)據(jù)采集主要是借助于水壓力傳感器（如圖11所示）和數(shù)據(jù)采集卡（如圖12所示）實時監(jiān)測，并自動存儲于電腦中.共設(shè)置8個水壓力傳感器，砂箱內(nèi)布置4個，管路布置4個，其具體分布見圖4.

由于滲流流量較小，采用常規(guī)流量計測量精度偏低且不便.因此，采用電子稱結(jié)合攝像頭錄像方式.試驗時將水流收集容器置于電子稱上，通過對電子稱顯示屏錄像，監(jiān)測整個流量變化過程，數(shù)據(jù)處理時直接根據(jù)錄像資料，調(diào)取需要的數(shù)據(jù)即可.電子稱精度較高，大大提高了流量計算的精度.流速測量參考同濟大學周健等研究人員所采用的方法［14］，在需要測量的斷面一側(cè)利用注射器注入有色墨水，記錄有色墨水流經(jīng)一定路徑所需時間，再減去擴散速度修正得到實際流速，并通過流量及過水斷面面積進行對比驗證.

6）圖像采集設(shè)備

為了更方便地觀察顆粒細觀動態(tài)及滲透發(fā)生發(fā)展過程，利用照相機與攝像機（如圖13所示）拍攝整個試驗過程，為后期結(jié)果分析提供視頻影像資料.

圖11 傳感器

圖12 采集卡

圖13 攝像機

1.3 邊界條件與初始條件

影響管袋壩袋間接縫充填砂滲透穩(wěn)定性的影響因素包括：充填砂沿袋間接縫長度分布、充填度和孔隙率等與管路內(nèi)的水力坡降、砂土成分、顆粒特征、管袋接縫通道的大小和形狀、管袋材料的粗糙度等，這些因素共同組成模型試驗的邊界條件與初始條件.由于這些因素復雜多變，試驗中不可能滿足所有條件的真實模擬，必須從理論和實際影響效果上進行分析，選擇切實可行的模擬方法，以確保室內(nèi)模型能夠盡量再現(xiàn)實際管袋堤壩中接縫管路中的真實狀態(tài).為模擬實際情況，滿足邊界條件的一致性，并達到便于觀察的目的，考慮采用白色紗網(wǎng)替代黑色編織布.試驗中主要考慮材料糙率模擬，因此從糙率的角度對比分析了國產(chǎn)扁平型編織布和紗網(wǎng)兩種材料（如圖14所示）的糙率系數(shù)，經(jīng)實驗分析得國產(chǎn)編織布粗糙系數(shù)均值為0.010 272，紗網(wǎng)粗糙系數(shù)平均值為0.011，二者糙率相當，故從糙率因素考慮用紗網(wǎng)近似替代國產(chǎn)編織布是合適的.

圖14 兩種材料

2 試驗方法

2.1 試驗材料

試驗所用砂樣為太行山開采加工而成的天然石英砂，密度2 764kg／m3，最細粒徑可達0.075mm以下，通過當?shù)厥⒓庸S進行研磨和染色，染色最細粒徑達到0.125mm.本試驗可供選擇的標準石英砂樣粒徑為：0.075mm以下；0.075mm～0.125mm；0. 125mm～0.180mm；0.180mm～0.425mm；0.425 mmj～0.850mm；0.850mm～2.00mm；2.00mm以上，可供選擇的顏色顆粒（便于追蹤顆粒運動狀態(tài)及分布形態(tài)）有：白色，紅色，紫色，黑色，橘黃色，藍色，綠色.共設(shè)計了3類砂樣的滲透試驗，其級配曲線如圖15所示，其特性和相關(guān)參數(shù)詳見表1.

表1 試驗各組砂樣參數(shù)

圖15 砂樣級配曲線

2.2 試驗過程

2.2.1 試驗準備

1）裝置組裝.將試驗砂箱、過水管路、集砂箱等各部分組裝，密封止水，組裝完畢加水測試，檢驗是否存在漏水，安裝水壓力傳感器并校正.

2）制樣.根據(jù)各組試驗工況及試驗目的需要，依據(jù)級配參數(shù)將各粒徑砂料及各顏色砂料混合均勻.

3）裝樣.裝樣前，借助于膠帶在砂箱側(cè)壁及管路內(nèi)粘貼紗網(wǎng)，以模擬實際邊界，并確保粘貼牢固.裝填過程按照設(shè)置孔隙率分層壓實，每層50mm，保證試樣裝填均勻性.在砂箱與管路接口處砂粒的狀態(tài)要保證每次試驗具有可比性且與實際工程情況相一致.依照砂樣的自然休止角，在砂箱出口處堆積一個38°左右的砂坡，砂坡壓實程度與砂箱內(nèi)部一致.

4）加載及浸泡.在砂樣頂部覆蓋止水硅膠膜，并將砂箱與加載室通過錨固的形式相連接，借助于空壓機給氣囊充氣，直至氣囊底面伏貼于砂樣頂部，使得氣壓均勻傳至土層表面，通過調(diào)壓閥控制氣壓.通過兩側(cè)控制水箱向砂箱及管路中緩慢注水浸泡，盡可能減小砂體擾動，將砂樣在靜水頭下浸泡飽和，浸泡過程維持12小時.當各水壓力傳感器數(shù)值一致并維持穩(wěn)定后加水壓差進行試驗.

