土石結合部接觸沖刷滲透破壞特性試驗研究

李 娜，汪自力，趙壽剛，高玉琴，常芳芳，康延銘

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南鄭州450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術研究中心，河南鄭州450003；3.鄭州地鐵集團有限公司，河南鄭州450000）

土石結合部的滲流安全是保證涵閘及堤防安全的重要條件之一。穿堤涵閘土石結合部因其特殊的結構形式或在施工過程中回填土質量差、輾壓不實等原因，加之在閘體不均勻沉降作用下產生裂隙或脫空缺陷，以致在長期滲流作用下造成局部淘刷脫空，進而發生堤防涵閘土石結合部的接觸沖刷滲透破壞，引起堤防潰決。由于這種滲透破壞初始階段大都隱藏在堤防內部，事先難以察覺，一經發現險情，則會迅速導致工程破壞，難以補救，因此土石結合部的滲透破壞具有隱蔽性、突發性和災難性的特點。從國內外類似工程事故的統計分析來看，因滲透破壞發生事故的土石壩占總數的30%～40%，其中接觸沖刷破壞占很大的比例，可見接觸沖刷問題值得深入研究[1-3]。

目前接觸沖刷的研究一般采用室內試驗方式進行，針對不同的工程背景，開展了相關研究工作。例如河南水利科學研究所開展了土壩心墻與基巖接觸沖刷試驗[4]、黎國凡對湖北省溫峽口石渣組合壩開展了黏土心墻與巖基的接觸沖刷試驗[5]、劉杰等開展了土的滲流接觸沖刷抗滲強度試驗[6]、詹美禮等開展了接觸面法向作用力對心墻與基巖的接觸沖刷室內試驗[7]。上述試驗針對土質防滲體與基巖接觸帶的滲流接觸沖刷問題，研究了基巖裂隙不同開度情況下不同土體的接觸沖刷特性，取得了可供工程參考的結論，但針對土體與穿堤建筑物之間接觸沖刷的研究相對較少，尤其是人們對于土石結合部接觸沖刷滲透破壞發展變化過程大多止于宏觀認識上，研究并不深入。已有研究成果表明，接觸沖刷滲透破壞與土體性質、土體密度、接觸面狀態等因素密切相關[1-3，8-10]，穿堤建筑物與堤防土石結合部接觸沖刷滲透破壞相關問題有待更深入系統的研究。筆者針對黃河堤防土體特性及接觸面結構特點，利用自行設計的接觸沖刷試驗裝置，研究接觸沖刷發生、發展變化過程，分析土體性質、接觸面缺陷及水力比降等因素的影響。

1 試驗儀器與試驗方法

1.1 試驗裝置

由于堤防涵閘土石接合部的接觸沖刷現場試驗難度比較大，因此根據實際工程現場情況、水力相似條件及接觸帶局部受力較為均勻的特點，模擬側墻與兩側填土間存在裂隙情況下的接觸沖刷破壞。由于水閘側墻多為長方體結構，因此接觸沖刷試驗裝置設計為箱式結構，如圖1所示。為便于觀察試驗現象，箱體用厚8 mm有機玻璃，內徑尺寸為150 mm×200 mm×200 mm。接觸沖刷試驗裝置上下邊緣為厚20 mm鋼板，鋼板與有機玻璃箱體之間設置厚12 mm硅膠防水圈，頂桿用于緊固有機玻璃箱體和上下邊緣，在緊固螺栓和頂桿作用下鋼板與有機玻璃箱體之間密閉防水。為使上游水流均勻平穩，底部設有孔徑1.5 mm的帶孔金屬透水板。另外，試驗時的供水設備包括吊桶和提升架，吊桶上接有溢水管道，可通過調節提升架高度，為試樣提供不同的穩定有壓水頭。

