管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失模型試驗

滿曉磊,束一鳴,曹明杰,蔚成亮,郝雪航,李少鵬,毛文龍

(1.滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院,安徽 滁州 239000; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

吹填管袋筑壩技術(shù)是以層狀堆疊的吹填管袋為圍堰,并在兩側(cè)管袋圍堰之間吹填砂質(zhì)土進(jìn)而形成堤壩的技術(shù),其典型斷面如圖1所示。與傳統(tǒng)河、海圍堤的筑堤技術(shù)相比,該技術(shù)具有施工工藝簡單、可就地取材、工程造價低、施工速度快、對軟土地基的適應(yīng)能力較好、施工受潮位和降雨影響小等優(yōu)點[1-2]。

圖1 管袋壩斷面

近年來,充填管袋技術(shù)在河口蓄淡水庫的建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于沿海港口城市人口數(shù)量急劇膨脹,淡水資源越來越成為制約城市發(fā)展的瓶頸。沿海地區(qū)匯入大海的大江大河擁有豐富的淡水資源,但由于受到海潮的影響,河口地區(qū)容易遭受咸潮的侵襲,影響河口地區(qū)的沿江取水,長江口、珠江口等地區(qū)受咸潮影響尤為突出。為了解決淡水資源的供需矛盾,沿海地區(qū)大城市紛紛開始建設(shè)蓄淡水庫作為城市的水源地。上海市在長江口建設(shè)了青草沙、陳行兩座蓄淡水庫,并正在規(guī)劃建設(shè)東風(fēng)西沙水庫[3];長江口的太倉等城市也已建或在建多座蓄淡水庫[4];江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃了蓄淡水庫總庫容為10.6億m3,約需大小20座水庫。由于沿海平原地區(qū)往往缺乏大量的筑壩土石料,而潮汐河口地區(qū)河床上部多為天然沉積粉砂、砂質(zhì)粉土等砂土料,所以采用充填管袋筑壩技術(shù)已成為潮汐河口地區(qū)建造蓄淡水庫的首選技術(shù)。

但是,前期建成的管袋壩經(jīng)過一段時間的運(yùn)行,也慢慢出現(xiàn)各種問題,包括壩體的局部沉降問題。通過論證分析,認(rèn)為局部的沉降可能是由于壩內(nèi)砂顆粒沿袋間接縫流失引起的(圖2),因此管袋壩袋間接縫沖刷問題應(yīng)引起重視,但目前我國關(guān)于該問題的研究幾乎空白。

圖2 袋間接縫

國外土工管袋大多選用高強(qiáng)土工織物制作,管袋可以做得很長,管袋搭接較少,管袋壩袋間接縫滲透沖刷穩(wěn)定問題并不突出,所以國外學(xué)者的研究更多地側(cè)重于管袋壩壩體穩(wěn)定性、管袋后期變形和管袋材料的滲透性等問題[5-11]。

圖3 單向流工況試驗裝置

本文針對管袋壩壩芯吹填砂沿袋間接縫流失破壞開展模型試驗研究,結(jié)合管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷模型試驗研究[12],可為工程實踐提供參考。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 單向流工況試驗裝置及試驗方法

根據(jù)工程中管袋壩袋間接縫可能形成細(xì)小水砂通道的實際情況,設(shè)計了管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失模型試驗研究裝置如圖3所示。該裝置由砂槽、水槽、沉砂槽、控制上下游水位的進(jìn)出水槽、測量設(shè)備、加載設(shè)備、照相攝像設(shè)備等組成,其中砂槽模擬管袋壩袋間接縫與壩芯交界處附近的吹填砂體,水槽模擬袋間接縫。

為了便于觀察,砂槽、水槽等均用有機(jī)玻璃制作。為了完成邊界條件的模擬,利用自行設(shè)計的簡易模型對國內(nèi)外兩種常用的管袋材料糙率進(jìn)行了測試,并根據(jù)謝才公式計算了糙率。測試結(jié)果表明,20目的白色紗網(wǎng)與國產(chǎn)編織布粗糙系數(shù)相當(dāng),且該紗網(wǎng)相對編織布更利于對試驗的觀察,因此試驗均用紗網(wǎng)配合有機(jī)玻璃用于編織布糙率的模擬。

