河床下切深度對(duì)二元堤基滲透變形的影響

劉光磊,王保田,李守德

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

河流位置不同,河床下切深度也不同,同一河段的左、右岸也會(huì)因河水沖刷作用差異等產(chǎn)生不同的下切深度,因此,在進(jìn)行堤壩災(zāi)害防治時(shí),應(yīng)根據(jù)河床下切深度采用相應(yīng)的處置方法.目前許多學(xué)者的模擬試驗(yàn)研究都是在上游入滲條件不變的情況下進(jìn)行的,他們通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算來(lái)研究滲透變形,所采用的入滲方式大多為點(diǎn)入滲和平行入滲2種.如:陳西安等[1-3]采用點(diǎn)入滲方式模擬了河床底面剛好與堤基透水層接觸的情況,但這種情況實(shí)際并不多見(jiàn);張家發(fā)等[4-12]采用平行入滲方式模擬了模型給水深入透水層底部,即整個(gè)透水層臨水的情況,這種情況不僅少見(jiàn),而且試驗(yàn)結(jié)果也過(guò)于保守.堤基現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探資料顯示,介于平行入滲和點(diǎn)入滲之間的入滲情況較為普遍,但目前關(guān)于河床下切深度對(duì)滲流場(chǎng)影響的研究卻很少.為此,筆者針對(duì)較為普遍的二元結(jié)構(gòu)堤基,即上、下層分別為弱透水性的黏性土和強(qiáng)透水性的細(xì)砂土,通過(guò)逐步改變河床下切深度的二維室內(nèi)砂槽模型試驗(yàn),研究了滲透變形的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程.

1 模型及試驗(yàn)方法

室內(nèi)試驗(yàn)所采用的滲流模型如圖1所示,其長(zhǎng)、高、寬分別是200 cm,100cm,10 cm.距左側(cè)40 cm處設(shè)有進(jìn)出水裝置,通過(guò)該裝置進(jìn)出水閥門的開(kāi)閉來(lái)調(diào)節(jié)上游水頭,水頭調(diào)節(jié)間距為5 cm.距左側(cè)100 cm和198 cm處分別設(shè)有直徑2 cm的圓形滲流出口,即出水口和遠(yuǎn)處溢出口.出水口用來(lái)模擬堤腳附近所存在的薄弱環(huán)節(jié)或管涌口,通過(guò)出水口可以觀察二元結(jié)構(gòu)堤基下層透水層的滲透變形情況;遠(yuǎn)處溢出口用于模擬無(wú)窮遠(yuǎn)處的滲流出口.為便于觀察土的滲透變形過(guò)程,試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯獗诓捎? cm厚的透明有機(jī)玻璃.為了監(jiān)測(cè)沿程的水頭變化情況,在儀器一側(cè)距頂部向下20 cm和40 cm處各設(shè)置了一排測(cè)壓管.此外,還設(shè)置有飽和裝置,供試驗(yàn)前飽和土樣之用.

圖1 砂槽滲流模型Fig.1 Seepage model of sand flume

為模擬二元結(jié)構(gòu)堤基,模型下層填筑85 cm厚的具有相對(duì)強(qiáng)透水性的細(xì)砂層,上層填筑15 cm厚的具有弱透水性的粉質(zhì)黏土.為保證室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)情況的相似性,上述2種土均取自于長(zhǎng)江大堤南京段.粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)為6.16×10-6cm/s,干密度為1.6g/cm3,相對(duì)密度為2.75;細(xì)砂的滲透系數(shù)為1.28×10-2cm/s,干密度為1.42g/cm3,孔隙率為42%,相對(duì)密度為2.65.

上游進(jìn)水裝置下方設(shè)置了塑料排水板,通過(guò)調(diào)節(jié)排水板的埋置深度,可將上游水頭引至透水層相應(yīng)位置,從而達(dá)到模擬河床下切進(jìn)入細(xì)砂層深度H′變化的目的.本試驗(yàn)共分5組,5組的H′分別為0cm,10cm,20 cm,30 cm,40 cm.在進(jìn)行每組試驗(yàn)時(shí),上游水頭從7 cm起開(kāi)始提高,待一級(jí)水頭穩(wěn)定后再提高下一級(jí)水頭,每級(jí)水頭的提高幅度為5 cm.每一組試驗(yàn)都由滲透變形發(fā)生到最終破壞,即形成貫通的通道時(shí)結(jié)束.由于砂土材料結(jié)構(gòu)不均等因素的影響,破壞水頭的形成不確定因素很多,因此,本次試驗(yàn)偏重于滲透變形發(fā)生的研究.