圖1 接觸沖刷試驗裝置

1.2 試驗方法及過程

1.2.1 試樣制備

試驗前，嚴格按照《土工試驗規程》（SL 237—1999）進行土樣配制，將試驗用土風干后，用木錘擊碎，過篩備用。以最優含水率和最大干密度為控制指標，分次拌和。將土樣平鋪在托盤內，用噴霧器噴灑加水，分次拌和均勻后放置到玻璃缸內靜置24 h備用，以使水分均勻分布在土料中。進行填裝時，首先將圖1（a）所示試驗裝置豎直放置，在試驗裝置底部放入透水鋼板，使水流平穩均勻進入試樣，而后在透水鋼板上鋪設一層土工布，防止細顆粒土料堵塞水孔。制樣時，緊貼箱體觀測面一側垂直放置一不銹鋼薄板作為隔板（隔板位置詳見圖1（a）），通過改變隔板的厚度來模擬接觸面的裂隙大小（裂隙沿箱體一側貫通），在隔板另一側裝入土樣，箱體其余3面均勻涂抹一層膨潤土護壁，以防水流沿邊壁集中滲漏。每個試樣分層夯實，共分4層裝料，每層土樣填筑高度均為50 mm，根據最優含水率、最大干密度、壓實度、鋪土高度及試樣體積等計算出每層土體填筑質量（每層土體填筑質量根據裂隙寬度的不同而不同），表面平整后振搗壓實，每層都壓實到所要求的高度以保證試樣壓實度。每層填料時，盡量使土體顆粒分布均勻且層與層之間應進行剖毛處理（剖毛深度大致為1～2 cm）。擊實時，擊錘要分布均勻，且試樣與裝置邊壁接觸的周邊一定要擊實。制樣結束后試樣表面保持平整，去掉隔板即完成裂隙試樣的制備。

1.2.2 試驗方法

試樣制備完成后將試驗裝置按圖1（a）所示放置并開始試驗。試驗模擬工程水位驟升時的最不利工況，試樣不預先飽和。將上游水頭調整至預設高度，檢查進水口是否堵塞，打開進水閥門，并檢查裝置周邊是否滲水。施加初始水頭后，觀察試樣與儀器接觸帶土體隨水頭施加時間的變化，并記錄土體變化過程，利用上下水頭差和滲徑，計算上下游水力比降J（為方便計算，暫不考慮滲徑的沿程變化，L近似為試樣水平向距離，H為上游水位與試樣進口位置高度差，計算公式仍為J=H/L）。觀察并記錄主要試驗現象，分別記錄試樣破壞后每120 s內的沖刷量（共記錄5次），5次沖刷結束后停止試驗。試驗過程中收集滲透破壞初始析出土體顆粒，烘干后進行顆分，并與原始土體進行比較。

2 試驗用土料與試驗方案

2.1 試驗用土料

黃河下游堤防工程經過不同時期從臨背河取土逐漸修筑而成，筑堤土質較為復雜。黃河堤防堤身代表性土體黏粒含量介于15%～30%的占多數，少數黏粒含量為10%左右[11]。結合調研分析結果及試驗的特點，選取黏粒含量分別為4.6%、12.3%和22.6%左右的無黏性土和黏性土作為試驗用土。土體物理力學性能指標見表1。

表1 試驗用土物理力學性能指標及定名

2.2 試驗方案

根據《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013），黏性土土堤的填筑標準壓實度不應小于0.95，本次土體試樣壓實度為0.95，3種土體試樣最優含水率分別為15.5%、15.8%和13.7%，最大干密度分別為1.81、1.69、1.72 g/cm3。 接觸面裂隙寬度按 0.3、0.6、1.0、2.7、6.0、9.0 mm考慮。具體試驗內容主要有兩方面，一是分析接觸面存在裂隙時，水力比降對接觸沖刷滲透破壞的影響；二是分析相同水力比降作用下，裂隙寬度對接觸沖刷滲透破壞的影響。每種土體試驗方案見表2。

表2 接觸沖刷試驗方案

3 接觸沖刷的發生發展過程

接觸面存在裂隙時引起的滲透破壞現象較為明顯，不同土體試樣的破壞過程相對明了，基本上各土體試樣均以出渾水為主要破壞特征（土與裂隙接觸處有泥或渾水不斷流出，即認為試樣破壞，從施加水頭到試樣破壞的時間稱為破壞時間）。在水力比降一定的情況下，剛開始時接觸面缺陷裂隙變化并不明顯，但在水流持續沖刷作用下，接觸面底部裂隙逐漸橫向發展，試樣底部與儀器接觸面發生強力沖刷并形成突破口，且有土體顆粒持續帶出，試樣逐漸被侵蝕。

試樣破壞狀態與裂隙寬度、水力比降及土體性質等有關，但并不完全一致，水力比降較小時，主要表現為：裂隙寬度較大時（大于0.6 mm），底部快速潤濕后，從接觸面底部流出渾水，并從底部沖刷；裂隙寬度較小時，施加水壓較短時間后，主要是從試樣底部開始向上部潤濕，然后有渾水從裂隙底部不斷流出，此時接觸面并未完全潤濕，但繼而快速由進水側向上部潤濕，由下到上、由進水底部到上部，形成不規則的馬蹄面。基本上，底部縫長發展至試樣總寬的1/5～1/4時便不再發展。試樣出口接觸帶底部，沿裂隙層面形成一條貫穿的強滲流通道，并沿橫向背向裂隙方向擴展，通道上的土體顆粒已全部流失，滲流通道位置基本一致。