試驗過程包括試驗準(zhǔn)備、試驗實施、試驗后處理3個階段。試驗準(zhǔn)備階段主要完成裝置組裝、配制砂樣、裝填砂樣及加載浸泡等準(zhǔn)備工作;試驗實施階段主要進(jìn)行試驗操作(水壓差的施加等)與信息采集(數(shù)據(jù)、圖像等);試驗結(jié)束后在特征部位取樣,用于進(jìn)行孔隙率檢測及顆分試驗,分析顆粒的流失及分布情況。

1.2 波浪工況試驗裝置及試驗方法

為模擬波浪水流沿袋間接縫對壩芯吹填砂的沖刷過程,設(shè)計了一套試驗裝置如圖4所示。該裝置主要由試驗砂槽、水槽以及波浪水流發(fā)生器3部分組成,其中砂槽用于模擬壩芯砂體,水槽用于模擬袋間接縫,波浪水流發(fā)生器用于提供進(jìn)入接縫的破碎波浪水流。

波浪水流發(fā)生器在調(diào)速電機(jī)的驅(qū)動下,為接縫水槽及試驗砂槽提供一定周期和壓力的往復(fù)水流,周期及能量分別通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和行程來改變。

試驗過程同樣包括試驗準(zhǔn)備、試驗實施、試驗后處理3個階段,除在試驗實施階段中施加不同特性的波浪作用外,其他試驗環(huán)節(jié)與單向流工況基本一致。

圖4 波浪工況試驗裝置(單位:mm)

2 單向流工況試驗結(jié)果與分析

2.1 吹填砂流失運(yùn)移規(guī)律

2.1.1 砂槽內(nèi)顆粒運(yùn)移特點

為便于研究壩芯砂體的運(yùn)移規(guī)律,將砂槽滲透影響區(qū)域劃分為8個特征單元,在每個特征單元內(nèi)布置不同顏色的彩砂。試驗結(jié)束后,分別在特征單元內(nèi)取樣,分析顆粒的運(yùn)移路徑并進(jìn)行顆粒分析。

由圖5和圖6可知,砂槽內(nèi)顆粒運(yùn)移的主要路徑為緊靠砂槽前壁(即緊靠袋間接縫)倒錐形半橢圓柱以及水槽頂部(即袋間接縫頂部)的砂體表面細(xì)小槽溝,當(dāng)發(fā)生顆粒滲透流失時,砂槽出口處顆粒首先被水流帶走,帶走的顆粒沿著堆積體表面細(xì)小槽溝運(yùn)移至顆粒堆積體另一端的自然坡面,最后從坡角依次往上部堆積形成新的坡面堆積層,當(dāng)砂槽出口上方結(jié)構(gòu)由于顆粒流失而無法穩(wěn)定時,上部砂體顆粒便塌落填補(bǔ)顆粒流失造成的孔洞。

圖5 砂槽內(nèi)(俯視)上層單元內(nèi)顆粒流失前后對比

圖6 砂槽內(nèi)(俯視)下層單元內(nèi)顆粒流失前后對比

試驗結(jié)束后對彩砂區(qū)域取樣的特征點位置如圖7所示,各取樣點顆分結(jié)果如圖8所示。

圖7 試驗結(jié)束后砂槽取樣點分布

從圖8可以看出,當(dāng)水槽發(fā)生滲透破壞時,在顆粒滲透流失而造成的倒錐形塌落區(qū)域外側(cè),顆?；旧衔窗l(fā)生運(yùn)移。塌落區(qū)域邊緣處的級配曲線均在原砂的下方,說明在該區(qū)域內(nèi)細(xì)顆粒存在流失現(xiàn)象,尤其是倒錐形塌落區(qū)邊緣中部,其細(xì)顆粒流失較塌落區(qū)內(nèi)部更為嚴(yán)重。這主要是由于邊緣區(qū)域粗顆粒流失較少,細(xì)顆粒大量流失后得不到補(bǔ)充,導(dǎo)致該區(qū)域細(xì)顆粒占比減少,而中心區(qū)域在下部區(qū)域掏空后,粗細(xì)顆粒整體下陷,所以細(xì)顆粒百分比的減少反而不明顯。

