PP織物袋對滲透破壞的影響

麻樂樂，朱首軍,*，路東敏，林成行，韓 峰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊陵 712100)

黃土高原地區(qū)是我國經(jīng)濟最不發(fā)達的地區(qū)之一，水土流失極為嚴重[1-3]，目前，黃土丘陵區(qū)年土壤侵蝕量一般在5 000 t·km-2以上[4]。淤地壩建設(shè)可以說是黃土高原眾多水土保持措施中最為重要的一項，既可以增加耕地面積、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，又可以防止水土流失[5]。上世紀70到80年代，陜北靖定地區(qū)由于當(dāng)?shù)厣笆先狈ΓㄔO(shè)經(jīng)費不足，所建淤地壩大部分未布設(shè)反濾體，導(dǎo)致淤地壩產(chǎn)生滲透破壞而成為病險壩，目前這一問題一直未得到很好的解決，給當(dāng)?shù)赜俚貕喂こ處韲乐氐陌踩[患[6-7]。壩后滲透破壞已成為制約當(dāng)?shù)赜俚貕谓ㄔO(shè)的一個重要問題。

關(guān)于滲透破壞防治方面的研究，近年來我國采用了多種技術(shù)，其中應(yīng)用最為廣泛有劈裂灌漿、高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻等技術(shù)。結(jié)合陜北靖定地區(qū)淤地壩產(chǎn)生滲透變形破壞的成因，劈裂灌漿是較好的防治工程之一，因為劈裂灌漿可營造“垂直連續(xù)的防滲帷幕”，如果能做到科學(xué)合理的設(shè)計和施工，就能有效地解決壩后出現(xiàn)的散浸、浸潤線出逸點過高、管涌流土等隱患，滿足抗?jié)B穩(wěn)定的要求[8]。蔣彭年[9]提出壩體斜墻防滲，比如高度60 m左右的土壩需要布設(shè)厚度為6～10 m的粘土斜墻，并還要在斜墻上面布設(shè)厚度為0.8～2 m的兼有防凍作用的砂石料保護層，解決壩坡抗凍、固膜、壓膜等問題。另外樁柱式防滲墻的形成方式有2種：一是采用鉆機間隔套打后澆砼；二是采用多頭小直徑深層攪拌機，將水泥漿噴入壩體土內(nèi)攪拌成墻，成墻深度一般在20 m左右[10]。預(yù)制拼裝防滲墻則是將鋼板或者鋼筋砼板捶擊打入、振動插入或置入已成槽孔中，并注入水泥漿液成墻，深度不大于20 m[11]。在水庫的下游防滲過程中，可采用無紡?fù)凉げ寂c砂子和碎石結(jié)合做成暗溝，并結(jié)合PVC排水管道，將壩體內(nèi)多余水分排出[12]。

PP織物袋是由含碳墨和其他抗紫外線(UV)成分與聚丙烯復(fù)合而成的新型高分子材料經(jīng)針刺雙面熨燙而成的無紡布。經(jīng)國家建筑材料測試中心檢驗的數(shù)據(jù)表明，在270 kPa 壓力下，PP織物袋的使用壽命超過80 a，并且生態(tài)環(huán)保，所以在海堤岸工程中應(yīng)用比較廣泛，尤其是在湖岸河岸砌護和水庫迎水坡防沖等工程，都取得了很好的防護效果[13-14]。關(guān)于PP織物袋應(yīng)用于壩體滲透破壞防治方面的研究鮮為少見。

