管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失模型試驗

滿曉磊,束一鳴,曹明杰,蔚成亮,郝雪航,李少鵬,毛文龍

(1.滁州學院地理信息與旅游學院,安徽 滁州 239000; 2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

吹填管袋筑壩技術是以層狀堆疊的吹填管袋為圍堰,并在兩側管袋圍堰之間吹填砂質土進而形成堤壩的技術,其典型斷面如圖1所示。與傳統河、海圍堤的筑堤技術相比,該技術具有施工工藝簡單、可就地取材、工程造價低、施工速度快、對軟土地基的適應能力較好、施工受潮位和降雨影響小等優點[1-2]。

圖1 管袋壩斷面

近年來,充填管袋技術在河口蓄淡水庫的建設中發揮著越來越重要的作用。由于沿海港口城市人口數量急劇膨脹,淡水資源越來越成為制約城市發展的瓶頸。沿海地區匯入大海的大江大河擁有豐富的淡水資源,但由于受到海潮的影響,河口地區容易遭受咸潮的侵襲,影響河口地區的沿江取水,長江口、珠江口等地區受咸潮影響尤為突出。為了解決淡水資源的供需矛盾,沿海地區大城市紛紛開始建設蓄淡水庫作為城市的水源地。上海市在長江口建設了青草沙、陳行兩座蓄淡水庫,并正在規劃建設東風西沙水庫[3];長江口的太倉等城市也已建或在建多座蓄淡水庫[4];江蘇沿海開發規劃了蓄淡水庫總庫容為10.6億m3,約需大小20座水庫。由于沿海平原地區往往缺乏大量的筑壩土石料,而潮汐河口地區河床上部多為天然沉積粉砂、砂質粉土等砂土料,所以采用充填管袋筑壩技術已成為潮汐河口地區建造蓄淡水庫的首選技術。

但是,前期建成的管袋壩經過一段時間的運行,也慢慢出現各種問題,包括壩體的局部沉降問題。通過論證分析,認為局部的沉降可能是由于壩內砂顆粒沿袋間接縫流失引起的(圖2),因此管袋壩袋間接縫沖刷問題應引起重視,但目前我國關于該問題的研究幾乎空白。

圖2 袋間接縫

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,管袋壩袋間接縫滲透沖刷穩定問題并不突出,所以國外學者的研究更多地側重于管袋壩壩體穩定性、管袋后期變形和管袋材料的滲透性等問題[5-11]。

圖3 單向流工況試驗裝置

本文針對管袋壩壩芯吹填砂沿袋間接縫流失破壞開展模型試驗研究,結合管袋壩袋間接縫側壁損漏沖刷模型試驗研究[12],可為工程實踐提供參考。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 單向流工況試驗裝置及試驗方法

根據工程中管袋壩袋間接縫可能形成細小水砂通道的實際情況,設計了管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失模型試驗研究裝置如圖3所示。該裝置由砂槽、水槽、沉砂槽、控制上下游水位的進出水槽、測量設備、加載設備、照相攝像設備等組成,其中砂槽模擬管袋壩袋間接縫與壩芯交界處附近的吹填砂體,水槽模擬袋間接縫。

為了便于觀察,砂槽、水槽等均用有機玻璃制作。為了完成邊界條件的模擬,利用自行設計的簡易模型對國內外兩種常用的管袋材料糙率進行了測試,并根據謝才公式計算了糙率。測試結果表明,20目的白色紗網與國產編織布粗糙系數相當,且該紗網相對編織布更利于對試驗的觀察,因此試驗均用紗網配合有機玻璃用于編織布糙率的模擬。

試驗過程包括試驗準備、試驗實施、試驗后處理3個階段。試驗準備階段主要完成裝置組裝、配制砂樣、裝填砂樣及加載浸泡等準備工作;試驗實施階段主要進行試驗操作(水壓差的施加等)與信息采集(數據、圖像等);試驗結束后在特征部位取樣,用于進行孔隙率檢測及顆分試驗,分析顆粒的流失及分布情況。