2.1.2 水槽內(nèi)顆粒運(yùn)移特點

圖9為水槽側(cè)面和頂面堆積體各粒徑顆粒分布,可以看出,不同顏色代表的不同粒徑顆粒在豎向和水平向均為有規(guī)律的分布。

水槽內(nèi)砂體顆粒從下往上顆粒粒徑依次減小,其原因是當(dāng)顆粒沿著堆積體與水槽頂面接觸沖刷產(chǎn)生的細(xì)小槽溝運(yùn)移至砂堆坡面處時,粗顆粒沉落速度較快,細(xì)顆粒在粗顆粒之間移動,形成了下粗上細(xì)的分布。

試驗過程中水槽內(nèi)顆粒主要沿細(xì)小槽溝運(yùn)移。粗顆粒在細(xì)小槽溝的形成過程中起到了細(xì)小槽溝兩側(cè)骨架的作用,使得細(xì)顆?？梢匝丶?xì)小槽溝運(yùn)移。

圖8 倒錐形塌落區(qū)域附近砂顆粒顆分結(jié)果

圖9 水槽內(nèi)堆積顆粒分布

該水流路徑出現(xiàn)的原因是當(dāng)滲流沿著堆積體與水槽頂面兩種不同介質(zhì)接觸面流動時,容易帶走堆積體表面的細(xì)顆粒,且由于堆積體表面砂顆粒重力作用下的法向接觸力最為薄弱,靠近水槽上壁面流線又比較集中,流速較大,顆粒被水流帶走后形成細(xì)小槽溝。

2.1.3 吹填砂顆粒運(yùn)移規(guī)律

結(jié)合砂槽及水槽內(nèi)顆粒的運(yùn)移特點,單向流工況管袋壩壩芯吹填砂沿袋間接縫流失運(yùn)移規(guī)律可以概括為:

a. 起動過程。在該過程中,隨著上下游水位差的增大,砂槽出口區(qū)域水力坡降不斷升高;細(xì)顆粒首先開始流失,拱結(jié)構(gòu)骨架個別粗顆粒逐漸失去穩(wěn)定而流出。

b. 發(fā)展過程。隨著拱結(jié)構(gòu)骨架顆粒的不斷流失,下游水位迅速升高,拱結(jié)構(gòu)區(qū)域坡降減小;拱結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定,顆粒大規(guī)模流出,下游水位和拱結(jié)構(gòu)區(qū)域坡降分別達(dá)到最大和最小峰值;峰值過后砂槽出口骨架顆粒重新調(diào)整形成新的結(jié)構(gòu),細(xì)顆粒充填至粗顆粒空隙,流失速度逐漸減慢,結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

c. 穩(wěn)定過程。由于砂槽出口區(qū)域各粒徑顆粒的逐步堆積,使砂體滲透性減小;而流至水槽內(nèi)的砂顆粒也使得水槽砂體堆積長度增加,滲透路徑延長,沿程水頭損失增大;當(dāng)拱結(jié)構(gòu)區(qū)域坡降減小至臨界坡降以下,整個水槽達(dá)到滲透穩(wěn)定。

2.2 吹填砂流失穩(wěn)定分析

由單向流工況的流失運(yùn)移規(guī)律可知,控制“槽溝式”水槽滲透破壞起動的關(guān)鍵為砂槽出口是否形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性決定了砂槽出口的臨界水力坡降以及臨界流速;而該臨界水力坡降又決定了水槽需要消耗的水頭,臨界流速則決定了水槽細(xì)小槽溝單位長度內(nèi)沿程水頭的損失并進(jìn)一步?jīng)Q定了水槽最終達(dá)到滲透穩(wěn)定所需要的砂體堆積長度。

本文采取的簡化計算模型如圖10所示,取斷面A—A和斷面B—B建立能量方程。斷面A—A為砂槽(壩芯)出口處,該斷面總水頭近似于測壓管水頭;斷面B—B為水槽(袋間接縫)全過水?dāng)嗝?該斷面相對細(xì)小槽溝面積大幾十倍,所以認(rèn)為水槽全斷面流速水頭接近于零,該斷面總水頭也近似用測壓管水頭代替。

