非穩(wěn)定水頭下細(xì)砂中水壓力傳遞特性研究

夏兵兵 車友明 陳亮

【摘要】實際工程中可發(fā)現(xiàn)滲流場中，水壓力的變化存在有遲滯性，此過程主要與含水層性質(zhì)及水頭變化等因素有關(guān)。含水層土體孔隙壁可認(rèn)為是流體運動時的阻礙，由于其對水體運動的阻礙作用，水體在土層中的運動存在變化，此過程為非穩(wěn)定滲流問題。目前對于滲流的分析大多基于穩(wěn)定水頭條件下，然而實際工況下非穩(wěn)定水頭下水體運動特性更具有實際研究意義，土體的非穩(wěn)定滲流特性復(fù)雜性。本論文將對非穩(wěn)定水頭條件下細(xì)砂中水體滲流特性進行研究分析。

【關(guān)鍵詞】滲流；非穩(wěn)定水頭；遲滯性

1856年，法國工程師達西[1]在通過試驗研究提出線性滲流理論，即目前得到廣泛應(yīng)用的達西定律，線性傳遞方程，認(rèn)定水壓力變化在含水層中是以極大速度傳遞的，即其同一時間傳遞到滲流場各點。本論文將含水層類比成多孔介質(zhì)進行水體滲透性試驗研究，依據(jù)滲透阻尼理論[2-6]，介質(zhì)內(nèi)孔隙壁在流體運動時起到阻礙影響。特別對于土石壩，滲流問題分析顯得尤為重要。國內(nèi)外土石壩占份額62%以上，高大于230m的16座大壩中，有9座位于我國[7]，己建成的八萬多座大壩中，土石壩占據(jù)很大份額[7]。滲流在引起土壩垮壩各要素中起主導(dǎo)影響，據(jù)國內(nèi)外土壩失事的140例統(tǒng)計分析，其45%事故由于滲流問題而導(dǎo)致的。

通過室內(nèi)模型槽模擬承壓含水層，水槽填裝細(xì)砂（模擬土石壩），對上游非穩(wěn)定水頭作用下細(xì)砂中水壓力傳遞規(guī)律進行試驗研究及分析。

1 、實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

試驗槽尺寸180×10×18.5（cm）。試驗槽表間隔22cm置8個水壓力傳感器，在槽首尾部設(shè)置入/出水艙室，入水艙室注水，下游控制水頭及出水。

實驗水槽填裝土樣艙室長180cm，寬10cm，高18.5cm，傳感器間距22cm，上游水頭入水口與第一個傳感器距離為22cm。傳感器在試驗水槽布置點參考現(xiàn)場某水庫滲壓計的布置，室內(nèi)模型局限性，增加若干布置點，測點越多則越能反映土層整體的水壓力數(shù)據(jù)變化。

1.2 實驗土樣

實驗土樣裝填參數(shù)如表1所示。

1.3 實驗流程

對比分析不同粒徑無粘性土層水體滲流過程中運動規(guī)律，采用自制試驗水槽與數(shù)據(jù)采集儀，分組填裝無粘性土樣。分為四次重復(fù)試驗數(shù)據(jù)對比。

具體操作步驟如下：

1）、填裝土樣：水槽內(nèi)壁涂凡士林，防止?jié)B流側(cè)壁形成優(yōu)勢流，按預(yù)定的密實度分層填裝土樣、蓋板，四周螺絲和玻璃膠密封；槽中加水，使土樣飽和；

2）、非穩(wěn)定滲流（水頭提升）試驗：采逐級/躍變提升方式試驗，槽尾部水位控制口設(shè)置在固定位置。模擬非穩(wěn)定滲流過程，固定上游水頭，先采集數(shù)據(jù)至20s左右，后勻速拉升水頭，待拉升合適高度固定水頭，此階段為非穩(wěn)定滲流，同時采集整個過程的水壓力數(shù)據(jù)。提升速度：慢速及快速兩種；

3）、非穩(wěn)定滲流（水頭下降）試驗：降水頭試驗可看成是升水頭試驗的逆過程。試驗方法同上，固定上游水頭，采集數(shù)據(jù)至20s左右，勻速降低水頭，合適固定水頭，注意采集完整變化過程。水頭箱下降速度：慢速及快速兩種。

2、 實驗數(shù)據(jù)分析

試驗完畢數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)細(xì)砂組過程，相較于前期細(xì)礫土樣，細(xì)砂層中水壓力傳遞存在明顯的滯后性現(xiàn)象。具體數(shù)據(jù)描述如下：

1）水力梯度變化范圍0.42～0.58

圖1直觀得出測點1至點8水頭提升，即上游水頭變化過程土層中水壓力的變化情況。可得出上游水頭變化條件下，水壓力的啟動及穩(wěn)定勻未同時啟動，存在明顯滯后時間，傳遞滯后性。圖a及圖b對比得出，上游水頭提升速度對土層中水壓力變化的影響性。上游水頭變化越快，土層中水壓力變化也越快。

2）水力梯度變化范圍0.58～0.70

圖2直觀看測點1至點8在上游水頭提升過程，即上游水頭變化的過程中土層中水壓力的變化情況。得出在上游水頭變化下，水壓力啟動以及穩(wěn)定未同時進行，存在明顯的滯后時間，水壓傳遞存在滯后性。圖3-11a及3-11b對比得出，水頭提升對土層中水壓力的影響，上游水頭變化越快，土層中水壓力變化也越快。

3 、結(jié)論

通過室內(nèi)模型實驗研究了非穩(wěn)定水頭作用下，細(xì)砂中非穩(wěn)定滲流特性，得出細(xì)砂中非穩(wěn)定滲流過程中水壓力的傳遞特性，即存在滯后現(xiàn)象，其傳遞規(guī)律與水頭變動速度、水力梯度等因素有關(guān)，同時也不能忽視啟動水力梯度因素。

結(jié)合現(xiàn)場土樣數(shù)據(jù)進行多類別實驗，使研究成果具有普遍參考意義。

參考文獻：

[1] 盧廷浩. 土力學(xué)[M]. 高等教育出版社， 2010.

[2] 多孔介質(zhì)流體動力學(xué)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 1983.

[3] 多孔介質(zhì)中的滲流物理[M]. 北京：石油工業(yè)出版社， 1984.

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[5] Slug tests in a confined aquifer： experimental results in a large soil tank and numerical modeling[J]. Canadian Geotechnical Journal.

[6] 李佩成. 試論承壓地下水彈性釋放學(xué)說及其局限性[J]. 地下水， 1984（02）： 1-7.

[7] 顧慰慈. 滲流計算原理及應(yīng)用[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社， 2000.