1.2 波浪工況試驗裝置及試驗方法

為模擬波浪水流沿袋間接縫對壩芯吹填砂的沖刷過程,設計了一套試驗裝置如圖4所示。該裝置主要由試驗砂槽、水槽以及波浪水流發生器3部分組成,其中砂槽用于模擬壩芯砂體,水槽用于模擬袋間接縫,波浪水流發生器用于提供進入接縫的破碎波浪水流。

波浪水流發生器在調速電機的驅動下,為接縫水槽及試驗砂槽提供一定周期和壓力的往復水流,周期及能量分別通過調節調速電機的轉速和行程來改變。

試驗過程同樣包括試驗準備、試驗實施、試驗后處理3個階段,除在試驗實施階段中施加不同特性的波浪作用外,其他試驗環節與單向流工況基本一致。

圖4 波浪工況試驗裝置(單位:mm)

2 單向流工況試驗結果與分析

2.1 吹填砂流失運移規律

2.1.1 砂槽內顆粒運移特點

為便于研究壩芯砂體的運移規律,將砂槽滲透影響區域劃分為8個特征單元,在每個特征單元內布置不同顏色的彩砂。試驗結束后,分別在特征單元內取樣,分析顆粒的運移路徑并進行顆粒分析。

由圖5和圖6可知,砂槽內顆粒運移的主要路徑為緊靠砂槽前壁(即緊靠袋間接縫)倒錐形半橢圓柱以及水槽頂部(即袋間接縫頂部)的砂體表面細小槽溝,當發生顆粒滲透流失時,砂槽出口處顆粒首先被水流帶走,帶走的顆粒沿著堆積體表面細小槽溝運移至顆粒堆積體另一端的自然坡面,最后從坡角依次往上部堆積形成新的坡面堆積層,當砂槽出口上方結構由于顆粒流失而無法穩定時,上部砂體顆粒便塌落填補顆粒流失造成的孔洞。

圖5 砂槽內(俯視)上層單元內顆粒流失前后對比

圖6 砂槽內(俯視)下層單元內顆粒流失前后對比

試驗結束后對彩砂區域取樣的特征點位置如圖7所示,各取樣點顆分結果如圖8所示。

圖7 試驗結束后砂槽取樣點分布

從圖8可以看出,當水槽發生滲透破壞時,在顆粒滲透流失而造成的倒錐形塌落區域外側,顆粒基本上未發生運移。塌落區域邊緣處的級配曲線均在原砂的下方,說明在該區域內細顆粒存在流失現象,尤其是倒錐形塌落區邊緣中部,其細顆粒流失較塌落區內部更為嚴重。這主要是由于邊緣區域粗顆粒流失較少,細顆粒大量流失后得不到補充,導致該區域細顆粒占比減少,而中心區域在下部區域掏空后,粗細顆粒整體下陷,所以細顆粒百分比的減少反而不明顯。

2.1.2 水槽內顆粒運移特點

圖9為水槽側面和頂面堆積體各粒徑顆粒分布,可以看出,不同顏色代表的不同粒徑顆粒在豎向和水平向均為有規律的分布。

水槽內砂體顆粒從下往上顆粒粒徑依次減小,其原因是當顆粒沿著堆積體與水槽頂面接觸沖刷產生的細小槽溝運移至砂堆坡面處時,粗顆粒沉落速度較快,細顆粒在粗顆粒之間移動,形成了下粗上細的分布。

試驗過程中水槽內顆粒主要沿細小槽溝運移。粗顆粒在細小槽溝的形成過程中起到了細小槽溝兩側骨架的作用,使得細顆粒可以沿細小槽溝運移。

圖8 倒錐形塌落區域附近砂顆粒顆分結果

圖9 水槽內堆積顆粒分布

該水流路徑出現的原因是當滲流沿著堆積體與水槽頂面兩種不同介質接觸面流動時,容易帶走堆積體表面的細顆粒,且由于堆積體表面砂顆粒重力作用下的法向接觸力最為薄弱,靠近水槽上壁面流線又比較集中,流速較大,顆粒被水流帶走后形成細小槽溝。