圖10 水槽滲透穩(wěn)定計算模型

斷面A—A和斷面B—B槽溝的能量方程式為

ha=hj1+hf+hj2+hb

(1)

式中:ha為砂槽出口測壓管水頭,對應(yīng)實際工程中壩芯與袋間接縫交界處穩(wěn)定時刻的孔隙水壓力值;hb為水槽出口測壓管水頭,對應(yīng)實際工程中袋間接縫外側(cè)(臨水面)水壓力;hj1為砂槽出口處水頭損失;hf為細(xì)小槽溝沿程水頭損失;hj2為細(xì)小槽溝水流出口水頭損失。則有

ha-hb=hj1+hf+hj2=

(2)

整理得

(3)

式中:L堆為滲透穩(wěn)定時水槽內(nèi)砂體的堆積長度,也即穩(wěn)定滲透長度;;vc為槽溝穩(wěn)定流速;R為槽溝水力半徑;λ為槽溝沿程水頭損失系數(shù);ζc1、ζc2為系數(shù)。

根據(jù)水槽滲透穩(wěn)定計算模型,當(dāng)砂體的級配和孔隙率一定時,砂槽出口的臨界坡降、細(xì)小槽溝內(nèi)的穩(wěn)定流速以及細(xì)小槽溝的水力半徑一定。細(xì)小槽溝水流的雷諾數(shù)Re約為200,可認(rèn)為是層流,故槽溝沿程水頭損失系數(shù)λ僅與雷諾數(shù)Re有關(guān)。因此,當(dāng)給出上游水槽進(jìn)口處(即砂槽出口處)水位ha時,只要根據(jù)每組試驗所測定的vc、ζc1、ζc2、R以及λ即可求出穩(wěn)定滲透長度L堆。

根據(jù)式(3)計算不同顆粒級配和孔隙率組成的砂樣在水槽內(nèi)的穩(wěn)定滲透長度,表1列出了6種砂樣的試驗結(jié)果,實際工程中壩芯砂料若接近表1砂樣,可參考表1選取參數(shù),計算穩(wěn)定滲透長度。

表1 6種砂樣的穩(wěn)定滲透長度

從表1可以發(fā)現(xiàn),在相同的上下游水位差Δh下,細(xì)顆粒組的L堆計算值反而較其他組小,這是由于細(xì)顆粒組形成細(xì)小槽溝的沿程水頭損失系數(shù)較其他組大,但這并不代表細(xì)顆粒組不易發(fā)生滲透破壞。當(dāng)上游水位相同時,以砂槽出口進(jìn)入水槽細(xì)小槽溝處為分界面,在該面上游由于細(xì)顆粒組滲透系數(shù)非常小,在砂槽內(nèi)水流類似于淤堵狀態(tài),各點處水壓力比較接近,而該分界面下游為細(xì)小槽溝,細(xì)小槽溝水壓力值又與下游水位接近。因此,細(xì)顆粒組在該分界面兩側(cè)水力梯度比較大,“拱結(jié)構(gòu)”處更易達(dá)到其臨界坡降而發(fā)生破壞。相反,粗顆粒滲透系數(shù)較大,因而水力梯度分布相對更均勻,有利于穩(wěn)定。

綜上所述,單向流工況壩芯吹填砂經(jīng)袋間接縫流失穩(wěn)定性判斷方法如下:先量測管袋壩袋間接縫砂槽出口測壓管水頭ha和水槽出口測壓管水頭hb,然后計算出袋間接縫內(nèi)砂體堆積長度L堆與接縫長度L縫進(jìn)行比較,臨界滲透穩(wěn)定的判定式為

L堆

(4)

