波浪作用下管袋壩袋間接縫沖刷試驗裝置及方法

郝雪航 束一鳴 蔚成亮 滿曉磊 周天娥 楊 帆

（河海大學 水利水電學院，南京 210098）

充填管袋筑堤技術始于20世紀五、六十年代，現在已經成為圍海造陸工程、海岸防護工程中所采用的一種十分重要的建筑措施.管袋壩的施工工藝一般是先在水下充填兩側的大型土工管袋形成圍堰，待圍堰高程達到水面以上后，在兩側圍堰中間吹填砂土形成擋水堤壩，典型斷面如圖1所示.管袋堤壩一般較長，最長達幾十公里，在堤軸線方向上是由眾多管袋搭接而成，搭接處會形成如圖2所示的接縫管路.在壩芯吹填砂土施工時，管袋外側尚未進行防護，壩內外水流會沿著接縫管路流動，壩芯的充填砂可能會在滲流力作用下沿接縫管路流失.此外，當壩體充填到達設計高程后，雖然外側壩坡用土工織物進行防護，但在波浪和復雜水流作用下，深水中的土工織物搭接很難精確定位，常常出現管袋壩體局部裸露在水下.所以，在管袋壩施工期和運行期，接縫管路會成為壩芯砂體天然的滲漏通道，壩芯及接縫管路中充填砂的細顆粒會不斷流失而發生滲透破壞，這給壩體結構帶來了很大的安全隱患.

由于國外的管袋所用編織物強度較高，單個管袋尺寸可以較大，管袋搭接形成的接縫也較少，接縫問題在國外并不突出，因此國外學者對管袋壩研究多集中于力學特性、管袋的材料滲透特性、壩體的穩定性等問題［1－3］.在國內，通過現場試驗、模型試驗等對管袋壩在不同波浪、水流條件下是否穩定展開了深入研究［4－7］，并針對管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷滲透問題，完成了單向水流作用下壩芯砂體沿管袋之間接縫發生滲透破壞的試驗［8］.考慮到管袋壩多位于河口海岸地區，此處的水流比單向流要復雜的多，尤其在比較危險且常見的波浪作用下，管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷滲透問題會更加突出，因此很有必要對波浪作用下管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷問題進行深入地研究.

圖1 管袋堤壩典型斷面

圖2 袋間接縫

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置原理

由于管袋壩袋間接縫的存在，其壩芯內吹填砂在不同周期、能量波浪作用下，容易沿袋間接縫流至壩外.因此，在借鑒其他滲透破壞試驗裝置及方法的基礎上［9］，根據壩體實際施工情況將問題簡化為圖3所示的試驗裝置，管路用于模擬袋間接縫，砂箱用于模擬壩芯砂體，波浪發生器用于模擬波浪作用.本文主要研究壩體在波浪作用的工況，探究在波浪作用下管袋壩芯砂體沿袋間接縫發生沖刷失穩的現象，以期為工程實際提供有意義的參考.

圖3 裝置原理簡化示意圖

1.2 試驗裝置組成

模型裝置組成部分包括：波浪發生器、管路、砂箱、信息采集設備等.裝置主體材料使用有機玻璃，便于觀測砂顆粒動態.裝置實物圖如圖4所示.

圖4 試驗裝置實物圖

1）波浪發生器

波浪發生器用于模擬波浪作用，一般對波浪作用研究多集中在波浪破碎前對泥沙的作用分析或者波浪作用對建筑物波浪力研究，為去除反射波產生的影響，多設置消波裝置.本試驗主要研究波浪破碎后通過管袋壩袋間接縫作用于壩芯砂體，波浪能量大幅度減小，從實際出發也無需消波.鑒于本試驗特殊性在借鑒前人造波方法（推波及壓波）的前提下，提出了新型壓波裝置，該裝置適用模擬較小能量無需消波的波浪作用.如圖5所示.考慮到不規則波浪較為復雜，實驗室模擬分析難度比較大，故實際工作中常常采用規則波進行近似模擬試驗.