2.1.3 吹填砂顆粒運移規律

結合砂槽及水槽內顆粒的運移特點,單向流工況管袋壩壩芯吹填砂沿袋間接縫流失運移規律可以概括為:

a. 起動過程。在該過程中,隨著上下游水位差的增大,砂槽出口區域水力坡降不斷升高;細顆粒首先開始流失,拱結構骨架個別粗顆粒逐漸失去穩定而流出。

b. 發展過程。隨著拱結構骨架顆粒的不斷流失,下游水位迅速升高,拱結構區域坡降減小;拱結構失去穩定,顆粒大規模流出,下游水位和拱結構區域坡降分別達到最大和最小峰值;峰值過后砂槽出口骨架顆粒重新調整形成新的結構,細顆粒充填至粗顆粒空隙,流失速度逐漸減慢,結構趨于穩定。

c. 穩定過程。由于砂槽出口區域各粒徑顆粒的逐步堆積,使砂體滲透性減小;而流至水槽內的砂顆粒也使得水槽砂體堆積長度增加,滲透路徑延長,沿程水頭損失增大;當拱結構區域坡降減小至臨界坡降以下,整個水槽達到滲透穩定。

2.2 吹填砂流失穩定分析

由單向流工況的流失運移規律可知,控制“槽溝式”水槽滲透破壞起動的關鍵為砂槽出口是否形成了穩定結構,該結構穩定性決定了砂槽出口的臨界水力坡降以及臨界流速;而該臨界水力坡降又決定了水槽需要消耗的水頭,臨界流速則決定了水槽細小槽溝單位長度內沿程水頭的損失并進一步決定了水槽最終達到滲透穩定所需要的砂體堆積長度。

本文采取的簡化計算模型如圖10所示,取斷面A—A和斷面B—B建立能量方程。斷面A—A為砂槽(壩芯)出口處,該斷面總水頭近似于測壓管水頭;斷面B—B為水槽(袋間接縫)全過水斷面,該斷面相對細小槽溝面積大幾十倍,所以認為水槽全斷面流速水頭接近于零,該斷面總水頭也近似用測壓管水頭代替。

圖10 水槽滲透穩定計算模型

斷面A—A和斷面B—B槽溝的能量方程式為

ha=hj1+hf+hj2+hb

(1)

式中:ha為砂槽出口測壓管水頭,對應實際工程中壩芯與袋間接縫交界處穩定時刻的孔隙水壓力值;hb為水槽出口測壓管水頭,對應實際工程中袋間接縫外側(臨水面)水壓力;hj1為砂槽出口處水頭損失;hf為細小槽溝沿程水頭損失;hj2為細小槽溝水流出口水頭損失。則有

ha-hb=hj1+hf+hj2=

(2)

整理得

(3)

式中:L堆為滲透穩定時水槽內砂體的堆積長度,也即穩定滲透長度;;vc為槽溝穩定流速;R為槽溝水力半徑;λ為槽溝沿程水頭損失系數;ζc1、ζc2為系數。

根據水槽滲透穩定計算模型,當砂體的級配和孔隙率一定時,砂槽出口的臨界坡降、細小槽溝內的穩定流速以及細小槽溝的水力半徑一定。細小槽溝水流的雷諾數Re約為200,可認為是層流,故槽溝沿程水頭損失系數λ僅與雷諾數Re有關。因此,當給出上游水槽進口處(即砂槽出口處)水位ha時,只要根據每組試驗所測定的vc、ζc1、ζc2、R以及λ即可求出穩定滲透長度L堆。

