懸掛式防滲墻滲流試驗方法與技術(shù)改進

余允吉,杜秀忠,孫昌利,馬 勇

(廣東省水利水電科學研究院, 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510635)

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懸掛式防滲墻滲流試驗方法與技術(shù)改進

余允吉,杜秀忠,孫昌利,馬 勇

(廣東省水利水電科學研究院, 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510635)

懸掛式防滲墻的主要作用有限制管涌通道的發(fā)展和改變滲流場的流態(tài),目前關(guān)于懸掛式防滲墻的試驗研究較多,試驗方法和技術(shù)也在不斷改進。該文詳細介紹了懸掛式防滲墻模型試驗方法和試驗過程,并提出了試驗技術(shù)改進。比如采用壓力水袋作為覆蓋層的模擬材料,有效阻止覆蓋層和砂樣接觸面出現(xiàn)間隙,防止覆蓋層邊沿發(fā)生漏水；砂槽上游供水設(shè)計成“二級供水”模式,使上游水位更穩(wěn)定；使用透明紗布消除排水液面“張力”對下游排水順暢性的影響；改進供水箱,消除進水邊界水頭損失。

懸掛式防滲墻；砂槽試驗；試驗技術(shù)；覆蓋層模擬

懸掛式防滲墻相比于封閉式防滲墻,具有投資小、施工快的優(yōu)點,并且由于其半封閉性,使得河水與地下水之間有一定的連通性[1],因此運用十分廣泛,相關(guān)的試驗研究也較多,目前室內(nèi)試驗主要采用砂槽模型來進行,槽型的設(shè)置盡可能與原型中物理過程完全相同,區(qū)別僅在于比例尺的大小。砂槽內(nèi)一般填充不同級配的砂來模擬滲流介質(zhì),模型箱一般由角鐵框架和玻璃板組成,側(cè)壁或底部安裝測壓管,上游設(shè)置供水系統(tǒng)控制水位,下游設(shè)置排水系統(tǒng),供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)中要設(shè)置測流量的裝置,有時還可增添人工降雨或人工蒸發(fā)裝置[2]。如要觀察水流在土中的流線、浸潤曲線和滲透速度,可采用紅墨水或染料示蹤。本文在進行有關(guān)懸掛式防滲墻滲流試驗時,吸取前人大量的經(jīng)驗,對試驗方法和試驗技術(shù)做了改進。

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

試驗裝置連接如圖1所示,裝置模型實物照片如圖2所示。試驗?zāi)Ｐ陀稍囼炆安邸⒐┧刂葡到y(tǒng)和量測系統(tǒng)組成。

圖1 試驗裝置連接示意

1.1供水排水控制系統(tǒng)

整套試驗?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定運行需要建立在穩(wěn)定的水位控制基礎(chǔ)上。如圖2所示,定滑輪、供水桶(圖2①號桶)、水位桶(圖2③號桶)、PVC活動溢流管以及排水管(圖2③號)共同組成供水排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)有如下特點：

圖2 試驗裝置實物示意

1) 提供穩(wěn)定的上游水頭：供水桶(①號)直接連接外界水龍頭,由于外界水源不受控制,進水流速隨時變化,因此需要設(shè)置一個水位桶(③號)二次過渡,二者通過軟塑膠管連接,從而為砂槽提供穩(wěn)定的進水水頭。

2) 可微調(diào)水頭：該系統(tǒng)有粗調(diào)和微調(diào)兩種調(diào)節(jié)水頭方式。粗調(diào)通過升降定滑輪來實現(xiàn),這種調(diào)節(jié)方式受制于定滑輪齒輪間隔,每次最少升降2 cm水位；微調(diào)通過旋轉(zhuǎn)水位桶邊沿的PVC活動溢流管來實現(xiàn),由于溢流管旋轉(zhuǎn)角度可自由控制,可根據(jù)需要進行微調(diào)。

3) 穩(wěn)定的排水流量：如圖3所示,下游排水管的進水段由1根PVC管切割制作而成,與下游液面保持平行放置,防止下游液面在排水過程中水平流動或出現(xiàn)波動。另外由于水的張力影響,在小流量情況下,排水會出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況,使得測量排水流量十分困難,且嚴重影響測量精度。為了消除水張力對下游排水流暢性的影響,保證出水穩(wěn)定,排水管進水段需鋪一層寬約5 cm的透明紗網(wǎng),長度與排水管進水段相當,如圖3所示。