圖5 波浪發生器

該裝置主要組成部分包括水箱、可調節閥門、消防水管、電機、變速器、壓水板等.可調節閥門用于調控進入管路的水流能量；消防水管用于儲存造波水體；電機用于提供偏心旋轉盤旋轉動力；變速器用于調節頻率，模擬不同周期波浪.電動機帶動偏心輪發生旋轉，于是帶動壓水板上下運動，使水流發生往復運動，以模擬不同周期、不同能量波浪作用.該作用器所造波形如圖6所示.

圖6 波形圖

2）管路

管路用于模擬袋間接縫，在實際的工程當中管袋壩袋間形成的接縫長至10多m，短至兩三m，直徑大約為5cm，并且管路的形狀各不相同.基于偏安全的考慮以及為了方便量測，管路凈尺寸設計為200cm×5cm×5cm（長×寬×高），如圖7所示.管路頂部蓋板可以進行拆卸，管路和蓋板組合安裝時利用橡膠墊片進行止水，并用夾子進行固定，管路一側連接集砂箱，一側連接砂箱.當砂粒在管路中運動移至集砂箱內時，可以起到采集、取樣的作用.壓力傳感器通過側壁的接入點與管路相連以便于收集數據.

圖7 管路

3）砂箱

砂箱用于模擬壩芯砂體，如圖8所示，分為裝砂室和浸潤室兩個部分.裝砂室和浸潤室之間用一塊多孔、均勻的固定有機玻璃板分開，并將同等尺寸的無紡布貼附于過流板上.當浸潤室加滿水時，既可以使水流均勻的透過，又可以阻止砂粒流入浸潤室.裝砂室的尺寸為30cm×30cm×60cm（長×寬×高）；浸潤室尺寸為30cm×15cm×30cm（長×寬×高）.

圖8 砂箱

4）數據、圖像采集設備

采集的數據主要包括水流流速、水壓力等.采集水壓力實時動態數據主要是利用管路側壁安裝的傳感器（如圖9所示），先經采集卡（如圖10所示）進行數據轉換，再傳至電腦自動保存.試驗時壓力傳感器一般布置6～8個，管路上間斷布置4～5個，砂箱布置2～3個.由于超聲波在水中進行傳播時，傳播的時間會因水流流動發生變化，且變化率和水流流速為正比關系.根據此原理水流流速使用超聲波流量計來進行測量，如圖11所示.圖像采集是通過使用攝像機、照相機、秒表等記錄整個顆粒運動及沖刷滲透發生過程，可為后期數據分析提供影像資料.

圖9 壓力傳感器

圖10 采集卡

圖11 超聲波流量計

2 試驗材料

管袋壩充填砂土及壩芯吹填砂土一般多采用粉細砂，抗滲透變形能力較弱.如圖12所示，江蘇沿海大規模圍墾條子泥（Ⅰ期）工程施工三標管袋充填土顆粒級配檢測結果，顆粒粒徑主要在0.08～0.27mm之間.

圖12 充填土顆粒級配曲線

試驗砂樣采用密度為2 764kg／m3的天然石英砂體.無染色的砂體最細的粒徑小于0.075mm，經染色工序的有色砂體粒徑最細可達0.125mm.本文試驗所配備可以篩選的標準砂樣粒徑從大到小為：～2.00 mm；2.00～0.850mm；0.850～0.425mm；0.425～0.180mm；0.180～0.125mm；0.125～0.075mm；0.075mm～.本文各組試驗砂樣相關參數見表1.可供選擇的顏色有紅色、紫色、藍色、橘黃色、綠色、白色、黑色，如圖13所示.