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of laboratory tests

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 臨界及破壞水頭變化

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.從表1可以看出:當(dāng)臨界水頭由22 cm降為17 cm時(shí),破壞水頭由42cm降為37cm;當(dāng)臨界水頭由17 cm降為12 cm時(shí),破壞水頭由37 cm降為32 cm.這表明,塑料排水板下切細(xì)砂層深度對(duì)滲流場(chǎng)滲透變形的發(fā)生和發(fā)展都有一定的影響,塑料排水板下切細(xì)砂層越深,臨界水頭和破壞水頭就越低.從表1還可以看出,第5組與第6組試驗(yàn)所得到的臨界水頭和破壞水頭一樣.這說(shuō)明,河床下切超過(guò)一定深度后,河床下切深度對(duì)研究區(qū)域內(nèi)滲透變形影響幅度會(huì)減小.

2.2 測(cè)壓管水頭沿程變化

為了說(shuō)明上游水頭不變情況下,滲透變形發(fā)生前滲流場(chǎng)受排水板下切深度的影響,繪制了上游水頭為12 cm時(shí)的測(cè)壓管水頭沿程變化曲線,如圖2所示.從圖2可知:隨著排水板下切深度H′的增加,曲線位置會(huì)不斷向上抬升,即研究區(qū)域內(nèi)相同位置的水頭值在增加;隨著排水板下切深度H′的增加,相鄰曲線間的距離也越來(lái)越小,即下切深度對(duì)滲流場(chǎng)的影響越來(lái)越小.

圖2 上游水頭12 cm時(shí),不同下切深度H′下測(cè)壓管水頭沿程變化曲線Fig.2 Hyd rographs of water head in piezometric tube under different entrenchment depths for upstream level=12 cm

2.3 滲透變形的發(fā)生和發(fā)展

根據(jù)物理指標(biāo),可判斷試驗(yàn)細(xì)砂破壞屬流土類破壞.試驗(yàn)結(jié)果表明:在滲透變形剛發(fā)生時(shí),出水口出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象(圖3),出水口下方黏性土與細(xì)砂土接觸處出現(xiàn)流土型破壞,并且出水口附近的細(xì)砂體呈現(xiàn)蜂窩狀(圖4);隨著上游水頭的增加,渾濁現(xiàn)象更加明顯,蜂窩狀砂體部位也在擴(kuò)大,出水口下方出現(xiàn)向上游發(fā)展的接觸沖刷現(xiàn)象(圖5);當(dāng)上游水頭達(dá)到破壞水頭時(shí),出現(xiàn)明顯的接觸沖刷和滲流通道貫通現(xiàn)象(圖6);通道形成后,出水口滲流量明顯增加,而遠(yuǎn)處溢出口流量有所下降.

圖3 出水口的渾濁現(xiàn)象Fig.3 Turbidity at outlet

圖5 出水口下方的接觸沖刷現(xiàn)象Fig.5 Contact scour below outlet

圖6 滲透變形發(fā)展的通道Fig.6 Channels for generation and development of seepage deformation

2.4 出水口流量變化

出水口滲流量與上游水頭關(guān)系曲線如圖7所示.從圖7可知,在滲透通道貫通前,各曲線近似為直線,即出水口滲流量隨著上游水頭的增加而增加,而局部滲透變形對(duì)出水口流量的影響并不明顯.圖7所示最后一級(jí)水頭為破壞水頭,流量因通道發(fā)展至上游入水口而急速增加,記錄的僅為貫通后的某一瞬間數(shù)值.圖7表明,當(dāng) H′從 0 cm增加到10 cm,再?gòu)?10 cm增加到20 cm時(shí),同一上游水頭下的出水口滲流量會(huì)相應(yīng)增加,但當(dāng)H′＞20 cm時(shí),曲線幾乎重合.這說(shuō)明排水板下切深度對(duì)出水口滲流量的影響僅在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生.試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)下切度P′≥0.24時(shí),排水板下切深度對(duì)出水口滲流量的影響就趨于穩(wěn)定了.

