充填砂應(yīng)力—接觸滲流耦合模型試驗(yàn)研究

王建卉

（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津300204）

近20多年來，各地圍海造陸和新建擴(kuò)建港口規(guī)模在不斷加大，海上筑堤新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。在海擋工程中，提出了由土工模袋充填砂料構(gòu)筑堤心的模袋砂堤筑堤技術(shù)。珠江河口整治工程中拋泥區(qū)圍堰的構(gòu)筑采用土工編織袋充填砂快速成堤，劉智光觀測(cè)和研究了充填砂圍堰沉降位移，分析沉降原因，并提出處理方案；宋為群等研究了利用土工管袋充填粉細(xì)砂技術(shù)成功地在軟土地基上修筑圍堤，分析了土工管袋圍堤的穩(wěn)定性，提出利用袋裝砂的似凝聚力進(jìn)行袋裝砂圍堤穩(wěn)定性分析方法；程鵬環(huán)和李飛研究土工編織袋充泥技術(shù)的工程特性、施工過程、測(cè)試結(jié)果，在討論充泥袋預(yù)應(yīng)變加筋機(jī)理的基礎(chǔ)上，說明土工布編織袋常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在軟土路基工程中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)充填砂袋堤壩的研究主要是集中在管袋壩壩體穩(wěn)定性、管袋材料的滲透和脫水特性、尺寸設(shè)計(jì)、充填工藝和管袋后期變形特性等方面。國內(nèi)管袋多選用強(qiáng)度較低的裂膜絲編織土工織物，管袋長(zhǎng)度一般較短、高度小、層數(shù)較多，所以堆成的壩體沿著壩軸線方向形成很多袋間接縫，如圖1。另外，管袋壩施工過程中由于管袋端部不齊整，造成管袋端部形成V字型裂縫，因此在管袋接縫處形成如圖2兩種滲流通道。這將導(dǎo)致堤基在管袋壩袋間接縫處的接觸滲透沖刷破壞問題和管袋壩水平向綜合滲透性遠(yuǎn)大于垂直向滲透性 （水平滲透性大于垂直向?qū)⒃斐蓧误w水頭壓力或浸潤(rùn)線抬高）等一系列問題。國內(nèi)還未針對(duì)管袋壩開展相應(yīng)研究。

圖1 管袋壩袋間接縫實(shí)物圖

圖2 管袋接縫滲透通道

因此，開展壓力作用下的地基拋填砂在管袋接縫出接觸滲流特性及抗沖刷措施研究。測(cè)定不同壓力狀態(tài)下的多個(gè)管袋組合體綜合等效滲透系數(shù)。管袋之間存在袋間縫這樣的強(qiáng)滲流通道，必須測(cè)定含袋間縫的管袋組合體的綜合滲透系數(shù)才能獲得堤壩的真實(shí)滲透性，在此基礎(chǔ)上分析堤壩的滲流量才較為準(zhǔn)確。

1 實(shí)驗(yàn)裝置組成及工作原理

本實(shí)驗(yàn)裝置采用河海大學(xué)自行研制的大尺度應(yīng)力—接觸滲透沖刷耦合模型槽實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如位移傳感器，孔隙水壓力傳感器等）、軸向壓力系統(tǒng)、及滲透壓力系統(tǒng)。軸向壓力系統(tǒng)可對(duì)充填砂袋的施加上覆荷載，軸向壓力的最大施加值可達(dá)1000kN（相當(dāng)于土樣承受最大壓力可達(dá)3.3MPa）；滲透壓力系統(tǒng)模擬堤基土體承受上下游滲透水壓力差，低壓力由移動(dòng)水箱提供，最大水頭3m，高滲透壓力由上游水庫容器輸出，最大滲透壓力可達(dá)1.0MPa；土工布管袋模型的沉降、滲流上下游端水頭、模型土體內(nèi)部典型測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭等利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄。

按照填筑干密度要求，在模型槽底部填筑3cm厚的黏土及5cm厚的堤基拋填砂；之后在堤基拋填砂上分層填筑水力充填砂袋，充填砂袋尺寸充填后砂袋設(shè)計(jì)值為長(zhǎng)10cm、高4cm和長(zhǎng)5cm、高4cm兩種。為防止實(shí)驗(yàn)過程中水流沿著模型側(cè)壁與砂袋接觸縫隙流失，充填砂袋填筑過程中，在砂袋與側(cè)壁用黏土封堵。槽中填筑模型有兩種方式：順滲流方向填筑膜袋和垂直滲流方向填筑膜袋，如圖3。

本文將分別開展這兩種填筑方式條件下的滲流模型實(shí)驗(yàn)研究。

全平整的進(jìn)入模型槽，蓋板蓋好后，利用珩架車提吊千斤頂至蓋板上，安裝位移和壓力傳感器。移動(dòng)軸向壓力反力架至預(yù)定位置，將反力架軸承與千斤頂對(duì)準(zhǔn)，緩慢升高。

2 滲流模型實(shí)驗(yàn)

2.1 順滲流方向填筑方式

上覆壓力為0.1，0.2，0.3MPa。圖4為上覆壓力下管袋組合體滲流流速與水力梯度之間的關(guān)系。不同上覆壓力作用下耦合模型槽中滲流流速與水力梯度表現(xiàn)出非線性的擬合關(guān)系。3種上覆壓力作用下，都服從兩個(gè)滲流階段，一個(gè)是穩(wěn)定滲流階段，另一個(gè)是滲流破壞階段。在上覆壓力0.1MPa下，當(dāng)水力梯度小于0.036時(shí)，滲流符合達(dá)西定律，處于穩(wěn)定滲流階段，當(dāng)水力梯度繼續(xù)增大時(shí)，滲流速度明顯變快，說明土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，處于滲流破壞階段。

