波浪作用下管袋壩袋間接縫沖刷試驗裝置及方法

郝雪航 束一鳴 蔚成亮 滿曉磊 周天娥 楊 帆

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098）

充填管袋筑堤技術(shù)始于20世紀(jì)五、六十年代，現(xiàn)在已經(jīng)成為圍海造陸工程、海岸防護(hù)工程中所采用的一種十分重要的建筑措施.管袋壩的施工工藝一般是先在水下充填兩側(cè)的大型土工管袋形成圍堰，待圍堰高程達(dá)到水面以上后，在兩側(cè)圍堰中間吹填砂土形成擋水堤壩，典型斷面如圖1所示.管袋堤壩一般較長，最長達(dá)幾十公里，在堤軸線方向上是由眾多管袋搭接而成，搭接處會形成如圖2所示的接縫管路.在壩芯吹填砂土施工時，管袋外側(cè)尚未進(jìn)行防護(hù)，壩內(nèi)外水流會沿著接縫管路流動，壩芯的充填砂可能會在滲流力作用下沿接縫管路流失.此外，當(dāng)壩體充填到達(dá)設(shè)計高程后，雖然外側(cè)壩坡用土工織物進(jìn)行防護(hù)，但在波浪和復(fù)雜水流作用下，深水中的土工織物搭接很難精確定位，常常出現(xiàn)管袋壩體局部裸露在水下.所以，在管袋壩施工期和運(yùn)行期，接縫管路會成為壩芯砂體天然的滲漏通道，壩芯及接縫管路中充填砂的細(xì)顆粒會不斷流失而發(fā)生滲透破壞，這給壩體結(jié)構(gòu)帶來了很大的安全隱患.

由于國外的管袋所用編織物強(qiáng)度較高，單個管袋尺寸可以較大，管袋搭接形成的接縫也較少，接縫問題在國外并不突出，因此國外學(xué)者對管袋壩研究多集中于力學(xué)特性、管袋的材料滲透特性、壩體的穩(wěn)定性等問題［1－3］.在國內(nèi)，通過現(xiàn)場試驗、模型試驗等對管袋壩在不同波浪、水流條件下是否穩(wěn)定展開了深入研究［4－7］，并針對管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷滲透問題，完成了單向水流作用下壩芯砂體沿管袋之間接縫發(fā)生滲透破壞的試驗［8］.考慮到管袋壩多位于河口海岸地區(qū)，此處的水流比單向流要復(fù)雜的多，尤其在比較危險且常見的波浪作用下，管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷滲透問題會更加突出，因此很有必要對波浪作用下管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷問題進(jìn)行深入地研究.

圖1 管袋堤壩典型斷面

圖2 袋間接縫

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置原理

由于管袋壩袋間接縫的存在，其壩芯內(nèi)吹填砂在不同周期、能量波浪作用下，容易沿袋間接縫流至壩外.因此，在借鑒其他滲透破壞試驗裝置及方法的基礎(chǔ)上［9］，根據(jù)壩體實際施工情況將問題簡化為圖3所示的試驗裝置，管路用于模擬袋間接縫，砂箱用于模擬壩芯砂體，波浪發(fā)生器用于模擬波浪作用.本文主要研究壩體在波浪作用的工況，探究在波浪作用下管袋壩芯砂體沿袋間接縫發(fā)生沖刷失穩(wěn)的現(xiàn)象，以期為工程實際提供有意義的參考.

圖3 裝置原理簡化示意圖

1.2 試驗裝置組成

模型裝置組成部分包括：波浪發(fā)生器、管路、砂箱、信息采集設(shè)備等.裝置主體材料使用有機(jī)玻璃，便于觀測砂顆粒動態(tài).裝置實物圖如圖4所示.

圖4 試驗裝置實物圖

1）波浪發(fā)生器

波浪發(fā)生器用于模擬波浪作用，一般對波浪作用研究多集中在波浪破碎前對泥沙的作用分析或者波浪作用對建筑物波浪力研究，為去除反射波產(chǎn)生的影響，多設(shè)置消波裝置.本試驗主要研究波浪破碎后通過管袋壩袋間接縫作用于壩芯砂體，波浪能量大幅度減小，從實際出發(fā)也無需消波.鑒于本試驗特殊性在借鑒前人造波方法（推波及壓波）的前提下，提出了新型壓波裝置，該裝置適用模擬較小能量無需消波的波浪作用.如圖5所示.考慮到不規(guī)則波浪較為復(fù)雜，實驗室模擬分析難度比較大，故實際工作中常常采用規(guī)則波進(jìn)行近似模擬試驗.