圖7 出水口滲流量與上游水頭關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between seepage discharge at outlet and upstream water level

3 結(jié) 論

a.相同上游水頭作用下,隨著河床下切深度的增加,研究區(qū)域內(nèi)滲流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化,臨界水頭和破壞水頭均有所降低;當(dāng)河床下切到一定深度,即下切度P′達(dá)到某一數(shù)值(0.5)后繼續(xù)增加時(shí),河床下切深度對(duì)滲流場(chǎng)的影響就趨于穩(wěn)定.

b.二元結(jié)構(gòu)堤基中滲透變形的發(fā)展過(guò)程:首先在出水口下方出現(xiàn)流土類破壞;隨著上游水頭的增加,流土范圍向出水口上游并在深度上有所發(fā)展,而且有向上游發(fā)展的接觸沖刷現(xiàn)象出現(xiàn);至破壞水頭時(shí)才出現(xiàn)明顯接觸沖刷現(xiàn)象,以致滲流通道貫通.

c.局部滲透變形的發(fā)生對(duì)出水口滲流量的影響并不大,滲流量基本上還是隨著上游水頭變化而變化;河床下切度對(duì)出水口滲流量的影響僅在某一數(shù)值范圍(0～0.24)內(nèi)產(chǎn)生,超過(guò)這一范圍,影響就很小了.

[1]陳西安.懸掛式防滲墻防滲效果的模擬試驗(yàn)研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[2]曹杰.懸掛式防滲墻控制堤基滲透變形的模擬試驗(yàn)研究[D].南京:河海大學(xué),2008.

[3]王保田,陳西安.懸掛式防滲墻防滲效果的模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008(增刊1):2766-2771.(WANG Baotian,CHEN Xi-an.Research on effect of suspended cut-off wall with simulation test[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008(Sup1):2766-2771.(in Chinese))

[4]張家發(fā),吳昌瑜,朱國(guó)勝.堤基滲透變形擴(kuò)展過(guò)程及懸掛式防滲墻控制作用的試驗(yàn)?zāi)M[J].水利學(xué)報(bào),2002,33(9):108-111.(ZHANG Jia-fa,WU Chang-yu,ZHUGuo-sheng.Experimental study on seepage deformation propagation control using impervious wall of suspension type[J].Journal of Hydraulic Engineering,2002,33(9):108-111.(in Chinese))

[5]李向鳳,王保田,安彥勇.懸掛式防滲墻結(jié)合堤后壓滲蓋重防滲效果的試驗(yàn)研究[J].巖土工程技術(shù),2009,23(2):75-78.(LI Xiang-feng,,WANG Bao-tian,AN Yan-yong.Experimental study on seepage control by means of suspended cut-off wall with landside seepage berm[J].Geotechnical Engineering Technique,2009,23(2):75-78.(in Chinese))

[6]姚秋玲,丁留謙,孫東亞,等.單層和雙層堤基管涌砂槽模型試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),2007,38(2):13-18.(YAO Qiuling,DING Liu-qian,SUN Dong-ya,et al.Experimental studieson piping in single-and two-stratum dike foundations[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2007,38(2):13-18.(in Chinese))

[7]毛昶熙,段祥寶,蔡金傍,等.堤基滲流無(wú)害管涌試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2004,35(11):46-53.(MAO Chang-xi,DUAN Xiangbao,CAI Jin-bang,et al.Experimental study on harm less seepage piping in levee foundation[J].Journal of Hydraulic Engineering,2004,35(11):46-53.(in Chinese))

[8]毛昶熙,段祥寶,蔡金傍,等.北江大堤典型堤段管涌試驗(yàn)研究與分析[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(7):818-824.(MAO Chang-xi,DUAN Xiang-bao,CAI Jin-bang,et al.Experimental study and analysis on piping of levee in Beijiang River[J].Journal of Hydraulic Engineering,2005,36(7):818-824.(in Chinese))

[9]丁留謙,姚秋玲,孫東亞,等.三層堤基管涌砂槽模型試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),2007,38(2):19-22.(DING Liu-qian,YAO Qiu-ling,SUN Dong-ya,et al.Experimental studies on piping development in three-stratum dike foundations[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2007,38(2):19-22.(in Chinese))

[10]丁留謙,姚秋玲,孫東亞,等.雙層堤基中懸掛式防滲墻滲控效果的試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),2007,38(2):23-26.(DING Liu-qian,YAO Qiu-ling,SUN Dong-ya,et al.Experimental studies on the seepage control effects of suspended cutoffs[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2007,38(2):23-26.(in Chinese))

[11]毛昶熙,段祥寶,蔡金傍,等.懸掛式防滲墻控制管涌發(fā)展的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(1):42-50.(MAO Chang-xi,DUAN Xiang-bao,CAI Jin-bang,et al.Experimental study on piping development control by means of suspended cut-off wall[J].Journal of Hydraulic Engineering,2005,36(1):42-50.(in Chinese))

[12]姚秋玲.堤基管涌機(jī)理及懸掛式防滲墻滲控效果試驗(yàn)研究[D].北京:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2006.