基于新型導滲結構的散浸險情搶險效果試驗研究

趙延浩 王金龍 張偉 裴怡

摘 要：在長江中下游歷史險情資料調研的基礎上，提出了一種盲溝管與傳統人字溝相結合的新型導滲結構，并開展了不同水力梯度下不同土工織物長期淤堵試驗和新型導滲結構排水物理模型試驗。結果表明：改進后的盲溝管具有良好的反濾排水特性和抗淤堵特性，可為汛期散浸險情搶險提供參考。

關鍵詞：盲溝管；新型導滲結構；抗淤堵特性；散浸；搶險效果

中圖分類號：TU46+2；TV443? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

0 引言

2020年汛期，長江中下游堤防工程累計出現各類險情4 335處。其中，管涌1 439處、散浸1 524處，共占險情總數的68.3%，可見管涌和散浸是堤防險情最主要的類型[1]。而開溝導滲是處理散浸險情最有效的措施之一，通過導滲溝排水來控制滲流范圍、引導滲流方向、降低浸潤線、加速孔隙水壓力消散從而增強堤坡的滲透穩定性[2]。傳統導滲溝多用人工開挖，砂石料回填，耗費大量人力物力，搶險效率低，亟需一種攜帶輕便，價格低廉，可高效利用的新型導滲結構來滿足汛期搶險的需求。已有的工程經驗表明，土工織物作為堤防工程防排水系統的“反濾層”，其抗淤堵性能是新型導滲結構能夠長期穩定運行的一個關鍵技術難題。如果選用不合適，可能導致排水性能不滿足要求，造成不可預計的危害[2]。國內外學者[3-10]針對影響土工織物抗淤堵性能的各種因素進行了大量的淤堵試驗研究。現階段的研究[11-18]主要是利用土工織物淤堵試驗儀或改善后試驗設備開展滲流梯度比試驗，分析水力梯度、土工織物和土體中的顆粒直徑等因素對土工織物抗淤堵性能和透水性能的影響，而沒有結合實際散浸險情下導滲結構的防排水結構特點進行研究。

本研究選取漢江李家洲險段散浸險情點的土樣作為室內模型試驗的試樣，比選出5種土工織物作為濾層，用自制試驗儀進行了長期淤堵試驗，測定在一定水流條件下土與不同土工織物系統的滲透系數和抗淤堵情況。依據淤堵試驗結果，推薦一種適合新型導滲結構的土工織物，作為盲溝管的濾布。構建新型導滲結構排水試驗模型，通過試驗分析4種工況條件下新型導滲結構的排水效果和反濾性能，最終提出適用于散浸險情搶險的新型導滲結構。

1 試驗材料

1.1 試驗土樣

參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），對漢江李家洲險段（樁號212+500～213+380）土樣進行顆粒分析試驗，根據得到的土樣顆粒組成情況（見表１），將該土樣定名粉細砂。

1.2 土工織物試樣

試驗所采用的土工織物共5種。3種白色聚丙烯長絲針刺土工布，規格型號為300 g/m2、400 g/m2、500 g/m2，試驗編號分別為C1、C2和C3；短纖針刺非織造土工布和軟式透水管濾布，試驗編號為C4和C5。依據《土工合成材料測試規程》（SL 235—2012）[20]進行取樣、稱量及試驗，5種土工織物的物理特性見表2。

2 長期淤堵試驗

2.1 試驗裝置和試驗方法

長期淤堵試驗選用小型垂直滲透儀（見圖1）。在試驗儀器準備就緒后，將土工織物平鋪在透水板上，土樣松填在土工織物上，土樣裝填按照干密度1.053×103 kg/m3控制，裝樣高度為10 cm。試驗前將上下游測壓管關閉，并從儀器底部進水口進水，緩慢抬升水頭直至土樣飽和，樣面出水后將土工織物和填土浸泡5 h以充分排氣飽和。排水試驗時，改為頂部進水，底部排水，水流方向為自上向下，通過濾層的水流進入下游室后從側向排出。試驗過程中通過供水系統進行水位調節，觀測記錄水位、流量數據。試驗中逐級抬高上游水位，總水頭差分別為10、30、50、100 cm，對應水力梯度i為1、3、5、10。長期排水淤堵試驗共歷時63 d，試驗完成后，取出5種土工織物試樣，清除附著在其表面的浮土后進行烘干，稱量淤堵物質量，以評價土工織物抗淤堵特性。