因此，以陜西省榆林市靖邊縣土橋梁流域粉砂質(zhì)壤土為研究對象，采用自制的壩體模型對其進行滲透破壞試驗，并在壩后鋪筑裝填原裝土的PP織物袋作為反濾體，觀察其對滲透破壞的影響，以期為陜北靖定地區(qū)產(chǎn)生滲透破壞的淤地壩進行除險加固提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗壩位于靖邊縣東部高家溝鄉(xiāng)土橋梁流域內(nèi)(109°10′56″E，37°34′50″N)，距縣城約46 km，該流域為典型的黃土丘陵溝壑強度侵蝕區(qū)，梁峁、溝坡、溝床是該流域典型的3個地貌單元，以溝坡為主，溝壑縱橫、梁峁林立、溝谷深切、地形破碎，溝壑密度2.1 km/km2，主要的地理特點是北高南低，走向由北向南傾斜。地表覆蓋黃土深厚，溝床被淤積土所覆蓋。該流域主要的氣候類型為北溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫36℃，極端最低氣溫-28.5℃，日間氣溫差異大，來霜早，無霜期130 d左右。年最大降雨量為744.6 mm，年最小降雨量為205 mm，多年平均降雨量為395.4 mm，降雨主要集中在7-9月，約占全年降雨量的60%，溝道內(nèi)有常流水，多年平均徑流深為50 mm，最大凍層深為1.10 m，多年平均侵蝕模數(shù)為1.3×104t·km-2·a-1。

淤地壩壩址所處溝道呈“梯形”。壩址處右岸表層土壤為砂質(zhì)壤土，厚1.0～2.5 m，左岸粉砂質(zhì)壤土較厚，厚約3～6.5 m，筑壩土料均為黃土，土壤質(zhì)地疏松，抗蝕性差，易被沖刷侵蝕。

1.2 基礎(chǔ)試驗

以《土工實驗規(guī)程》(SL237-1999)為指導(dǎo)，對榆林市靖邊縣筑壩土料現(xiàn)場采樣并測定壩體密度，室內(nèi)的常規(guī)土工試驗主要測定指標(biāo)及方法見表1。

表1 常規(guī)土工試驗主要測定的指標(biāo)

根據(jù)《土工合成材料測試規(guī)程》(SL/T235-1999)測定試驗所用PP織物袋的單位面積重量和厚度，并用拉力試驗測定PP織物袋分別在干燥和65%相對濕度下與不同基底的摩擦系數(shù)[15]。

1.3 滲透破壞模擬試驗

采用磚砌槽子制作1∶20的壩體模型，保持穩(wěn)定的壩前水位高度，模擬壩后滲透破壞試驗，觀測壩體滲透破壞的全過程。其中一個為原狀筑壩土料的滲透破壞模擬試驗，另一個為用PP織物袋作反濾體的滲透破壞模擬試驗，之后進行相同條件下的滲透試驗，觀察對比兩者壩后滲透破壞現(xiàn)象及過程，分析PP織物袋對壩后滲透破壞的防護效果。

1.3.1 試驗裝置構(gòu)建與模型制備 試驗裝置為磚砌小槽，試驗槽規(guī)格為長3.9 m、寬0.8 m、高1.25 m。小槽底部和邊壁采用混凝土抹面，以模擬實際中相對不透水壩基，模擬單位斷面的壩體排水及滲透破壞現(xiàn)象。

