充填管袋堆積體應(yīng)力-滲流耦合模型試驗(yàn)

詹美禮,梁洪坤,盛金昌,孫孝安

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

充填管袋筑堤作為國(guó)內(nèi)的新型工程技術(shù),被越來(lái)越多地應(yīng)用到了圍海造地、圍堤、路堤、河流航道治理等工程中[1-2]。充填管袋筑堤技術(shù)與傳統(tǒng)的堆石和混凝土筑堤方式相比,具有可就地取材、造價(jià)低廉、施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、對(duì)軟土地基適應(yīng)能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[3]。20世紀(jì)五六十年代,國(guó)外開始在構(gòu)筑長(zhǎng)期海岸工程中使用充填管袋技術(shù),例如著名的三角洲工程;而國(guó)內(nèi)直到21世紀(jì)初才開始逐漸在工程中應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù),如長(zhǎng)江口深水圍堰工程、天津南港東堤工程、連云港徐圩港區(qū)圍堤工程等[4-6]。天津南港東堤工程為適應(yīng)軟土地基筑堤的特點(diǎn),堤身采用了大型水力充填管袋填筑,由于堤身與堤基拋填砂在施工上難以保證統(tǒng)一的施工標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致堤身與堤基的滲透性分布不均;而海水潮位的變化又產(chǎn)生了雙向滲流問(wèn)題,堤基拋填砂在滲流作用下可能會(huì)沿著管袋間接縫流失,發(fā)生接觸滲透破壞。因此對(duì)充填管袋堤壩的防滲提出了更高要求。

目前,針對(duì)充填管袋堤壩的研究更多的是在堤壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、管袋尺寸和材料特性等方面，林剛等[7]研究了充填管袋堤壩的穩(wěn)定性計(jì)算方法；劉海笑等[8]進(jìn)行了充填管袋堤壩的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究；Kim等[9]提出了用于確定土工管袋幾何尺寸和應(yīng)力的二維分析和數(shù)值解的方法。充填管袋堤壩作為一種擋水建筑物,管袋間形成的縫隙較多,甚至縫隙可能相互連通,這對(duì)其滲透穩(wěn)定控制非常不利。目前已有部分學(xué)者針對(duì)充填管袋堤壩的滲透特性做了研究,例如Recio等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了在低水頭作用下管袋不同搭接方式對(duì)滲透性的影響;劉斯宏等[11]采用落水頭法研究了膨脹土袋搭接體的滲透性,認(rèn)為土袋之間的縫隙是滲流的主要通道;蔚成亮等[12]采用室內(nèi)試驗(yàn)與圖像分析方法研究了單向水流作用下管袋壩芯砂體破壞并沿袋間接縫流失的問(wèn)題;滿曉磊等[13-14]對(duì)充填管袋壩芯吹填砂沿袋間接縫流失問(wèn)題和管袋內(nèi)充填砂從管袋側(cè)壁缺損處外漏流失問(wèn)題進(jìn)行了研究,得到了在波浪工況下沖刷穩(wěn)定性的判定指標(biāo);陸建輝等[15]為解決管袋圍堤滲透問(wèn)題,提出高壓擺噴結(jié)合旋噴形成防滲墻的方案;張海龍等[16]針對(duì)圍堰防滲問(wèn)題,提出了防滲土工膜和充填管袋結(jié)合的圍堰防滲形式。充填管袋的斷面尺度和長(zhǎng)度方向尺度差異較大,呈長(zhǎng)條狀,同樣的充填管袋堆積體的縫隙尺度在不同方向上也有較大差異,并且不同的管袋布置方式縫隙結(jié)構(gòu)和分布也不同。充填管袋堆積體的滲透性也因縫隙結(jié)構(gòu)的方向性,在不同的滲流方向上有所差異,具有各向異性。另外,充填管袋堆積體的縫隙在上覆應(yīng)力作用下縫隙被壓縮,其滲透性也將產(chǎn)生變化。目前關(guān)于充填管袋堆積體滲透各向異性及應(yīng)力-滲流耦合的研究報(bào)道還較少。針對(duì)上述問(wèn)題本文通過(guò)大尺度應(yīng)力-滲流耦合模型試驗(yàn),以多個(gè)管袋搭接形成的堆積體為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)兩種管袋布置方式,研究了充填管袋堆積體的滲透各向異性以及應(yīng)力-滲流耦合關(guān)系,以期為實(shí)際工程的滲流控制提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)用砂土取自天津南港東堤,分別為堤基拋填砂(簡(jiǎn)稱拋填砂)、堤身管袋充填砂(簡(jiǎn)稱充填砂),經(jīng)烘干去除雜質(zhì)后,采用顆粒篩分儀對(duì)兩種沙土分別篩分,其顆粒級(jí)配組成如圖1 所示。試驗(yàn)用管袋材料為聚丙烯編織土工織物,設(shè)計(jì)兩種砂袋尺寸,寬度分別為10 cm和5 cm,高度均為4 cm,長(zhǎng)度根據(jù)模型槽的尺寸分別取100 cm和30 cm。