2.2 試驗結果分析

試驗系統滲透系數（土工織物+土樣）按照常水頭滲透系數公式計算：

式中：K為通過土工織物的滲透系數（mm/s）；t為時間（s）；Q為在時間t內滲出的水量（mm3）；L為滲徑（mm）；A為試樣面積（mm2）；H為上下游水頭差（mm）。

歷時63 d不同水力梯度（i=1，3，5，10）的長期淤堵試驗中，下游出水一直保持澄清，僅有少量細顆粒進入濾層，但是土樣沒有任何滲透破壞現象，說明5種土工織物的反濾效果良好，可適應長期的反濾排水情況。

不同水力梯度下，試驗系統滲透系數隨時間的變化曲線如圖2所示。可知，試驗系統滲透系數隨著試驗時間的延長均有不同程度的降低，原因主要有兩個方面，一方面，土工織物長期排水存在一定的淤堵；另一方面，本次試驗采用松填土樣，隨著滲透坡降的增加，土體擠密，造成系統滲透系數的降低。試驗坡降變化時，曲線均出現一定程度的波動，表明試驗系統產生了一定的調整，之后逐步趨于穩定。C3試驗系統滲透系數降低幅度最大，C5試驗系統滲透系數降低幅度最小，防淤堵性能最優。

試驗后土工織物內淤堵物質量見表3。可知，淤堵試驗結束后分析了土工織物淤堵物質量，C3淤堵物質量最大，為7.4 g；C5試驗系統淤堵物質量最小，為4.9 g，也表明C5試驗系統防淤性能最優。

試驗前后土工織物滲透系數見表4。可得，長期淤堵試驗后土工織物滲透性均有降低，滲透系數約減小一個數量級，其中C3試驗系統降低幅度最大，C5試驗系統最小。

造成長期淤堵試驗系統滲透系數下降的原因還有很多[17]，比如氣泡的影響，纖維類織物（C1、C2、C3、C4）具有一定的濾氣作用，可導致土工織物滲透系數衰減到10-4～10-5 cm/s，而編織類織物（C5）則濾氣現象不明顯，受氣泡影響相對較小。纖維類土工織物孔隙率在一定滲透壓力下可迅速下降，可高達50%左右，使其過水斷面大幅降低織物截留細小土顆粒的能力增強，進而導致纖維織物滲透性降低，而編織類土工織物孔隙率隨壓力變化影響相對較小。

綜上，通過比較土工織物反濾排水性能、試驗系統滲透系數變化規律，淤堵物重量等，可知C5試驗系統綜合性能最好，其采用的軟式透水管濾布可以作為新型導滲結構的反濾層。

3 新型導滲結構排水模型試驗

3.1 試驗模型

選用軟式透水管濾布作為新型導滲結構中盲溝管的反濾層，并結合實際搶險工況，研制了新型導滲結構排水模型，開展系列反濾排水試驗，檢驗新型導滲結構的排水效果，為散浸險情處理提供參考依據。

研制的試驗模型如圖3所示，尺寸為100 cm×80 cm×100 cm（長×寬×高），試驗模型底部為上游進水室，試驗過程見圖4。

3.2 試驗方法

采用漢江李家洲險段（樁號212+500～213+380）散浸險情點土樣模擬土石堤壩填筑料，選用直徑10 cm的盲溝管作為新型導滲結構的排水管。盲溝深30 cm，寬20 cm，長80 cm。依據通常開溝導滲處置可能出現的情況，模型試驗設計了盲溝管周圍4組不同回填土料工況，分別為：工況PS1，盲溝管周圍直接回填原位土；工況PS2，盲溝管周圍回填粗砂；工況PS3，盲溝管周圍模擬泥漿回灌（原位土摻＜0.075 mm細粒，＜0.075 mm顆粒含量按15%控制）；工況PS4，盲溝管周圍垮塌的地基土隨水流包裹盲溝管。