3 波浪工況試驗結(jié)果及分析

3.1 吹填砂流失發(fā)展過程

波浪工況下,壩芯吹填砂流失過程可以分為沖擊、成拱、穩(wěn)定3個階段,3個階段內(nèi)砂槽狀態(tài)如圖11所示。

圖11 波浪工況不同階段砂槽狀態(tài)

a. 沖擊階段。主要表現(xiàn)為砂槽出口處形成微小空隙,成股的砂顆粒呈霧狀流出,如圖11(a)所示,此階段出砂量較少,主要起到破壞砂土結(jié)構(gòu)的作用。

b. 成拱階段。此階段主要表現(xiàn)為砂槽出口部位出現(xiàn)較大空洞,但可以維持一定時間,此處稱其為拱結(jié)構(gòu)空間,如圖11(b)所示。此階段,砂顆粒出現(xiàn)液化現(xiàn)象,隨水流作往復(fù)運(yùn)動,呈現(xiàn)出“砂舌”伸縮狀態(tài),在伸縮過程中產(chǎn)生不可逆位移,并在水槽中形成堆積砂體。此階段出砂量最多。

c. 穩(wěn)定階段。此階段表現(xiàn)為水槽內(nèi)砂體停止前進(jìn),水槽水流變清澈;砂槽出口處拱結(jié)構(gòu)空間消失或者上移,上部砂顆粒在重力及水流沖刷作用下塌陷,砂槽出口處拱結(jié)構(gòu)空間消失,水流攜砂量減小。砂槽出口顆粒重新分布,出現(xiàn)上細(xì)下粗的布局,如圖11(c)所示。砂槽口處上細(xì)下粗的結(jié)構(gòu)可以起到反濾作用,抑制顆粒外移,與此同時,水槽中已經(jīng)堆積了較長一段砂體,一定程度上消耗了來水能量,回水過程中,當(dāng)水流到達(dá)水槽砂堆首部位置時已經(jīng)不足以帶動顆粒產(chǎn)生不可逆位移,因此,顆粒處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 1 min內(nèi)溝槽狀態(tài)變化

圖14 水槽長度方向砂體孔隙率變化 圖15 水槽長度方向細(xì)顆粒占比變化

3.2 吹填砂流失運(yùn)移規(guī)律

3.2.1 砂槽內(nèi)顆粒運(yùn)移特點

采用相同配比有色顆粒砂樣來研究顆粒變化及分布特點,于拱結(jié)構(gòu)空間最可能發(fā)生沖刷的位置(砂槽出口部位上側(cè))布置有色顆粒進(jìn)行試驗。不同粒徑顆粒使用不同顏色:橙色顆粒粒徑為0.185～0.425 mm,紅色顆粒粒徑為0.125～0.185 mm,紫色顆粒粒徑為0.075～0.125 mm,白色顆粒粒徑小于0.075 mm。

試驗結(jié)果顯示,拱結(jié)構(gòu)空間形成后,砂顆粒隨水流在拱結(jié)構(gòu)空間內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動,最終呈現(xiàn)出粗顆粒(橙色顆粒)居下、細(xì)顆粒(白色顆粒)居上的顆粒分布特點,如圖12所示。原因是在來水階段,顆粒上揚(yáng),粗顆粒體積和自重較大,上升高度較小,位置處于下方;細(xì)顆粒體積和自重較小,上升高度較大,位置偏上。在回水階段,一方面拱結(jié)構(gòu)空間底部接近水槽的細(xì)顆粒被帶入水槽,剩余較多粗顆粒;另一方面,細(xì)顆粒與粗顆粒上下分布形式起到了反濾作用,導(dǎo)致上部細(xì)顆粒不易穿過粗顆粒進(jìn)入水槽,因此,上部聚集較多細(xì)顆粒。

圖12 拱結(jié)構(gòu)部位顆粒分布

3.2.2 水槽內(nèi)顆粒運(yùn)移特點

通過試驗觀察發(fā)現(xiàn),水槽中砂顆粒的運(yùn)移形式有兩種:全斷面運(yùn)移與溝槽式運(yùn)移。

a. 全斷面運(yùn)移是指距水槽頂面2～5 mm深度范圍內(nèi)的砂顆粒隨水流沿整個斷面向前推進(jìn),這種運(yùn)移方式多出現(xiàn)在成拱階段。此時水槽頂部出現(xiàn)貫通的顆粒通道,水流的勢能大量轉(zhuǎn)化為動能,砂顆粒在較大流速作用下迅速液化,隨水流劇烈運(yùn)動,在水槽的上部空間全斷面向前推進(jìn)。