圖1 試驗(yàn)用砂土顆分曲線

試驗(yàn)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試驗(yàn)裝置,如圖2所示。試驗(yàn)裝置的內(nèi)槽尺寸為長(zhǎng)100 cm、寬30 cm、高50 cm。該裝置由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(包括位移傳感器、壓力傳感器等)和軸向壓力系統(tǒng)組成。

圖2 模型槽試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究充填管袋堤壩滲透性的各向異性,如圖3所示,設(shè)計(jì)兩種管袋布置方式:①方案1,管袋間接縫平行于滲流方向,在模型槽中縱向排列;②方案2,管袋間接縫垂直于滲流方向,在模型槽中橫向排列。模型內(nèi)試樣填筑時(shí),首先在模型槽底部分別按干密度1.65 g/cm3和2.00 g/cm3填筑3 cm厚的黏土和5 cm厚的拋填砂,然后在拋填砂上分層填筑裝有充填砂的管袋。為防止試驗(yàn)過(guò)程中水流沿著模型側(cè)壁與管袋接觸縫隙流失,使用黏土封堵管袋與模型側(cè)壁的縫隙。模型填筑完畢后試樣高為45 cm,內(nèi)部主要存在3種縫隙:管袋端部形成的空隙、相鄰管袋間接縫和管袋端部與底部砂層形成的空隙。

圖3 管袋布置示意圖

另外試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)施加不同上覆應(yīng)力(0.05～0.3 MPa)來(lái)研究應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)的耦合作用,方案1施加的上覆應(yīng)力為0.1 MPa、0.2 MPa和0.3 MPa,方案2施加的上覆應(yīng)力為0.05 MPa、0.1 MPa、0.2 MPa和0.3 MPa。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

a. 上覆應(yīng)力加載過(guò)程。模型安裝完成后,利用千斤頂緩慢施加上覆應(yīng)力,加載至設(shè)計(jì)上覆應(yīng)力后,停止加壓并保持應(yīng)力恒定。

b. 模型土體飽和過(guò)程。打開進(jìn)水閥、出水閥,然后將溢流水箱內(nèi)水位提升至略高于模型內(nèi)試樣的位置,飽和4～5 h,同時(shí)對(duì)測(cè)壓管及下游出水管進(jìn)行排氣。

c. 滲透壓力加載過(guò)程。在保持上覆應(yīng)力不變的情況下,提高溢流水箱位置增加滲透壓力,待上下游測(cè)壓管內(nèi)水位穩(wěn)定后,測(cè)量記錄此時(shí)的模型滲流量,每10 min測(cè)量1次滲流量至穩(wěn)定不變后,繼續(xù)施加下一級(jí)滲透壓力。

在完成此級(jí)上覆應(yīng)力的試驗(yàn)后,重新裝填試樣,改變上覆應(yīng)力,重復(fù)此試驗(yàn)過(guò)程。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 模型試樣的滲流量

模型試樣的滲流量可以分為流經(jīng)底部拋填砂層的滲流量、管袋間縫隙的滲流量和管袋內(nèi)充填砂的滲流量3部分。通過(guò)試驗(yàn)獲得在不同圍壓下拋填砂與充填砂本身的滲透系數(shù)如表1所示。由于兩種砂土在不同圍壓下的滲透性變化較小,為了方便計(jì)算,選取圍壓為0.15 MPa時(shí)兩種砂土的滲透系數(shù)作為后續(xù)計(jì)算滲流量時(shí)的參數(shù),并假定其在上覆應(yīng)力變化過(guò)程中保持不變。根據(jù)模型砂層的填筑尺寸與試驗(yàn)中測(cè)量得到的水力梯度,由達(dá)西定律可以近似得出在某一水力梯度下通過(guò)模型中兩種砂土的滲流量。

表1 不同圍壓下的滲透系數(shù)