圖5 波浪發(fā)生器

該裝置主要組成部分包括水箱、可調(diào)節(jié)閥門、消防水管、電機(jī)、變速器、壓水板等.可調(diào)節(jié)閥門用于調(diào)控進(jìn)入管路的水流能量；消防水管用于儲存造波水體；電機(jī)用于提供偏心旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)動力；變速器用于調(diào)節(jié)頻率，模擬不同周期波浪.電動機(jī)帶動偏心輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，于是帶動壓水板上下運(yùn)動，使水流發(fā)生往復(fù)運(yùn)動，以模擬不同周期、不同能量波浪作用.該作用器所造波形如圖6所示.

圖6 波形圖

2）管路

管路用于模擬袋間接縫，在實際的工程當(dāng)中管袋壩袋間形成的接縫長至10多m，短至兩三m，直徑大約為5cm，并且管路的形狀各不相同.基于偏安全的考慮以及為了方便量測，管路凈尺寸設(shè)計為200cm×5cm×5cm（長×寬×高），如圖7所示.管路頂部蓋板可以進(jìn)行拆卸，管路和蓋板組合安裝時利用橡膠墊片進(jìn)行止水，并用夾子進(jìn)行固定，管路一側(cè)連接集砂箱，一側(cè)連接砂箱.當(dāng)砂粒在管路中運(yùn)動移至集砂箱內(nèi)時，可以起到采集、取樣的作用.壓力傳感器通過側(cè)壁的接入點與管路相連以便于收集數(shù)據(jù).

圖7 管路

3）砂箱

砂箱用于模擬壩芯砂體，如圖8所示，分為裝砂室和浸潤室兩個部分.裝砂室和浸潤室之間用一塊多孔、均勻的固定有機(jī)玻璃板分開，并將同等尺寸的無紡布貼附于過流板上.當(dāng)浸潤室加滿水時，既可以使水流均勻的透過，又可以阻止砂粒流入浸潤室.裝砂室的尺寸為30cm×30cm×60cm（長×寬×高）；浸潤室尺寸為30cm×15cm×30cm（長×寬×高）.

圖8 砂箱

4）數(shù)據(jù)、圖像采集設(shè)備

采集的數(shù)據(jù)主要包括水流流速、水壓力等.采集水壓力實時動態(tài)數(shù)據(jù)主要是利用管路側(cè)壁安裝的傳感器（如圖9所示），先經(jīng)采集卡（如圖10所示）進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再傳至電腦自動保存.試驗時壓力傳感器一般布置6～8個，管路上間斷布置4～5個，砂箱布置2～3個.由于超聲波在水中進(jìn)行傳播時，傳播的時間會因水流流動發(fā)生變化，且變化率和水流流速為正比關(guān)系.根據(jù)此原理水流流速使用超聲波流量計來進(jìn)行測量，如圖11所示.圖像采集是通過使用攝像機(jī)、照相機(jī)、秒表等記錄整個顆粒運(yùn)動及沖刷滲透發(fā)生過程，可為后期數(shù)據(jù)分析提供影像資料.

圖9 壓力傳感器

圖10 采集卡

圖11 超聲波流量計

2 試驗材料

管袋壩充填砂土及壩芯吹填砂土一般多采用粉細(xì)砂，抗?jié)B透變形能力較弱.如圖12所示，江蘇沿海大規(guī)模圍墾條子泥（Ⅰ期）工程施工三標(biāo)管袋充填土顆粒級配檢測結(jié)果，顆粒粒徑主要在0.08～0.27mm之間.

圖12 充填土顆粒級配曲線

試驗砂樣采用密度為2 764kg／m3的天然石英砂體.無染色的砂體最細(xì)的粒徑小于0.075mm，經(jīng)染色工序的有色砂體粒徑最細(xì)可達(dá)0.125mm.本文試驗所配備可以篩選的標(biāo)準(zhǔn)砂樣粒徑從大到小為：～2.00 mm；2.00～0.850mm；0.850～0.425mm；0.425～0.180mm；0.180～0.125mm；0.125～0.075mm；0.075mm～.本文各組試驗砂樣相關(guān)參數(shù)見表1.可供選擇的顏色有紅色、紫色、藍(lán)色、橘黃色、綠色、白色、黑色，如圖13所示.

表1 砂樣參數(shù)表

續(xù)表1 砂樣參數(shù)表

圖13 彩色試驗砂樣

3 試驗過程

3.1 前期準(zhǔn)備

1）裝置組合.首先在管路內(nèi)及砂箱內(nèi)側(cè)壁粘貼紗網(wǎng)，由于紗網(wǎng)與國產(chǎn)編制布的糙率相當(dāng)，可用來模擬實際邊界.然后把集砂箱、管路、砂箱等各部分依次組裝，用橡膠墊片進(jìn)行密封止水，組裝好后通過水箱將管路內(nèi)注滿水，測試是否存在漏水現(xiàn)象，水壓力傳感器用橡膠軟管與管路側(cè)壁接口連接，并進(jìn)行校正.