圖3 試驗裝置實物示意

1.2覆蓋層模擬

試驗?zāi)Ｐ透采w層主要模擬相對弱透水層,根據(jù)模擬覆蓋層采用的材料的不同,有剛性材料模擬和柔性材料模擬兩種方法[3]。本次試驗采用的方法為“柔性材料模擬方法”：通過壓力水袋將預(yù)加壓力作用在砂樣表面。其工作原理為：壓力水由供水桶(圖2①號桶)提供,試驗上游水位由水位桶(圖2③號桶)提供,而根據(jù)供水系統(tǒng)組成,水位桶一定比供水桶位置要低,因此上游進水水位一定低于壓力水袋的覆蓋壓力,無論在何種情況下,壓力水袋薄膜都會和有機玻璃板內(nèi)壁緊緊貼住,砂樣中的水壓力小于壓力水袋水壓力從而無法溢出。

圖4③號塑膠管外接測壓管,如果該測壓管讀數(shù)驟降,則表明加壓失敗,水袋漏水,需重新制作。

圖4 壓力水袋模擬覆蓋層

1.3測壓管布置

測壓管布置遵循“等勢線密集處多布置,等勢線稀疏處少布置”、“重點研究區(qū)域多布置,非重點區(qū)域研究少布置”原則。離擋板端部越近,越接近試驗的重點區(qū)域,測壓管布置越多。另外考慮到砂樣為均質(zhì)各向同性,擋板下游側(cè)等水頭線為近似半圓或者橢圓分布,測壓管以擋板端部為中心呈放射性布置。測壓管進水口采用固定銅管,銅管向內(nèi)伸入砂樣2～3 cm,為了防止“邊界效應(yīng)”的影響。

測壓管布置如圖5所示,以擋板為中心呈放射性分布,共9組,從上游往下游依次編號為A組(0°)、Z組(0°)、F組(45°)、N組(90°)、S組(60°)、T組(30°)、B組(0°)、C組(0°)、D組(0°),括號內(nèi)角度為該組與水平面夾角。根據(jù)需要每組測壓管布置3～5個測壓管,組內(nèi)編號以離擋板最近的測壓管開始,依次為1、2、3、4……另外供水區(qū)兩根測壓管J1、J2,分別用來測量“供水箱水頭”和“進水邊界水頭”。

圖5 測壓管布置示意(單位：cm)

2 試驗方法與步驟

2.1砂樣裝填

本文以李興華砂槽試驗方案[4]為砂樣裝填主要參考方法,以下為操作方法和步驟：

1) 模型箱漏水檢查：連接砂槽箱、供水控制系統(tǒng)和測壓管系統(tǒng)后,開啟水龍頭閥門,至砂槽供水箱中的水位滿時,靜置約10 min,檢查模型箱接縫處是否出現(xiàn)滲漏情況。

2) 砂樣裝填：無發(fā)現(xiàn)漏水情況后,放出箱內(nèi)部分水直至水深保持約10 cm,并向其中裝填砂樣；裝填時分層進行,砂樣每增加5 cm層厚以鐵芯多次振搗直至密實,重復(fù)上述步驟,直到砂樣達到預(yù)期高度為止。

3) 滲透壓密：完成上述步驟以后,開啟排水孔閥門,讓水在砂槽內(nèi)向下流動。等到砂槽內(nèi)水位降至最低時,將排水閥門關(guān)閉,緩慢開啟上游進水閥門直到下游水位滲出砂面。因為水流方向始終是向下的,反復(fù)操作以上流程,砂樣的滲透壓密效果比較明顯。