圖4 順滲流方向管袋組合體流速與水力梯度關(guān)系

由圖4可知，3種上覆壓力下，穩(wěn)定滲流階段的滲透系數(shù)比較接近，為1cm/s。管袋組合體綜合滲透系數(shù)較大，為高滲透性。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)滲透壓力繼續(xù)增加時(shí)，上游測(cè)壓管水頭變化不明顯，堤基拋填砂在管袋壩袋間接縫處極易發(fā)生接觸沖刷破壞，故此種管袋組合體布置方式不能滿足工程要求。

2.2 垂直滲流方向填筑方式

上覆壓力為0.05，0.1，0.2，0.3MPa，圖5給出了管袋組合體滲流流速與水力梯度之間的關(guān)系。

圖5 垂直滲流方向管袋組合體流速與水力梯度關(guān)系

由圖5可知，管袋組合體的水力梯度與滲流速度具有很好的線性關(guān)系，直線擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，結(jié)果符合達(dá)西定律，與前一次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)而言，能夠反映真實(shí)的管袋組合體綜合滲透系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較理想，通過擬和直線可以看出，管袋組合體在4種上覆壓力作用下的滲透系數(shù)分別為0.0466，0.0348，0.0245，0.0199cm/s。

將上述不同上覆壓力作用下管袋滲流模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理可以獲得管袋組合體綜合等效滲透系數(shù)與上覆壓應(yīng)力之間的關(guān)系，如圖6。

圖6 綜合等效滲透系數(shù)與上覆壓力擬合曲線

從圖6中可以看出，上覆壓力0.05MPa時(shí)管袋組合體的滲透系數(shù)0.0466cm/s，上覆壓力0.3MPa時(shí)滲透系數(shù)0.0199cm/s，前者是后者的2倍，水力梯度到達(dá)0.6仍然沒有發(fā)生滲透破壞，可見不同上覆壓力作用下管袋組合體綜合等效滲透系數(shù)不同。

在不同上覆壓力作用下，曲線的斜率隨著上覆壓力的增大而逐漸減小，即試樣的滲透系數(shù)隨著上覆壓力的增大而減小，最后趨于平緩。

將圖6中綜合滲透系數(shù)與上覆壓應(yīng)力進(jìn)行對(duì)數(shù)函數(shù)擬合，可以得到：管袋組合體綜合滲透系數(shù)與上覆壓力基本呈對(duì)數(shù)關(guān)系，本經(jīng)驗(yàn)公式適用于上覆壓力0.05～0.3MPa。擬合相關(guān)系數(shù)0.995，擬合出的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中k為管袋組合體綜合滲透系數(shù)（cm/s）；P為上覆壓應(yīng)力（MPa）。

擬合結(jié)果能較好地說明管袋組合體在滲流—應(yīng)力耦合作用下的滲透梯度與滲流流速關(guān)系。上覆壓應(yīng)力對(duì)管袋組合體的綜合滲透系數(shù)影響較大。

通過對(duì)兩種不同布置管袋組合體進(jìn)行試驗(yàn)分析，垂直滲流方向管袋組合體滲透系數(shù)明顯小于順滲流方向管袋組合體的滲透系數(shù)，順滲流方向布置承受的水力梯度較小，容易出現(xiàn)滲透破壞，而垂直滲流方向布置承受的水力梯度較大，不容易出現(xiàn)滲透破壞。兩種布置造成明顯區(qū)別是由于順滲流方向布置下管袋與管袋之間形成較大縫隙，縫隙從上游貫穿到下游，這種縫隙是連貫的，導(dǎo)致水流大部分從縫隙中流出，而且水流出的過程中，會(huì)把袋中的細(xì)小顆粒帶入縫隙中，未經(jīng)過管袋體，故不能反映真實(shí)的管袋組合體綜合滲透系數(shù)，同時(shí)，管袋組合體與地基拋填砂接觸沖刷也較為嚴(yán)重。而垂直滲流方向布置下，雖然袋與袋之間有縫隙，但是這種縫隙不是順滲流方向的，當(dāng)細(xì)小顆粒被帶入縫隙中，顆粒在流動(dòng)中會(huì)被管袋體阻擋。

3 結(jié)語

（1）順滲流方向管袋組合體，滲透系數(shù)較大，為1.0cm/s，且當(dāng)水力梯度達(dá)0.04時(shí)就已經(jīng)發(fā)生滲透破壞；相反，當(dāng)采用垂直滲流方向管袋組合體布置時(shí)，組合體綜合滲透系數(shù)較為真實(shí)，水力梯度達(dá)0.6仍然沒有發(fā)生滲透破壞，臨界水力梯度也已經(jīng)提高了至少20倍。

（2）不同應(yīng)力作用下垂直滲流方向管袋組合體，上覆壓力0.05MPa時(shí)管袋組合體的滲透系數(shù)0.0466cm/s，上覆壓力0.3MPa時(shí)的滲透系數(shù)0.0199cm/s，前者是后者的2倍，滲透系數(shù)與上覆壓力基本成對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)0.995。

（3）順滲流方向布置下管袋與管袋之間形成較大縫隙，縫隙從上游貫穿到下游，這種縫隙是連貫的，為了防止發(fā)生接觸滲透沖刷破壞，應(yīng)將管袋組合體與水流方向垂直布置。

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