2.1.1 管袋間接縫平行滲流方向

試驗(yàn)過(guò)程中,分級(jí)升高上游水頭,隨著滲透壓力的持續(xù)增加,水力梯度總體升高幅度較小,流量增加較快;在施加不同上覆應(yīng)力的情況下,各組試驗(yàn)流量與水力梯度變化不大。經(jīng)計(jì)算,流經(jīng)底部拋填砂層和管袋內(nèi)充填砂的滲流量相加不足總滲流量的1%,總滲流量可近似認(rèn)為是流經(jīng)管袋間縫隙的滲流量,可見此時(shí)管袋間縫隙是影響滲流的主要因素,這與劉斯宏等[11]的研究結(jié)論相符合。

由于底部拋填砂層的滲透性對(duì)于模型整體滲透性影響較小,因此試驗(yàn)中模型整體的滲透性可以近似看作充填管袋堆積體的滲透性。不同上覆應(yīng)力作用下的滲流流速與水力梯度的關(guān)系見圖4。在施加0.1 MPa上覆應(yīng)力試驗(yàn)中,當(dāng)水力梯度小于0.038時(shí),滲流流速與水力梯度近似呈線性關(guān)系,符合達(dá)西定律,此時(shí)滲流流速和滲透系數(shù)較大;當(dāng)水力梯度大于0.038時(shí),繼續(xù)增加滲透壓力,水力梯度增加幅度很小,而堆積體滲透性突然增大,滲流流速增加迅速。因此判斷在施加0.1 MPa上覆應(yīng)力情況下,當(dāng)水力梯度達(dá)到0.038時(shí),堆積體發(fā)生滲透破壞。增加上覆應(yīng)力,堆積體滲流流速略微減小,臨界水力梯度并未明顯提高,當(dāng)水力梯度達(dá)到0.04附近時(shí),發(fā)生滲透破壞。

圖4 方案1不同上覆應(yīng)力作用下滲流流速與水力梯度關(guān)系

在試驗(yàn)過(guò)程中堆積體的滲流流量和流速很大,滲透性很強(qiáng),這是因?yàn)楣艽雌浣涌p平行于滲流方向布置,管袋端部的空隙和相鄰管袋間的接縫易形成貫通上下游的滲流通道,所以其滲透性較強(qiáng)。模型發(fā)生滲透破壞時(shí),管袋本身并未發(fā)生破壞,而是模型內(nèi)管袋間形成的縫隙在水力作用下尺度增大,滲流通道擴(kuò)大。在未發(fā)生破壞時(shí),管袋端部與底部拋填砂層間的空隙中有部分拋填砂存在,沒(méi)有形成貫通的滲流通道,但這部分砂粒較為松散,孔隙率較大,因此在水力梯度較低的情況下就易被沖刷,進(jìn)而形成新的滲流通道,造成模型滲透性突然增大。

圖5 方案2不同上覆應(yīng)力作用下滲流流速與水力梯度關(guān)系

2.1.2 管袋間接縫垂直滲流方向

經(jīng)計(jì)算,在不同上覆應(yīng)力作用下,流經(jīng)底部拋填砂層的滲流量占總滲流量的2.0%～4.3%,流經(jīng)管袋內(nèi)充填砂的滲流量占7.0%～15.5%,管袋間的縫隙仍是影響滲流的主要因素。因此與方案1相同,底部拋填砂層對(duì)于模型整體滲透性的影響可以忽略,將模型總滲透性近似看作充填管袋堆積體的滲透性。

各上覆應(yīng)力作用下滲流流速與水力梯度的關(guān)系如圖5所示。在不同上覆應(yīng)力作用下的水力梯度與滲流流速均具有良好的線性關(guān)系,線性擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上,結(jié)果符合達(dá)西定律。隨著上覆應(yīng)力增加,在相同水力梯度下,堆積體滲流流速明顯減小。

對(duì)比方案1與方案2的試驗(yàn)結(jié)果可知,方案2的滲透性明顯小于方案1;雖然方案2未發(fā)生滲透破壞,但其臨界水力梯度也遠(yuǎn)大于前者的0.04。這種差異是因?yàn)楣艽涌p垂直滲流方向布置時(shí),相鄰管袋間的接縫和管袋端部與底部砂層間的空隙垂直于滲流方向,管袋與底部拋填砂層緊密接觸而沒(méi)有空隙。所以模型在方案2布置方式下,內(nèi)部沒(méi)有形成貫通的滲流通道,其滲透性也明顯小于方案1。