以上步驟完成以后,接下來可開始安裝上游壓力水袋模擬覆蓋層。

2.2模擬覆蓋層壓力水袋

首先需根據(jù)上游覆蓋層的預(yù)留空間制作合適的長方體薄膜袋,安裝薄膜袋時需緊貼砂面和砂槽有機玻璃板側(cè)壁,最后使用玻璃膠緊密粘貼有機玻璃蓋板、薄膜袋邊緣和有機玻璃側(cè)壁。操作完成后,需靜置 24 h,等待玻璃膠完全凝固后,用角鐵將有機玻璃蓋板兩端固定。由圖4壓力水袋模擬覆蓋層實物圖可看到壓力水袋充滿壓力水的狀態(tài),在水壓力作用下,壓力水袋與砂面及有機玻璃板側(cè)壁緊密貼合。

2.3測壓管排空氣

開啟供水桶,向砂槽供水區(qū)緩慢注水,待水位上升至砂面以上形成自由液面,排水管有出水后,將窄透明紗網(wǎng)片(約50 mm寬,與排水管進水段等長)覆蓋于下游排水管進水段,使上下游水頭差保持在100 mm以下。然后利用空氣密度小于水密度原理,排出測壓管中的空氣。

具體操作如下：從黃銅管上撥出膠管后輕輕將管內(nèi)空氣抖出,利用槽壁黃銅管中的水灌滿膠管,再套上黃銅管。完成以上操作后,關(guān)閉進出水口,將砂槽靜置數(shù)分鐘,直至整排測壓管中的水頭高度一致。

2.4試驗加荷過程控制

滲透壓力和滲透時間為滲流狀態(tài)的2個基本變量。滲透壓力對應(yīng)本試驗中的上下游總水頭差ΔH,滲流時間則由加荷過程控制,可采用“逐級加荷”或者“階梯式逐級加荷”方式[3],區(qū)別在于水頭差是否保持穩(wěn)定不變。第一類加荷方式包含水頭差和時間兩個變量；第二類加荷方式只有一個時間變量,即保持在水頭差穩(wěn)定不變的情況下。試驗采用逐級加荷目的是防止加壓過猛破壞砂樣。

2.5流量測定方法

各測壓管水位數(shù)據(jù)和砂槽的進出口流量數(shù)據(jù)的測量同步進行。首先同時測量水位桶溢出流量和下游排水流量,同時完成測壓管數(shù)據(jù)記錄,最后才能測量水位桶進水流量。測量水位桶進水時會影響整個砂槽的進水流量,要放在最后測量。

從實踐來看,進水流量不如排水流量的測量值穩(wěn)定。隨機對比兩組試驗,如圖6為試驗測得的下游排水與總進流量的對比圖。下游排水Q3指每次試驗記錄完畢后,下游排水管的排水流量；總進流量Q4指流量控制桶的進流量與水位桶的出流量差值,即進入模型箱的總流量。

如圖6所示,砂槽進出流量差值較小,基本能達到流量守恒,可以表明模型箱無滲漏情況；另外曲線總流量與總水頭差基本成正比,符合正常的滲流規(guī)律。同時也可發(fā)現(xiàn),排水流量數(shù)據(jù)相較進水流量數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定,這是因為,試驗是利用量筒接水與秒表計時來測流量,水位桶的進流量與出流量差值為總進流量,因此進水流量需測兩次,另一方面水位控制桶進水流速較快,很難測準；下游排水流速較小,在連續(xù)的情況下測量時間充裕,誤差較小[5]。所以應(yīng)盡可能采取測量次數(shù)少且水流流速慢的方式。

圖6 排水流量與進水流量對比

3 試驗技術(shù)改進

本次實驗在借鑒以往類似試驗的基礎(chǔ)上,提出以下技術(shù)改進：

1) 利用透水紗布,消除水“張力”對排水通暢性的影響

多次試驗表明,排水流量一般較小,為10 mL/s左右,容易受到水張力的影響,發(fā)生下游排水時斷時續(xù)的現(xiàn)象,導致下游液面波動較大,一方面下游水位難以保持穩(wěn)定,另一方面排水流量中斷嚴重影響測量準確性。經(jīng)過數(shù)次改進,發(fā)現(xiàn)以一層透明紗布覆蓋在下游排水管上方可有效提升引流效果(圖3)；透明紗布長40 cm,寬5 cm,透明透水,對排水和試驗現(xiàn)象的觀察影響很小。