2）試驗樣品制備.根據(jù)每組不同試驗?zāi)康囊约霸囼灩r，設(shè)定級配，依據(jù)顆粒粒徑質(zhì)量分布與顏色分布混合并攪拌均勻，配制出所需樣品.

3）試驗樣品填裝.采取分層填裝、逐層壓實的方式，來確保均勻的填裝式樣，達(dá)到預(yù)設(shè)的孔隙率.根據(jù)砂樣可保持穩(wěn)定的天然坡角以及實際工程情況，在砂箱與管路接口處砂體裝填成約38°的傾角.

4）加水浸潤.通過波浪發(fā)生器一側(cè)管口和浸潤室向裝置系統(tǒng)內(nèi)注水，為減少砂顆粒的擾動，注水速度盡可能緩慢，并保持兩側(cè)水位大致相同.浸泡時間保持在12h以上，以確保砂樣浸泡飽和.觀測壓力傳感器保持穩(wěn)定狀態(tài)時，使波浪發(fā)生器開始工作，進(jìn)行試驗.

3.2 試驗實施

1）施加波浪作用.調(diào)節(jié)周期和閥門開度設(shè)置預(yù)定波浪作用，觀察管路內(nèi)顆粒的移動情況，并維持該波浪作用，如果顆粒運(yùn)移較慢，則波浪發(fā)生器需持續(xù)工作至少3h.

2）采集數(shù)據(jù).采用壓力傳感器監(jiān)測管路和砂箱各部位實時壓力變化，通過超聲波流量計自動采集存儲流量、流速、時間等數(shù)據(jù).

3）影像采集.試驗開始時同時打開攝像機(jī)，用以記錄特征部位如頂面及側(cè)面顆粒移動情況，并用照相機(jī)在試驗過程中實時拍攝圖片.

3.3 試驗后處理

1）試驗結(jié)束后，使用環(huán)刀等對裝置系統(tǒng)內(nèi)特征部位砂體進(jìn)行取樣，進(jìn)行顆粒分析與孔隙率的測定，用以分析砂粒體在管路及砂箱中的分布情況.

2）量測管路砂堆長度，整理試驗過程中采集的數(shù)據(jù)，包括流速、水壓力數(shù)據(jù)等，進(jìn)行定性和定量分析.

3）調(diào)取影像資料，仔細(xì)觀察試驗過程中發(fā)生的試驗現(xiàn)象，分析各顆粒的移動特點和分布特點.

4 試驗裝置及方法的有效性驗證

利用本試驗裝置，展開了一系列的預(yù)試驗.以其中一個預(yù)試驗為例，如圖14所示，試驗條件為周期8 s，水面高于底面3.5cm，細(xì)顆粒組.3分57秒時管路中水體處于靜止的初始狀態(tài)，如圖14（a）所示，4分00秒時管路內(nèi)狀態(tài)如圖14（b）所示，模擬波浪作用產(chǎn)生后的來水階段，管路中水面上升，在管路砂堆的坡面上形成上爬水流.在此階段，砂顆粒沒有發(fā)生較大的運(yùn)動.當(dāng)水流上爬一定高度后進(jìn)入回水階段，該階段中水流回落水面下降，回落水流攜帶砂堆前端斜坡上松散砂顆?？焖傧蚯斑\(yùn)動，使管路水流呈現(xiàn)出渾濁狀態(tài)，如圖14（c）所示.該試驗現(xiàn)象表明在一定的周期、波浪能量作用下，壩芯砂顆粒會由袋間接縫被帶出壩外，與實際工程情況基本相符.因此，該裝置及方法對研究波浪作用下管袋壩袋間接縫的沖刷作用具有有效性.

圖14 管路內(nèi)沖刷現(xiàn)象

5 結(jié) 論

根據(jù)實際工程中管袋壩袋間接縫沖刷過程研究的需要，概化出一套試驗裝置，并提出了相關(guān)試驗方法.該裝置及方法可以模擬在不同周期、能量波浪作用下，管袋壩芯砂體流入管袋壩袋間接縫，并沿袋間接縫流失，直至管袋壩壩體發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的過程.本文主要是對管袋壩袋間接縫在波浪作用下的沖刷破壞試驗裝置與方法進(jìn)行了說明，也可以為管袋壩在潮汐往復(fù)水流作用、往復(fù)水流與波浪水流耦合作用等其他工況下的穩(wěn)定性研究提供有益參考.

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