b. 溝槽式運(yùn)移是指顆粒在距水槽頂面2～5 mm深度范圍內(nèi)的局部斷面(溝槽)內(nèi)向前運(yùn)移。溝槽是砂顆粒在波浪水流作用下做往復(fù)運(yùn)動所形成的結(jié)構(gòu),該種推移方式常出現(xiàn)在穩(wěn)定階段前期,此階段水流能量消耗過多而剩余能量較低,不能夠帶動整個斷面的砂顆粒向前推進(jìn)。此時大部分砂顆粒停止移動而逐漸聚集,僅在最松散處留有較窄的通道供水砂通過;沿水槽縱軸方向各個斷面上通道位置不同,形成了宏觀所觀察到的溝槽。小流速水流的攜砂過程使得斷面上的砂土結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,而水流總會沿著斷面最薄弱處流動,因此溝槽的形狀也隨時間不斷變化,如圖13所示。

試驗結(jié)束后,沿水槽長度方向以及拱結(jié)構(gòu)部位深度方向利用環(huán)刀取樣,分析顆粒級配及孔隙率情況。水槽堆積砂體孔隙率及細(xì)顆粒占比沿長度方向變化情況分別如圖14、圖15所示。

由圖14可以看出,水槽長度方向孔隙率變化是先增加后減小然后略有增大。在沖擊階段及成拱階段前期,拱結(jié)構(gòu)空間尚未形成,砂顆粒外移較慢,砂顆粒有足夠的時間重新排列成新的緊密結(jié)構(gòu),故堆積相對密實;水槽中部的砂顆粒多堆積于成拱階段的中期,該階段中處于液化狀態(tài)的砂顆粒以全斷面形式推進(jìn),出砂迅速,出砂量較多,堆積相對松散;隨著時間的推移進(jìn)入成拱階段的后期,砂顆粒外移量減少且緩慢,最終不再外移,砂顆粒的堆積也逐漸變密實;在接近穩(wěn)定階段時,由于水流能量較低,水槽因砂堆中部顆粒通道的消失而封堵,砂堆中部達(dá)到最密實的狀態(tài),即曲線的谷點;封堵后波浪水流主要影響水槽砂堆首部被封堵在外的砂顆粒,周期性往復(fù)的波浪水流使該處的砂體結(jié)構(gòu)較為松散,因此孔隙率略有回升。

從圖15可以看出,沿水槽長度方向細(xì)顆粒占比先增大后減小,然后再次增大。原因是細(xì)顆粒起動流速較小,相對容易外移,所以在水槽與砂槽的交界處多堆積粒徑相對較大的粗顆粒,因此此處細(xì)顆粒占比相對較小;水槽中部的砂顆粒主要堆積于全斷面推進(jìn)的成拱階段,故此處細(xì)顆粒較多;在成拱階段后期,流速減小,僅將砂堆中細(xì)顆粒帶走,而逐漸剩余粒徑較大的粗顆粒,故細(xì)顆粒占比減小;接近穩(wěn)定階段時,剩余的粗顆粒將顆粒通道封堵,砂堆中部細(xì)顆粒比例達(dá)到最小值,即曲線的谷點;封堵后波浪水流主要作用于封堵在外部的砂堆,將細(xì)顆粒沖刷至砂堆首部,因此該段砂體的細(xì)顆粒占比沿長度方向再次增大。