2) 覆蓋層模擬方法改進

如何模擬覆蓋層,關(guān)系到最終試驗?zāi)芊癯晒?。以往研究表?剛性覆蓋層對閘底板等剛性材料接觸沖刷現(xiàn)象的模擬效果比較好,但對于砂層等相對柔性材料模擬效果并不好,試驗得到的臨界水力坡降明顯小于實際值,而采用柔性覆蓋層,得到的管涌臨界水力坡降值較高[6]。

一般采用有機玻璃板或水泥砂漿作為剛性覆蓋層的模擬材料。本試驗嘗試過幾次采用有機玻璃板作為模擬材料,均出現(xiàn)問題,主要有兩個方面：一是覆蓋層底部出現(xiàn)間隙,同時極易發(fā)生漏水；二是極易在有機玻璃板覆蓋層下沿形成滲流通道,對試驗過程和結(jié)果產(chǎn)生嚴重影響。嘗試使用水泥砂漿作為模擬材料,在覆蓋層底部仍然出現(xiàn)間隙,且由于水泥砂漿材料比有機玻璃板摩擦力大,一旦出現(xiàn)滲漏更難封堵。

剛性覆蓋層模擬用于砂土等相對柔性材料試驗時出現(xiàn)以上問題的原因為,初次裝填的砂土相對松散,在經(jīng)過數(shù)次的充水密實后,填砂會發(fā)生沉降,從而在剛性覆蓋層下形成間隙。

李興華[3]提出利用裝有砂樣的塑料薄膜袋作為模擬材料,將其分層壓緊再進行壓密,使之緊貼砂樣表面和模型箱內(nèi)側(cè)壁。為了充分發(fā)揮薄膜袋中砂的重力作用,砂袋裝填之前在覆蓋層位置的內(nèi)側(cè)壁均勻涂抹凡士林,然后再緊貼模型箱內(nèi)側(cè)壁鋪入塑料薄膜。本試驗嘗試用上述方法,試驗效果提高很多,但仍然有新的問題：雖然砂袋的壓重作用使得覆蓋層底部砂樣不會發(fā)生變形隆起,但當上游水頭不斷增加到一定程度,砂袋與砂槽有機玻璃板內(nèi)側(cè)壁之間的孔隙水壓力,小于砂層內(nèi)自下而上強大的進水壓力時,水會繞過砂袋溢出,水壓力直接作用在覆蓋砂袋的水平有機玻璃擋板上,當壓力過大時,有機玻璃板和角鐵框架的接觸線上便開始漏水。

通過不斷的嘗試,發(fā)現(xiàn)使用完全柔性材料,效果最為理想,即采用“壓力水袋模擬法”。

如上文所述,供水箱箱水頭永遠比水袋壓力小,覆蓋層不可能因為進水水頭過大導致漏水。另一方面由于柔性材料的特點,也可有效防止砂樣水密后覆蓋層底部出現(xiàn)間隙的情況。因此壓力水袋為懸掛式防滲墻模擬試驗提供了較大的幫助,但其同時壓力水袋也存在高水壓下水袋過于緊貼砂層等不足,在防滲墻上游土體研究試驗中是否同樣適用還有待進一步實驗研究。

3) 進水邊界水頭損失

從圖7中可見,2個上游水頭測壓管設(shè)置在供水箱中：在供水箱中連接著水頭測壓管；多孔擋板與紗網(wǎng)組成供水箱和砂層的接觸面,供水邊界測壓管與接觸面相連接。

因2個測壓管同處供水箱中,僅以一道紗網(wǎng)組成的透水邊界相隔,一般可忽略水頭損失。但縱觀多次試驗,供水箱與供水邊界水頭間最大能達12 mm的絕對差值,所以應(yīng)將二者之間差值納入考慮范圍。

圖8為總計26組滲流試驗的供水邊界內(nèi)外水頭損失百分比,即供水箱內(nèi)水頭與供水邊界水頭之差占上下游總水頭差的百分比,從第9組至第17組虛線內(nèi)的各組試驗,總水頭始終保持在1 093 mm,總水頭差ΔH保持在680 mm,從曲線可發(fā)現(xiàn),在上下游總水頭差保持不變的情況下,供水箱邊界水頭損失逐漸減少,此后逐漸趨于穩(wěn)定。