各試驗條件下，剛性玻璃與試樣接觸面裂隙之間最終形成一條彎曲狀的強滲流通道，接觸面土體在水流作用下持續流失，裂隙的存在導致接觸面土體顆粒間的黏聚力降低。造成這一結果的原因，初步分析有以下兩方面：一是在試樣制備時，用隔板來模擬裂隙的大小，制樣后再抽出隔板。隔板抽出時會在某種程度上對裂隙面土體產生輕微的擾動，雖然從試樣整體來講，這種擾動產生的影響甚微，但對于鋼板接觸面土體來說，可能破壞了顆粒間的原始黏性及原始排列等，造成其固有黏聚力降低；二是上游有壓水流的持續作用使接觸面土體優先發生變化，土體含水量增加，致使黏土粒結合水膜變厚，從而降低其黏聚力。隨著水流的持續沖刷，裂縫不斷橫向發展并擴大，而剛性玻璃板的變形協調能力較差，底部非裂隙帶土體的局部塌陷使其與玻璃板之間也形成了裂隙，土樣在水流的作用下持續侵蝕，土樣底部與玻璃蓋板間的裂隙變得越來越大，導致裂隙中流量變大，流速較快，沖刷作用更加明顯。其滲流通道的發展與接觸帶土體的破壞這兩個過程相互作用，相互影響。

4 試驗結果分析與對比

4.1 各因素隨時間的變化規律

水力比降、裂隙寬度與接觸沖刷破壞時間的關系分別如圖2、圖3所示，可知，在裂隙開度一定情況下，水力比降越大，其抗沖性越弱，但水力比降較高時（大于10），土體性質的影響并不太明顯，其破壞時間較為接近，土體性質不再有明顯作用；相同水力比降作用下，總體來說，黏粒含量較大的土體抗沖刷能力較強，但在裂隙開度大于2.7 mm時，各黏粒含量土體的抗沖刷破壞時間接近，開度也不再有明顯作用，對土體接觸沖刷滲透破壞起主要作用的是土體本身的水化崩解能力及崩解后團粒粒徑的大小。這一研究成果與早前劉杰等[6]的研究成果較為接近。

4.2 沖刷量隨時間變化規律

圖2 試樣破壞時間與水力比降的關系（b=0.3 mm）

圖3 試樣破壞時間與裂隙寬度的關系（J=2.5）

借鑒含沙量的表達方法，本文所述沖刷量指渾水中含有泥沙的多少。將盛水容器放在模型下游處的地面上，用來盛接沖刷后流經下游的水和沖刷出的土體顆粒，每120 s更換盛水容器，然后將盛有水和泥沙的容器靜置，直至土體顆粒沉降到容器底部致使水土分離，則單位時間內的含沙量ρt公式可表達為

式中：ρt為水樣單位時間含沙量，g/m3/s；Ws為水樣中的干沙重量，g/kg；V為水樣體積，m3；t為沖刷的時間，s。

由于篇幅所限，本文僅對單位時間沖刷量的平均值進行分析。

4.2.1 水力比降對沖刷量的影響

從圖4試驗結果來看，相同試驗條件下，水力比降越小，則沖刷一定時間后的沖刷量越大，且沖刷量與水力比降呈非線性遞減關系，并無流量突增現象。不同性質土體沖刷量隨水力比降的變化大致相同，隨水力比降的增大而減少，當水力比降大于10時，沖刷量并無明顯變化且越來越接近。

圖4 沖刷量隨水力比降的變化規律（b=0.3 mm）

4.2.2 裂隙寬度對沖刷量的影響

圖5給出了沖刷量隨裂隙寬度的變化情況。不同性質土體的表現較為一致，沖刷量隨裂隙寬度的變化表現為非線性的遞減關系。接觸帶裂隙越小，流速相對越大，土體對預留裂隙的擠占效果較為明顯，土體顆粒也較易帶出。在初始小裂隙，即裂隙寬度為0.3 mm和0.6 mm時，隨著水流的沖刷，接觸帶土體不斷被帶出，裂隙破壞較為明顯，而在裂隙寬度大于2.7 mm時，沖刷量基本無明顯變化，裂隙寬度的變化對接觸帶沖刷無顯著影響，這一結果與前述試驗成果吻合。