根據式(3)計算不同顆粒級配和孔隙率組成的砂樣在水槽內的穩定滲透長度,表1列出了6種砂樣的試驗結果,實際工程中壩芯砂料若接近表1砂樣,可參考表1選取參數,計算穩定滲透長度。

表1 6種砂樣的穩定滲透長度

從表1可以發現,在相同的上下游水位差Δh下,細顆粒組的L堆計算值反而較其他組小,這是由于細顆粒組形成細小槽溝的沿程水頭損失系數較其他組大,但這并不代表細顆粒組不易發生滲透破壞。當上游水位相同時,以砂槽出口進入水槽細小槽溝處為分界面,在該面上游由于細顆粒組滲透系數非常小,在砂槽內水流類似于淤堵狀態,各點處水壓力比較接近,而該分界面下游為細小槽溝,細小槽溝水壓力值又與下游水位接近。因此,細顆粒組在該分界面兩側水力梯度比較大,“拱結構”處更易達到其臨界坡降而發生破壞。相反,粗顆粒滲透系數較大,因而水力梯度分布相對更均勻,有利于穩定。

綜上所述,單向流工況壩芯吹填砂經袋間接縫流失穩定性判斷方法如下:先量測管袋壩袋間接縫砂槽出口測壓管水頭ha和水槽出口測壓管水頭hb,然后計算出袋間接縫內砂體堆積長度L堆與接縫長度L縫進行比較,臨界滲透穩定的判定式為

L堆

(4)

3 波浪工況試驗結果及分析

3.1 吹填砂流失發展過程

波浪工況下,壩芯吹填砂流失過程可以分為沖擊、成拱、穩定3個階段,3個階段內砂槽狀態如圖11所示。

圖11 波浪工況不同階段砂槽狀態

a. 沖擊階段。主要表現為砂槽出口處形成微小空隙,成股的砂顆粒呈霧狀流出,如圖11(a)所示,此階段出砂量較少,主要起到破壞砂土結構的作用。

b. 成拱階段。此階段主要表現為砂槽出口部位出現較大空洞,但可以維持一定時間,此處稱其為拱結構空間,如圖11(b)所示。此階段,砂顆粒出現液化現象,隨水流作往復運動,呈現出“砂舌”伸縮狀態,在伸縮過程中產生不可逆位移,并在水槽中形成堆積砂體。此階段出砂量最多。

c. 穩定階段。此階段表現為水槽內砂體停止前進,水槽水流變清澈;砂槽出口處拱結構空間消失或者上移,上部砂顆粒在重力及水流沖刷作用下塌陷,砂槽出口處拱結構空間消失,水流攜砂量減小。砂槽出口顆粒重新分布,出現上細下粗的布局,如圖11(c)所示。砂槽口處上細下粗的結構可以起到反濾作用,抑制顆粒外移,與此同時,水槽中已經堆積了較長一段砂體,一定程度上消耗了來水能量,回水過程中,當水流到達水槽砂堆首部位置時已經不足以帶動顆粒產生不可逆位移,因此,顆粒處于穩定狀態。

圖13 1 min內溝槽狀態變化

圖14 水槽長度方向砂體孔隙率變化 圖15 水槽長度方向細顆粒占比變化

3.2 吹填砂流失運移規律

3.2.1 砂槽內顆粒運移特點

采用相同配比有色顆粒砂樣來研究顆粒變化及分布特點,于拱結構空間最可能發生沖刷的位置(砂槽出口部位上側)布置有色顆粒進行試驗。不同粒徑顆粒使用不同顏色:橙色顆粒粒徑為0.185～0.425 mm,紅色顆粒粒徑為0.125～0.185 mm,紫色顆粒粒徑為0.075～0.125 mm,白色顆粒粒徑小于0.075 mm。