模型制備：1)防滲處理：用防滲漆對槽底和槽壁進行防滲處理，防止底部和槽壁滲水，對試驗產(chǎn)生影響。2)測壓管安裝：測壓管為“L”形，橫向長45 cm，豎向長125 cm，測壓管材質(zhì)為亞克力管，尺寸：外徑8 mm，內(nèi)徑6 mm，壁厚1 mm，橫向測壓管和豎向測壓管用內(nèi)徑8 mm的直角PP塑料彎頭連接，并用膠水進行粘貼，防止連接處漏水。底部橫向測壓管管壁打滿直徑3 mm的小孔，以便壩體內(nèi)部流水進入測壓管，同時用土工布包裹橫向測壓管，防止壩體內(nèi)細小土顆粒進入管內(nèi)，堵塞測壓管，整套測壓管裝置安裝好后，用強力膠將其粘貼在槽子底部和槽壁的一側(cè)，每隔30 cm安裝1套測壓管，每個試驗槽總共安裝7套測壓管，從壩前向壩后測壓管編號依次為1#～7#測壓管。同時在槽壁粘貼鋼尺，以方便碾壓筑壩時土方量的把握和壓實度的保證。3)模擬筑壩：首先，將從靖邊地區(qū)運回的原筑壩土料過5 mm篩，主要去除土料里的根系、石塊等雜物，然后根據(jù)取樣測定結(jié)果，采用人工分層壓實的方法來模擬筑壩，壩體干密度取1.60 g/cm3，每層壓實厚度為10 cm，每一層所需的壓土量通過目標(biāo)干密度和土體含水率計算得到，模擬筑壩時試驗槽的出口處要用擋板攔擋，當(dāng)完成筑壩和削坡之后取掉擋板，需要注意的是夯實第1層土方時，要注意不能損壞測壓管，尤其是安裝在槽子底部的測壓管，人工基本夯實后，需用小錘對邊邊角角沒有夯實的地方進行壓實，對照槽壁的鋼尺刻度，以保證每層土體達到目標(biāo)干密度。壩體夯實后進行人工削坡，為了盡可能保證與實際壩體的幾何相似，壩前坡度采用1∶1邊坡，壩后坡度采用1∶2邊坡。模型制備完成后的尺寸為壩長2.9 m，壩高0.8 m，壩寬0.8 m。4)PP織物袋作反濾體筑壩：前面與原狀土筑壩方法一樣，待削完坡之后，挖掉壩后土體，用PP織物袋裝填原狀土作為反濾體整齊連接鋪筑于壩后。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

注：1.注水桶；2.溢流桶；3.測壓管；4.土壩；5.集流桶；6.反濾體(PP織物袋裝填原狀土)。

1.3.2 試驗步驟 模型制備完成后，分別給2個模擬壩壩前加水至距壩頂5 cm處，然后分別在2個槽子外放置同壩前水位相同的溢流桶，以保證整個試驗過程中保持壩前水位穩(wěn)定不變(即壩前水位穩(wěn)定在75 cm)，如果槽子外溢流桶始終在向外溢水，此時認為注水量達到要求，壩前水位穩(wěn)定不變。之后定時用測釬測得測壓管內(nèi)水位高度，同時注意觀測溢流桶是否向外溢水和壩坡下游坡面有無裂縫、坡腳有無位移。整個試驗過程每隔8 h測量測壓管內(nèi)水位高度1次，待下游壩坡坡面開始出現(xiàn)裂縫和滲水，收集滲流，測定其流速，直至壩體被完全破壞。整個試驗過程應(yīng)保證溢流桶有水溢出，并不定時檢查連接壩前與溢流桶的水管是否被泥沙堵塞，防止壩前水位持續(xù)升高。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel軟件繪制各個測壓管水位穩(wěn)定后的壩體浸潤線及各個測壓管內(nèi)水位高度隨時間變化折線圖，分析PP織物袋對浸潤線的影響效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)試驗結(jié)果與分析

供試土料的常規(guī)土工試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，供試土料的砂粒、粉粒和粘粒各占9.7%、76.1%、14.2%，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準，該土樣為粉砂質(zhì)壤土[16]。

PP織物袋單位面積重量和厚度測定結(jié)果見表3，PP織物袋與不同基底摩擦系數(shù)參考值見表4。

表2 土樣物理性質(zhì)

表3 PP織物袋單位面積重量和厚度測定結(jié)果

表4 PP織物袋與不同基底摩擦系數(shù)參考值

由表3和表4可知，本試驗所選用的PP織物袋的單位面積重量為50 g/m2，單位面積厚度為0.45 mm，它與砂性土在干燥和65%的相對濕度下基底摩擦系數(shù)分別為0.65和0.86，說明PP織物袋如果作為壩后反濾體，當(dāng)壩前水滲透到壩后，進入PP織物袋內(nèi)，將增大它與土壤的摩擦系數(shù)，使得PP織物袋與壩坡下游接觸更加穩(wěn)定。

