非穩定水頭下細砂中水壓力傳遞特性研究

夏兵兵 車友明 陳亮

【摘要】實際工程中可發現滲流場中，水壓力的變化存在有遲滯性，此過程主要與含水層性質及水頭變化等因素有關。含水層土體孔隙壁可認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，此過程為非穩定滲流問題。目前對于滲流的分析大多基于穩定水頭條件下，然而實際工況下非穩定水頭下水體運動特性更具有實際研究意義，土體的非穩定滲流特性復雜性。本論文將對非穩定水頭條件下細砂中水體滲流特性進行研究分析。

【關鍵詞】滲流；非穩定水頭；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，即目前得到廣泛應用的達西定律，線性傳遞方程，認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進行水體滲透性試驗研究，依據滲透阻尼理論[2-6]，介質內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，土石壩占據很大份額[7]。滲流在引起土壩垮壩各要素中起主導影響，據國內外土壩失事的140例統計分析，其45%事故由于滲流問題而導致的。

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

1 、實驗設計

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場某水庫滲壓計的布置，室內模型局限性，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據變化。

1.2 實驗土樣

實驗土樣裝填參數如表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律，采用自制試驗水槽與數據采集儀，分組填裝無粘性土樣。分為四次重復試驗數據對比。

具體操作步驟如下：

1）、填裝土樣：水槽內壁涂凡士林，防止滲流側壁形成優勢流，按預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置在固定位置。模擬非穩定滲流過程，固定上游水頭，先采集數據至20s左右，后勻速拉升水頭，待拉升合適高度固定水頭，此階段為非穩定滲流，同時采集整個過程的水壓力數據。提升速度：慢速及快速兩種；

3）、非穩定滲流（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，采集數據至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、 實驗數據分析

試驗完畢數據分析發現細砂組過程，相較于前期細礫土樣，細砂層中水壓力傳遞存在明顯的滯后性現象。具體數據描述如下：

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 、結論

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

結合現場土樣數據進行多類別實驗，使研究成果具有普遍參考意義。

參考文獻：

[1] 盧廷浩. 土力學[M]. 高等教育出版社， 2010.

[2] 多孔介質流體動力學[M]. 北京：中國建筑工業出版社， 1983.

[3] 多孔介質中的滲流物理[M]. 北京：石油工業出版社， 1984.

[4] Synthesis and model of formation water flow in the Alberta Basin[J].

[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. 滲流計算原理及應用[M]. 北京：中國建材工業出版社， 2000.