2.2.2 試驗實施

1）施加水頭差.通過提升控制水箱位置來緩慢升高水頭，加壓過程中時刻觀察并錄制砂箱與管路接口處顆粒狀態(tài)變化情況，每次最大升高水頭不超過3 cm，提升后，至少保持該水頭靜止半小時以上，如果沒有顆粒滾出則繼續(xù)升高水頭，如果在升高過程中一旦出現(xiàn)任何細小的顆粒運動，則立即停止升高水頭，保持水頭靜止，觀察管路內(nèi)顆粒的移動情況.

2）數(shù)據(jù)采集：通過壓力傳感器實時監(jiān)測砂箱和管路內(nèi)特征部位水壓力變化情況.管路末端放置出水收集裝置并置于電子稱上，通過電子稱讀數(shù)，換算出每次滲透破壞開始至最后穩(wěn)定過程的流量累積過程曲線.試驗過程中在管路局部范圍注射有色水，通過錄像幀回放計算管路局部水流流速.

3）在流量、流速及壓力測量的同時開啟攝像機和照相機，實時記錄管路側(cè)面及頂面顆粒運移情況.2.2.3 試驗后處理

1）試驗結(jié)束后，根據(jù)各工況試驗目的，利用環(huán)刀在砂箱及管路各特征部位取樣，進行孔隙率檢測、顆分測定及滲透系數(shù)測定，分析顆粒流失運移情況及分布情況.

2）取樣過程中，通過拍照方式分析各部位彩砂的分布，分析顆粒的移動特點.

2.3 試驗研究基本目標

通過該試驗研究裝置和方法主要是為了實現(xiàn)以下研究目標：

1）探明管袋壩芯砂體沿袋間接縫在單向流作用下滲透變形過程和機理.通過對單向流作用下一系列試驗數(shù)據(jù)的整理和分析，建立宏觀水力特征變量（水力坡降、流速、滲透系數(shù)）與顆粒細觀特征變量（運移速度、級配變化、孔隙率等）之間的關(guān)系，從理論上加以推導分析，并用顆粒流細觀數(shù)值模擬技術(shù)進行驗證；試圖建立滲透破壞過程中宏、細觀變量與現(xiàn)象之間的聯(lián)系，從宏、細觀相結(jié)合的角度來揭示管袋壩接縫管路滲透變形過程和機理.

2）分析管袋壩芯砂體沿袋間接縫在單向流作用下滲透變形影響因素.單向流作用下滲透變形影響因素較多，包括充填砂沿袋間接縫長度分布、充填度和孔隙率等與過水管路內(nèi)的水力坡降、砂土成分、顆粒特征、管袋接縫通道的大小和形狀、管袋材料的粗糙度等，以控制變量的原則分析各影響因素對滲透變形及破壞的影響情況.

3）尋求管袋壩芯砂體沿袋間接縫在單向流作用下滲透破壞判別方法及標準.從宏觀定性角度分析，以砂顆粒源源不斷地從袋間接縫流出作為最終滲透破壞的標準.從細觀定量化的角度分析，根據(jù)宏觀水流特性和顆粒細觀變量之間的聯(lián)系，選取相關(guān)因素和變量建立一種管袋壩芯砂體沿袋間接縫在單向流作用下滲透破壞的判別方法及判別標準.

4）提出袋壩芯砂體沿袋間接縫在單向流作用下滲透破壞防止措施.在探明滲透變形過程和機理，分析出滲透變形影響因素后，提出有效地措施來防止?jié)B透破壞的發(fā)生.

2.4 試驗裝置及試驗方法有效性驗證

該試驗裝置及試驗方法是基于實際工程簡化而來的，其最終的目是為了通過該試驗裝置及方法來探究實際工程中存在的問題.為了說明該試驗裝置及試驗方法的有效性，本文依托于該試驗裝置，采用該試驗方法進行了一系列預試驗，并仔細觀察了試驗現(xiàn)象，采集了相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析與實際工程中的現(xiàn)象基本一致，如圖16～17所示.在兩側(cè)管袋內(nèi)外存在水頭差的情況下，實際管袋接縫中存在砂堆，接縫口附近水域有渾濁水流流出，預示著有砂顆粒從管袋壩體內(nèi)移出，并且在較大水頭差作用下，其作用效果更加明顯.因此，該試驗裝置及方法用于探究管袋壩芯砂體沿袋間接縫滲透規(guī)律是可行有效的.

圖16 模型管路砂顆粒運動狀態(tài)

圖17 實際工程砂顆粒外移現(xiàn)象

3 結(jié) 論

通過本試驗裝置和試驗方法，可以較全面反映出管袋壩芯砂體沿袋間接縫發(fā)生滲透破壞的相關(guān)問題，包括滲透變形過程及機理、滲透變形的影響因素、滲透破壞的判別方法及標準和滲透破壞防止措施等.本文主要是對管袋壩芯砂體沿袋間接縫在單向流作用下的滲透破壞試驗裝置與方法進行了說明，可為其它工況（如潮汐往復水流作用、波浪作用）下管袋壩袋間接縫滲透穩(wěn)定性的深入研究提供有益的參考.

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