試驗結果顯示,拱結構空間形成后,砂顆粒隨水流在拱結構空間內上下往復運動,最終呈現出粗顆粒(橙色顆粒)居下、細顆粒(白色顆粒)居上的顆粒分布特點,如圖12所示。原因是在來水階段,顆粒上揚,粗顆粒體積和自重較大,上升高度較小,位置處于下方;細顆粒體積和自重較小,上升高度較大,位置偏上。在回水階段,一方面拱結構空間底部接近水槽的細顆粒被帶入水槽,剩余較多粗顆粒;另一方面,細顆粒與粗顆粒上下分布形式起到了反濾作用,導致上部細顆粒不易穿過粗顆粒進入水槽,因此,上部聚集較多細顆粒。

圖12 拱結構部位顆粒分布

3.2.2 水槽內顆粒運移特點

通過試驗觀察發現,水槽中砂顆粒的運移形式有兩種:全斷面運移與溝槽式運移。

a. 全斷面運移是指距水槽頂面2～5 mm深度范圍內的砂顆粒隨水流沿整個斷面向前推進,這種運移方式多出現在成拱階段。此時水槽頂部出現貫通的顆粒通道,水流的勢能大量轉化為動能,砂顆粒在較大流速作用下迅速液化,隨水流劇烈運動,在水槽的上部空間全斷面向前推進。

b. 溝槽式運移是指顆粒在距水槽頂面2～5 mm深度范圍內的局部斷面(溝槽)內向前運移。溝槽是砂顆粒在波浪水流作用下做往復運動所形成的結構,該種推移方式常出現在穩定階段前期,此階段水流能量消耗過多而剩余能量較低,不能夠帶動整個斷面的砂顆粒向前推進。此時大部分砂顆粒停止移動而逐漸聚集,僅在最松散處留有較窄的通道供水砂通過;沿水槽縱軸方向各個斷面上通道位置不同,形成了宏觀所觀察到的溝槽。小流速水流的攜砂過程使得斷面上的砂土結構不斷調整,而水流總會沿著斷面最薄弱處流動,因此溝槽的形狀也隨時間不斷變化,如圖13所示。

試驗結束后,沿水槽長度方向以及拱結構部位深度方向利用環刀取樣,分析顆粒級配及孔隙率情況。水槽堆積砂體孔隙率及細顆粒占比沿長度方向變化情況分別如圖14、圖15所示。

由圖14可以看出,水槽長度方向孔隙率變化是先增加后減小然后略有增大。在沖擊階段及成拱階段前期,拱結構空間尚未形成,砂顆粒外移較慢,砂顆粒有足夠的時間重新排列成新的緊密結構,故堆積相對密實;水槽中部的砂顆粒多堆積于成拱階段的中期,該階段中處于液化狀態的砂顆粒以全斷面形式推進,出砂迅速,出砂量較多,堆積相對松散;隨著時間的推移進入成拱階段的后期,砂顆粒外移量減少且緩慢,最終不再外移,砂顆粒的堆積也逐漸變密實;在接近穩定階段時,由于水流能量較低,水槽因砂堆中部顆粒通道的消失而封堵,砂堆中部達到最密實的狀態,即曲線的谷點;封堵后波浪水流主要影響水槽砂堆首部被封堵在外的砂顆粒,周期性往復的波浪水流使該處的砂體結構較為松散,因此孔隙率略有回升。

從圖15可以看出,沿水槽長度方向細顆粒占比先增大后減小,然后再次增大。原因是細顆粒起動流速較小,相對容易外移,所以在水槽與砂槽的交界處多堆積粒徑相對較大的粗顆粒,因此此處細顆粒占比相對較小;水槽中部的砂顆粒主要堆積于全斷面推進的成拱階段,故此處細顆粒較多;在成拱階段后期,流速減小,僅將砂堆中細顆粒帶走,而逐漸剩余粒徑較大的粗顆粒,故細顆粒占比減小;接近穩定階段時,剩余的粗顆粒將顆粒通道封堵,砂堆中部細顆粒比例達到最小值,即曲線的谷點;封堵后波浪水流主要作用于封堵在外部的砂堆,將細顆粒沖刷至砂堆首部,因此該段砂體的細顆粒占比沿長度方向再次增大。