圖5 沖刷量隨裂隙寬度的變化規律（J=2.5）

4.2.3 土體性質對沖刷量的影響

在水力比降一定的情況下，較小裂隙寬度時，不同黏粒含量土體沖刷量差別較為明顯。裂隙寬度較小時，土體性質的影響較為明顯，隨著裂隙寬度的增加，土體性質的影響逐漸減弱。例如，裂隙寬度為0.3 mm時，3 類土體沖刷量分別為 0.13、0.31、0.40 g/m3/s；裂隙寬度為0.6 mm時，3類土體沖刷量分別為0.09、0.10、0.08 g/m3/s；當裂隙寬度大于2.7 mm時，土體性質不再具有顯著影響。由試驗結果可知，裂隙寬度一定時，黏粒含量越大，沖刷量也越大，且相差值隨著水力比降的增大而增大。在水力比降分別為2.5、3.5、5.0、10.0、20.0時，黏粒含量為22.6%的C類土體沖刷量分別是黏粒含量為4.6%的 A類土體的3.0、2.1、2.3、2.8、5.5 倍，是 B 類土體的 1.3、1.7、3.3、3.7、3.2倍。

一般認為，土體抗沖刷能力與填土的性質關系密切，如果土體具有壤土或黏土的性質，則在一定干密度下對裂隙滲流將具有較高的抗沖刷能力，土體黏性越大，抗沖刷能力越強。但本次試驗結果表明，在接觸帶存在裂隙情況下，黏粒含量較大土體反而較黏粒含量較小土體的沖刷量大。初步分析可知，接觸帶黏性土體未經歷細顆粒在骨架顆粒孔隙間的遷移和析出過程，而是直接在水流作用下沖出。黏粒含量越多，固體組分的顆粒越密集，顆粒之間結合就越緊密，其相互作用的機會越多，相互作用也越強。由于黏粒含量較多的土體在工程特性方面主要表現為細顆粒之間具有一定的黏聚力，也就決定了黏土團粒間的相互作用小于黏土顆粒之間的作用力，發生接觸沖刷時被滲透水流沖出的是黏土顆粒團而非單個黏土顆粒，因此本試驗表現出黏粒含量大土體較黏粒含量小土體的沖刷量大。但鑒于黏性土體接觸沖刷機理的復雜性和試驗條件的局限性，黏性顆粒團的啟動、流失等微觀現象還有待進一步研究。沖刷量雖在一定程度上反映了土體顆粒的流失，但并不能動態表示其連續的變化過程，沖刷量隨時間的變化也有一定的離散性，尚需更多的試驗資料和更科學的試驗方法論證研究。

已有研究成果表明，在出口反濾作用下，水庫蓄水后土質防滲體與巖面之間的縫隙如果不出現滲流沖刷將會自行消失，即具有一定的自愈性[1]。這是因為土體遇水后有濕化崩解的特性，若防滲體與巖基表面之間有水平向的縫隙，縫面遇水后如果水壓力較小，土體將濕化崩解，并在重力作用下向下塌落，最后縫隙愈合。由于縫隙一般都很小，塌落后在巖面形成一層薄的松軟土層，這一松軟土層在上部土體重力作用下將會得到壓密而具有一定的密實度，因此仍具有一定的接觸沖刷強度。但本文考慮的是下游臨空的最不利情況，初步實現了土石結合部局部接觸沖刷破壞的模擬，未考慮出口反濾的影響。從試驗現象看，裂隙的存在使接觸面均出現了接觸沖刷滲透破壞，從表觀現象上看并未發現軟土層及裂縫愈合情況，且隨著沖刷時間的推移，底部土體也未在荷重之下得到壓密，而是持續流失。

5 結 論

（1）通過自行設計的試驗裝置，實現了穿堤建筑物與堤防土石結合部接觸沖刷滲透破壞的室內模擬，研究了土石結合部裂隙情況下接觸沖刷滲透破壞的試驗現象及發生發展變化過程。

（2）分析了土體性質、水力比降、裂隙寬度等因素對破壞時間、沖刷量的影響規律。黏粒含量較大的土體抗沖刷能力較強，但隨著裂隙寬度的增加，土體性質的影響逐漸減弱。沖刷量隨裂隙寬度的增加而減小，當裂隙寬度大于2.7 mm時，各土體試樣的沖刷破壞時間及沖刷量較為接近，開度不再具有明顯作用。在相同試驗條件下，水力比降越小，沖刷量越大。

（3）接觸沖刷滲透破壞較為復雜，其影響因素較多，試驗模擬較為困難。土石結合部接觸沖刷滲透破壞影響因素的量化、出口反濾的影響及試驗現象的微觀描述等還有待進一步研究。