3.2.3 顆粒流失運(yùn)移規(guī)律

結(jié)合砂槽及水槽內(nèi)顆粒的運(yùn)移特點,波浪工況下管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失運(yùn)移規(guī)律可總結(jié)為:

a. 沖擊階段。在該過程中,波浪水流沖擊砂槽內(nèi)砂體,砂顆粒由緊密逐漸變松散;在較低流速下細(xì)顆粒首先達(dá)到起動流速,并外移至接縫水槽。

b. 成拱階段。砂槽內(nèi)砂顆粒的流失使砂槽與水槽交界部位形成微小空隙,為波浪水流提供充足的運(yùn)動空間;波浪水流的勢能更易轉(zhuǎn)化為動能,較高的流速使粗顆粒和細(xì)顆粒同時發(fā)生液化;液化后的砂顆粒以全斷面式外移至水槽,在水槽內(nèi)形成較松散的砂堆,水流沿程水頭損失增大,動能減小。

c. 穩(wěn)定階段。當(dāng)進(jìn)入到砂槽內(nèi)的水流能量不足以維持拱空間上部砂體時,上部砂體逐漸塌落,拱空間逐漸上移;顆粒再堆積時孔隙率增大,使得拱空間體積減小;同時拱空間下部砂顆粒重新分布形成上細(xì)下粗的布局,對上部顆粒起反濾作用,且進(jìn)一步增大水流的沿程水頭損失;最終砂槽內(nèi)顆粒不再外移,水槽與砂槽交界處的砂堆將水槽封堵,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 吹填砂流失穩(wěn)定性判定指標(biāo)及方法

與單向流工況相同,同樣取L堆(顆粒由砂槽進(jìn)入水槽后運(yùn)移所形成的砂堆長度)為吹填砂穩(wěn)定性的判定指標(biāo)。以L堆為目標(biāo)參數(shù),分析其影響因素,并建立其與影響因素之間的函數(shù)關(guān)系,作為用于計算波浪水流作用下壩芯吹填砂流失穩(wěn)定性判定指標(biāo)的公式。

波浪水流作用下影響壩芯吹填砂穩(wěn)定性的因素較多,比較重要的有波浪周期T、峰值壓力水頭h(表征波浪水流能量)、砂體孔隙率n以及顆粒粒徑d等。不同條件下水槽砂堆長度L堆與波浪水流能量、波浪周期和孔隙率之間的關(guān)系曲線分別如圖16～18所示。

圖16 波浪水流能量對水槽砂堆長度的影響

圖17 波浪周期對水槽砂堆長度的影響

圖18 砂體孔隙率對水槽砂堆長度的影響

由圖16可知,在其他條件相同的情況下,水槽砂堆長度L堆隨著波浪水流能量的增大而增大,且呈線性關(guān)系,這與單向流工況完全一致。另外,圖16各直線具有相同的截距,該截距可以定義為砂槽內(nèi)拱效應(yīng)消耗的水頭h耗(h耗=0.2 m),則推動砂顆粒運(yùn)動的水頭h動=h-h耗。

根據(jù)量綱和諧原理,將L堆與各因素間的關(guān)系表示為

L堆=L堆(T,n,h,g)

(5)

式中g(shù)為基于量綱平衡原理添加的常數(shù)。將式(5)右側(cè)具體表達(dá)為冪函數(shù)的乘積形式,并代入試驗數(shù)據(jù)計算得:

L堆=23T-2(h-0.2)g-1n4.78

(6)

根據(jù)上述分析,波浪工況壩芯吹填砂流失穩(wěn)定性判定方法為:先利用相關(guān)儀器及測試方法獲得波浪周期T、峰值壓力水頭h、砂體孔隙率n等參數(shù),然后計算出水槽內(nèi)砂堆長度L堆并與接縫長度L縫比較。管袋壩發(fā)生波浪水流滲透破壞的判定式與式(4)相同。

4 結(jié) 論

a. 管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失模型試驗研究裝置可以完成管袋壩實際工程工況的模擬。

b. 單向流工況下砂顆粒運(yùn)移主要發(fā)生在砂槽內(nèi)倒錐形區(qū)域及水槽內(nèi),且在水槽內(nèi)運(yùn)移方主要以“溝槽式”運(yùn)移為主;波浪工況下的沖刷過程可依據(jù)拱空間的發(fā)展過程分為沖擊、成拱、穩(wěn)定3個階段。

c. 單向流及波浪工況下沖刷穩(wěn)定性都以穩(wěn)定滲透長度L堆為判別指標(biāo),并推導(dǎo)出了兩種工況下的L堆計算公式,若袋間接縫長度小于穩(wěn)定滲透長度L堆,則發(fā)生沖刷破壞。

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