2.2 滲透破壞現(xiàn)象模擬試驗結(jié)果與分析

2.2.1 壩體浸潤線 當(dāng)2個壩體發(fā)生滲透破壞且各個測壓管的數(shù)值穩(wěn)定時，2個壩體浸潤線對比如圖2。

由圖2可知，當(dāng)2個壩體發(fā)生滲透破壞時，原壩和PP織物袋作反濾體的淤地壩各個測壓管數(shù)值變化趨勢相同，均為從壩前向壩后的測壓管讀數(shù)依次減小，即說明壩體內(nèi)水位呈降低趨勢。再對比2個壩體的浸潤線，PP織物袋作反濾體的淤地壩浸潤線要比原壩低，而本試驗除設(shè)置PP織物袋裝填原狀土作反濾體的試驗處理外，其他試驗處理均相同，說明PP織物袋裝填原狀土起到了降低壩體浸潤線的作用。

圖2 壩體浸潤線對比

2.2.2 滲透歷時 壩后滲透破壞現(xiàn)象模擬試驗于4月6日17:30開始向壩前注水，4月20日8:30原壩壩后土體開始出現(xiàn)裂縫，4月23日8:30 PP織物袋作反濾體的淤地壩壩后土體開始出現(xiàn)裂縫。

從整個試驗過程的歷時來看，PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩要比原淤地壩壩后土體開始出現(xiàn)裂縫的時間要晚，本試驗除設(shè)置反濾體外，其他處理均相同，因此可以斷定PP織物袋延緩了滲透破壞開始發(fā)生的時間，主要原因為PP織物袋降低了壩體浸潤線，使得PP織物袋作反濾體的淤地壩壩體內(nèi)水位高差要比原淤地壩壩體內(nèi)水位高差低，所以水流在壩體內(nèi)的流動速率相對原淤地壩要慢，導(dǎo)致PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩要比原淤地壩壩后開始出現(xiàn)滲透的時間要晚。另外PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩要比原淤地壩發(fā)生滲透破壞整個破壞過程的歷時要長，其主要原因有兩方面：一方面是上文提到的PP織物袋可以降低壩體浸潤線，從而使得壩體內(nèi)水位高差降低，水流在壩體內(nèi)的滲透速率降低，從而使得整個滲透破壞用時延長；另一方面是由于PP織物袋袋體本身特殊的性質(zhì)，PP織物袋袋體的孔徑大小可以使水流通過，而土體中較大顆粒不能通過[17]，所以PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩相比原淤地壩通過滲透破壞形成的滲流通道要窄，尤其是下游壩坡坡面，PP織物袋只容許水流和土體中的細小土顆粒通過，而土體大顆粒不能通過，所以形成的滲透通道相對較窄，再加之滲流速率較低，使得整個滲透破壞過程較為緩慢，用時較長。

2個模擬壩各個測壓管從注完水開始，一直到測壓管內(nèi)開始出水所用時間如圖3所示。

圖3 測壓管開始出水時間對比

由圖3可知，2個淤地壩的測壓管出水順序依次為1#～7#測壓管，這是因為壩前水是逐步從壩前慢慢通過土體滲向壩后，直到壩體完全發(fā)生滲透破壞。再對比2個淤地壩各個測壓管的開始出水時間，會發(fā)現(xiàn)除1#和2#測壓管開始出水時間基本相同外，其他5個測壓管中PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩都要比原淤地壩的出水時間晚，分析造成此現(xiàn)象的原因可能跟PP織物袋有關(guān)，但是PP織物袋主要鋪筑在壩后的壩坡位置，影響測壓管出水時間較大的也就是相對靠近壩后的5#、6#和7#測壓管，而對于3#和4#測壓管的出水時間影響并不大，所以造成此現(xiàn)象得原因可能與淤地壩的壓實度有很大關(guān)系，雖然2個淤地壩都是按照1.60 g/cm3的壩體干密度進行壓實的，但是由于壩體每層的截面積較大，再加之人工壓實，不可能保證每個淤地壩每層壩體的壓實度都是均勻的，也不能完全保證2個淤地壩的壓實度完全相同和均勻，所以才會影響測壓管的開始出水時間。