3.2.3 顆粒流失運移規律

結合砂槽及水槽內顆粒的運移特點,波浪工況下管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失運移規律可總結為:

a. 沖擊階段。在該過程中,波浪水流沖擊砂槽內砂體,砂顆粒由緊密逐漸變松散;在較低流速下細顆粒首先達到起動流速,并外移至接縫水槽。

b. 成拱階段。砂槽內砂顆粒的流失使砂槽與水槽交界部位形成微小空隙,為波浪水流提供充足的運動空間;波浪水流的勢能更易轉化為動能,較高的流速使粗顆粒和細顆粒同時發生液化;液化后的砂顆粒以全斷面式外移至水槽,在水槽內形成較松散的砂堆,水流沿程水頭損失增大,動能減小。

c. 穩定階段。當進入到砂槽內的水流能量不足以維持拱空間上部砂體時,上部砂體逐漸塌落,拱空間逐漸上移;顆粒再堆積時孔隙率增大,使得拱空間體積減小;同時拱空間下部砂顆粒重新分布形成上細下粗的布局,對上部顆粒起反濾作用,且進一步增大水流的沿程水頭損失;最終砂槽內顆粒不再外移,水槽與砂槽交界處的砂堆將水槽封堵,系統達到穩定狀態。

3.3 吹填砂流失穩定性判定指標及方法

與單向流工況相同,同樣取L堆(顆粒由砂槽進入水槽后運移所形成的砂堆長度)為吹填砂穩定性的判定指標。以L堆為目標參數,分析其影響因素,并建立其與影響因素之間的函數關系,作為用于計算波浪水流作用下壩芯吹填砂流失穩定性判定指標的公式。

波浪水流作用下影響壩芯吹填砂穩定性的因素較多,比較重要的有波浪周期T、峰值壓力水頭h(表征波浪水流能量)、砂體孔隙率n以及顆粒粒徑d等。不同條件下水槽砂堆長度L堆與波浪水流能量、波浪周期和孔隙率之間的關系曲線分別如圖16～18所示。

圖16 波浪水流能量對水槽砂堆長度的影響

圖17 波浪周期對水槽砂堆長度的影響

圖18 砂體孔隙率對水槽砂堆長度的影響

由圖16可知,在其他條件相同的情況下,水槽砂堆長度L堆隨著波浪水流能量的增大而增大,且呈線性關系,這與單向流工況完全一致。另外,圖16各直線具有相同的截距,該截距可以定義為砂槽內拱效應消耗的水頭h耗(h耗=0.2 m),則推動砂顆粒運動的水頭h動=h-h耗。

根據量綱和諧原理,將L堆與各因素間的關系表示為

L堆=L堆(T,n,h,g)

(5)

式中g為基于量綱平衡原理添加的常數。將式(5)右側具體表達為冪函數的乘積形式,并代入試驗數據計算得:

L堆=23T-2(h-0.2)g-1n4.78

(6)

根據上述分析,波浪工況壩芯吹填砂流失穩定性判定方法為:先利用相關儀器及測試方法獲得波浪周期T、峰值壓力水頭h、砂體孔隙率n等參數,然后計算出水槽內砂堆長度L堆并與接縫長度L縫比較。管袋壩發生波浪水流滲透破壞的判定式與式(4)相同。

4 結 論

a. 管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失模型試驗研究裝置可以完成管袋壩實際工程工況的模擬。

b. 單向流工況下砂顆粒運移主要發生在砂槽內倒錐形區域及水槽內,且在水槽內運移方主要以“溝槽式”運移為主;波浪工況下的沖刷過程可依據拱空間的發展過程分為沖擊、成拱、穩定3個階段。

c. 單向流及波浪工況下沖刷穩定性都以穩定滲透長度L堆為判別指標,并推導出了兩種工況下的L堆計算公式,若袋間接縫長度小于穩定滲透長度L堆,則發生沖刷破壞。

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