表1 砂樣參數表

續表1 砂樣參數表

圖13 彩色試驗砂樣

3 試驗過程

3.1 前期準備

1）裝置組合.首先在管路內及砂箱內側壁粘貼紗網，由于紗網與國產編制布的糙率相當，可用來模擬實際邊界.然后把集砂箱、管路、砂箱等各部分依次組裝，用橡膠墊片進行密封止水，組裝好后通過水箱將管路內注滿水，測試是否存在漏水現象，水壓力傳感器用橡膠軟管與管路側壁接口連接，并進行校正.

2）試驗樣品制備.根據每組不同試驗目的以及試驗工況，設定級配，依據顆粒粒徑質量分布與顏色分布混合并攪拌均勻，配制出所需樣品.

3）試驗樣品填裝.采取分層填裝、逐層壓實的方式，來確保均勻的填裝式樣，達到預設的孔隙率.根據砂樣可保持穩定的天然坡角以及實際工程情況，在砂箱與管路接口處砂體裝填成約38°的傾角.

4）加水浸潤.通過波浪發生器一側管口和浸潤室向裝置系統內注水，為減少砂顆粒的擾動，注水速度盡可能緩慢，并保持兩側水位大致相同.浸泡時間保持在12h以上，以確保砂樣浸泡飽和.觀測壓力傳感器保持穩定狀態時，使波浪發生器開始工作，進行試驗.

3.2 試驗實施

1）施加波浪作用.調節周期和閥門開度設置預定波浪作用，觀察管路內顆粒的移動情況，并維持該波浪作用，如果顆粒運移較慢，則波浪發生器需持續工作至少3h.

2）采集數據.采用壓力傳感器監測管路和砂箱各部位實時壓力變化，通過超聲波流量計自動采集存儲流量、流速、時間等數據.

3）影像采集.試驗開始時同時打開攝像機，用以記錄特征部位如頂面及側面顆粒移動情況，并用照相機在試驗過程中實時拍攝圖片.

3.3 試驗后處理

1）試驗結束后，使用環刀等對裝置系統內特征部位砂體進行取樣，進行顆粒分析與孔隙率的測定，用以分析砂粒體在管路及砂箱中的分布情況.

2）量測管路砂堆長度，整理試驗過程中采集的數據，包括流速、水壓力數據等，進行定性和定量分析.

3）調取影像資料，仔細觀察試驗過程中發生的試驗現象，分析各顆粒的移動特點和分布特點.

4 試驗裝置及方法的有效性驗證

利用本試驗裝置，展開了一系列的預試驗.以其中一個預試驗為例，如圖14所示，試驗條件為周期8 s，水面高于底面3.5cm，細顆粒組.3分57秒時管路中水體處于靜止的初始狀態，如圖14（a）所示，4分00秒時管路內狀態如圖14（b）所示，模擬波浪作用產生后的來水階段，管路中水面上升，在管路砂堆的坡面上形成上爬水流.在此階段，砂顆粒沒有發生較大的運動.當水流上爬一定高度后進入回水階段，該階段中水流回落水面下降，回落水流攜帶砂堆前端斜坡上松散砂顆粒快速向前運動，使管路水流呈現出渾濁狀態，如圖14（c）所示.該試驗現象表明在一定的周期、波浪能量作用下，壩芯砂顆粒會由袋間接縫被帶出壩外，與實際工程情況基本相符.因此，該裝置及方法對研究波浪作用下管袋壩袋間接縫的沖刷作用具有有效性.

圖14 管路內沖刷現象

5 結 論

根據實際工程中管袋壩袋間接縫沖刷過程研究的需要，概化出一套試驗裝置，并提出了相關試驗方法.該裝置及方法可以模擬在不同周期、能量波浪作用下，管袋壩芯砂體流入管袋壩袋間接縫，并沿袋間接縫流失，直至管袋壩壩體發生結構失穩的過程.本文主要是對管袋壩袋間接縫在波浪作用下的沖刷破壞試驗裝置與方法進行了說明，也可以為管袋壩在潮汐往復水流作用、往復水流與波浪水流耦合作用等其他工況下的穩定性研究提供有益參考.

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