2.2.3 各個測壓管水位高度分析 隨著試驗的進程，壩前水逐步向壩后滲透，導(dǎo)致壩體內(nèi)的水位不斷升高，這也就直觀的反映在各個測壓管隨著試驗進程的推進，水位逐步升高到一定程度后達到穩(wěn)定水位。隨著試驗進程各個測壓管內(nèi)水位高度變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著試驗進程的推進，各個測壓管水位高度變化規(guī)律為：隨著時間的變化，各個測壓管水位高度逐步上升，達到一定水位高度后持續(xù)穩(wěn)定不變。并且PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩的測壓管同一時間段水位高度基本低于原淤地壩的測壓管水位高度。這是因為壩前水位保持不變，但是水流一直通過土壩向壩后滲透，久而久之，隨著水流的滲透，壩體內(nèi)的水位高度會逐步上升，土壩的含水率也會逐步升高，當(dāng)某區(qū)域土體的含水率達到最大含水率，即土體達到飽和后，水位不再上升且保持穩(wěn)定在一定高度，該高度即為使該區(qū)域壩體達到飽和的水位高度，而本試驗安裝在壩體側(cè)壁的測壓管內(nèi)水位高度變化就直觀地反映了這一點，先是逐步升高，后達到穩(wěn)定保持不變。2個壩體相比較，PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩的各個測壓管水位高度同一時間段都是要高于原淤地壩的，但是從1#和2#測壓管水位變化過程圖來看，某些時段內(nèi)PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩的各個測壓管水位高度是要低于原淤地壩的，分析此現(xiàn)象的原因可能與上述的壩體壓實度有關(guān)，由于人工壓實，不可能保證每隔淤地壩每層壩體的壓實度都是均勻的，也不能完全保證2個淤地壩的壓實度完全一樣均勻，所以使得原淤地壩測壓管內(nèi)水位高度某些時間段內(nèi)高于PP織物袋裝填原狀土作反濾體的淤地壩。而后面的4#～7#測壓管相對較接近壩后，PP織物袋的作用就體現(xiàn)出來了，即PP織物袋袋體只容許水流和土壤的部分小顆粒通過，而土壤較大顆粒不能通過，所以減慢了滲流速度，使得壩體內(nèi)水位高度上升較為緩慢，測壓管內(nèi)水位高度變化相對于原淤地壩較為緩慢且最終達到的水位高度較低。

3 結(jié)論與討論

隨著滲透破壞的發(fā)生，原土壩壩體內(nèi)各個部位的水位高度逐漸增加到一定數(shù)值后達到穩(wěn)定，即當(dāng)前區(qū)域土體達到飽和，壩體內(nèi)水位高度從壩前向壩后總體呈降低趨勢。

注:a、b.1#測壓管；c.2#測壓管；d.3#測壓管；e.4#測壓管；f.5#測壓管；g.6#測壓管；h.7#測壓管。

由于PP織物袋袋體孔徑只容許水流和小顆粒土壤通過，因此PP織物袋裝填原狀土作為反濾體在防治滲透破壞時，一方面可以減緩壩體內(nèi)各個部位水位升高的速率并降低最大水位高度，使得壩體相對較難發(fā)生滲透破壞；另一方面可以將壩體內(nèi)多余水分排出來，降低壩體浸潤線，減緩滲透破壞的發(fā)生。

本試驗只是定性研究了PP織物袋裝填原狀土作為反濾體對滲透破壞的影響，對于不同材質(zhì)和規(guī)格的PP織物袋、PP織物袋不同的鋪筑方式和連接方式等對滲透破壞的影響有待進一步研究，并在實踐中不斷探索和完善新的防滲措施。

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