模型采用分層裝樣，高50 cm，每層10 cm，盲溝管埋深30 cm，見圖4（a）。共布置了5支測壓管觀測水頭，其中，1#測壓管為試驗供水水頭，對應堤基水位，2#測壓管為盲溝管內水頭觀測，3#、4#、5#測壓管對應距離盲溝管10 cm、30 cm、80 cm溝底高程處，見圖4（b）。試驗模型裝填完成后，關閉盲溝管出口，從模型底部供水，逐步升高供水水頭至試樣表面高程，并飽和試樣，初始試樣飽和狀態見圖4（c）。試樣飽和后，打開盲溝管出水口開始排水，試驗過程中觀測記錄排水量及測壓管水頭，直至水位和流量穩定，見圖4（d）。4組模型試驗除了盲溝管范圍內填料不同外，其余部分土體均為初期一次填筑，根據試驗方案不同，將盲溝范圍內土體進行挖出換填，見圖4（e）。

3.3 試驗結果與分析

總體上看，不同工況下盲溝管出水口僅有少量細土顆粒析出，水流保持清澈，表明新型導滲結構反濾特性良好。

不同工況下新型導滲結構排水穩定時浸潤線位置見圖5。可知，當排水穩定時，PS1、PS2浸潤線較低，對周圍土體排水減壓效果較好，PS4周圍土體浸潤線較高，對周圍土體排水減壓效果較差。

3#測壓管水位下降值（相對于初始水位值）變化過程見表5。可知，新型導滲結構周圍土體水位均出現下降，排水10 min內各觀測點處水位降低最快，隨后水位緩慢下降直至最終穩定，從最終穩定水位看，PS2水位下降幅度最大，為19.6 cm；PS4水位下降幅度最小，為6.7 cm。試驗結果表明PS2對周圍土體的排水減壓效果優于PS4。

不同工況下新型導滲結構排水量隨時間變化過程見圖6。可知，隨著排水時間的延長，新型導滲結構的排水量均有一定程度的降低并逐漸趨于穩定，PS1、PS2、PS3、PS4穩定流量分別為16.8 ml/s、16 ml/s、6 ml/s、1.03 ml/s，PS1排水效果最好，PS4排水效果最差。盲溝管排水量在PS1、PS2工況下較快達到穩定狀態且排水量較大，說明在這兩種工況下，盲溝管與周圍土地能迅速形成了穩定的反濾排水結構。PS3工況下排水量隨時間不斷減小，且持續時間較長，說明所摻的模擬泥漿回灌的粘粒會導致導滲結構的排水能力隨時間不斷減弱。PS4工況下在較短的時間內排水量就迅速降低直至喪失排水性能，原因是盲溝管濾布較易被垮塌的土水混合物淤堵，說明盲溝管在渾水情況下的抗淤堵性能較弱。

綜上可知，新型導滲結構在濾層不發生淤堵的條件下，可以有效降低周圍土體內的水位，達到處理散浸險情的目的，但實際應用時，應避免泥水混合物對盲溝管濾層的淤堵。

4 結論

通過長期淤堵試驗對盲溝管的反濾層進行選材，且通過新型導滲結構排水模型試驗來研究不同回填工況對采用C5反濾層的新型導滲結構排水性能的影響，主要結論如下。

（1）長期淤堵試驗結果表明，土工織物作為新型導滲結構的反濾層是可行的，其中透水軟管濾布（透水性土工織物及聚合物纖維編織物）防淤堵性能較優。

（2）新型導滲結構可以有效排出周圍土體中的水，對一定范圍內土體浸潤線降低具有明顯作用，可以用于散浸險情的處置。

（3）軟式透水管濾布本身排水性較好，當濾層滲透性顯著大于周圍土體時，排水量主要受盲溝管周圍土體滲透性的影響，實際應用中應盡量避免土體垮塌產生的土水混合物向排水管匯流聚集對排水濾層的淤堵。

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Abstract：Based on the investigation of historical dangerous situations in the middle and lower reaches of Yangtze River，we propose a new type of permeable structure combining blind drainpipe with traditional herringbone groove. To evaluate the drainage performance of the new seepage structure，we conducted long-term clogging tests on different geotextiles under varying hydraulic gradient and drainage physical model tests of the new permeable structure. Results indicate that the improved blind drainpipe boasts excellent antifiltering and drainage properties. The findings provide valuable insights into effective measures for responding to diffuse and infiltrated hazardous conditions during flood season.

Key words：blind drainpipe；new permeable structure；anti-clogging characteristics；spreading soaking；emergency rescue effect