由于多孔擋板與紗網(wǎng)間阻力雖較小,但仍消耗部分水頭,所以出現(xiàn)上述情況。為減少誤差,最大程度消除紗網(wǎng)水頭損失影響,把靠近砂樣一側(cè)邊沿作為模型的進水邊界,其水頭值即為上游水頭值。

陳震宇、張武[7-8]在類似試驗中也發(fā)現(xiàn),砂槽供水區(qū)進水側(cè)兩邊存在一定的水頭損失,為了消除影響,他們將穩(wěn)水區(qū)的測壓管水位剔除在外。但由于當時的試驗設(shè)計未考慮到這種情況,進水邊界與測壓管還有一定距離,水頭損失無法避免,因此難以準確測量進水邊界的水頭值。為保證試驗的準確性,本次試驗首次以軟膠管將穩(wěn)水區(qū)內(nèi)銅管引到外部,再進行測量,如圖7所示。

圖7 邊界水頭測量示意

圖8 邊界內(nèi)外水頭損失百分比

4 總結(jié)

本文對懸掛式防滲墻模擬試驗方法和過程作了詳細的介紹，介紹了上游供水排水系統(tǒng)、覆蓋層模擬、測壓管布置等試驗?zāi)Ｐ偷木唧w組成；介紹了砂樣裝填方法、模擬水袋的制作、試驗水頭加荷過程控制方法、流量測量方法等試驗具體方法和步驟；

同時本文在吸取前人大量經(jīng)驗的情況下,提出了試驗方法與技術(shù)改進。比如上游進水采用“二級供水”模式,使上游水位更穩(wěn)定；制作壓力水袋來模擬砂槽覆蓋層,防止覆蓋層和砂樣接觸面脫空,以及漏水；采用透明紗布消除排水液面“張力”對下游排水順暢性的影響；改進供水箱消除進水邊界水頭損失等。

[1] 劉達, 廖華勝, 周俊, 等. 懸掛式防滲墻滲控特性的數(shù)值模擬及試驗研究[J].廣東水利水電, 2008(5):8-17．

[2] Maxwell C. Eruin, Neil D. Benson.Melbourne’s south bank Interchange: a permanent excavation in compressible clay[J].Canadian Geotechnical Journal. October 2004: 866-877．

[3] 余允吉. 懸掛式防滲墻后土體滲流試驗研究[D]. 廣州：華南理工大學, 2014.

[4] 李興華. 堤基滲透破壞過程及管涌通道沖刷擴展的試驗研究[D]. 廣州：華南理工大學, 2011.

[5] 趙輝.堤基管涌通道沖刷擴展的試驗研究[D]. 廣州：華南理工大學, 2013．

[6] 周紅星, 曹洪, 林潔梅. 管涌破壞機理模型試驗覆蓋層模擬方法的影響研究[J]. 廣東水利水電, 2005(2):6-10.

[7] 陳震宇. 堤基管涌破壞的室內(nèi)實驗及數(shù)值模擬研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2007.

[8] 張武. 雙層堤基堤后薄覆蓋層滲透破壞砂槽模型試驗研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2009．

(本文責任編輯 馬克俊)

Test Method and Improvement of the Research and Experiments about Suspended Cut-off Wall

YU Yunji, DU Xiuzhong,SUN Changli,MA Yong

(Guangdong Reserch Institute of Water Resourses and Hydropower; Guangdong Geotechnical Engineering Technology Research Centres, Guangzhou 510635, China)

Suspended cut-off wall was studied a lot about the development of piping and the change of seepage flow, with the development of the test methods and techniques have been improved. In this paper on the suspended cut-off wall seepage test, the improvement technology of suspended cut-off wall simulation test is introduced. For example, the pressure water simulation layer can effectively prevent the upper sand tank leaking and covering ground gaps; Sand groove upstream water supply design into the secondary water supply mode make the upstream water level more stable; Drainage liquid level "tension" transparent gauze is used to eliminate the impact on the downstream drainage flow; Improving the upstream water tank to cut the boundary water head loss.

suspended cut-off wall； sand tank test；experimental technique；covering simulation

2016-06-02;

2016-06-20

余允吉(1988 )，男，碩士，助理工程師，主要從事巖土工程設(shè)計工作。

TV223.4+2