兩種試驗(yàn)方案模型滲透性差異明顯,這意味著對(duì)于同一個(gè)模型來(lái)說(shuō),其滲透性具有明顯的方向性,而模型底部拋填砂層的滲透性一般認(rèn)為是各向同性的,所以認(rèn)模型試樣表現(xiàn)出的滲透各向異性是由充填管袋堆積體本身的滲透特性造成的。

2.2 充填管袋堆積體應(yīng)力-滲流耦合分析

管袋間縫隙是滲流的主要通道,所以管袋間縫隙的尺度在上覆應(yīng)力作用下的變化是影響滲透性的主要因素。因?yàn)榈撞繏佁钌皩拥臐B透性較小,所以忽略其對(duì)整體滲透性的影響,充填管袋堆積體滲透系數(shù)與上覆應(yīng)力關(guān)系如圖6所示。將管袋間的縫隙類比為巖體中裂隙,參考Louis在1974年提出的平均滲透系數(shù)與應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式[17]:

k=k0exp(-ασ)

(1)

式中:k0為地面或參考的滲透系數(shù);α為系數(shù),取值與介質(zhì)的材料有關(guān);σ為上覆巖層產(chǎn)生的壓強(qiáng)。滲透系數(shù)與應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。

圖6 滲透系數(shù)與上覆應(yīng)力的關(guān)系

由圖6可見，兩種試驗(yàn)方案堆積體的滲透系數(shù)都隨上覆應(yīng)力增大而逐漸減小,通過(guò)曲線擬合發(fā)現(xiàn)兩者近似滿足負(fù)指數(shù)關(guān)系,擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.917 8和0.996 4。根據(jù)式(1),管袋堆積體與巖體的滲流-應(yīng)力耦合規(guī)律有一定相似性,都呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。方案1堆積體滲透系數(shù)減小約10%,且下降幅度并不均勻,應(yīng)力由0.1 MPa增加至0.2 MPa時(shí)滲透系數(shù)下降幅度較大,繼續(xù)增加應(yīng)力下降幅度減緩;而方案2堆積體滲透系數(shù)減小約57%,降幅較為均勻。可見兩種試驗(yàn)方案堆積體的滲透性對(duì)于應(yīng)力增加的敏感程度不同,方案1與方案2滲透系數(shù)的比值隨應(yīng)力增加而增大。

隨著上覆應(yīng)力的增加,充填管袋堆積體內(nèi)的空隙、縫隙還有砂粒間的孔隙都將被壓縮,但由于管袋斷面尺寸的影響,管袋端部的空隙和相鄰管袋間的接縫不能被完全壓縮消失。在方案1情況下,堆積體內(nèi)部的滲流通道被壓縮,滲透性降低,但管袋形變達(dá)到一定程度后,空隙無(wú)法被繼續(xù)壓縮,滲流通道繼續(xù)存在于堆積體內(nèi)部;對(duì)于方案2的管袋堆積體,相鄰管袋間接縫和管袋端部與底部拋填砂層間的空隙隨應(yīng)力增加越來(lái)越小,接觸更加緊密,所以滲透性逐漸減小。另外根據(jù)土力學(xué)理論,同一位置的砂土所受的豎向壓力大于側(cè)向壓力,所以對(duì)相鄰管袋間的接縫,水平方向時(shí)所受壓力要大于豎向時(shí),滲透性則相反。因此方案1充填管袋堆積體的滲透性對(duì)于上覆應(yīng)力增加的敏感度要弱于方案2。

2.3 充填管袋堆積體滲流各向異性分析

在充填管袋堤壩中,管袋縫隙并不是沿某一方向貫通的,不同的管袋搭接布置方式,縫隙結(jié)構(gòu)不同,在堤壩內(nèi)部易形成縫隙網(wǎng)絡(luò)。由前文可知不同搭接方式的管袋堆積體滲透性差異較大,具有明顯的各向異性。

根據(jù)各向異性滲透介質(zhì)的達(dá)西定律,二維滲透張量可由滲透圓方法[18]求解,可表示為

(2)

式中:k1、k2為滲透張量的主值;θ為滲透系數(shù)與主方向x軸的夾角。

通過(guò)管袋間接縫平行(方案1)與垂直(方案2)滲流方向的試驗(yàn)分析可以看出,堆積體滲透系數(shù)對(duì)于應(yīng)力增加的敏感度不同,滲透性的各向異性系數(shù)k1/k2隨應(yīng)力增加而增大,說(shuō)明堆積體滲透各向異性隨應(yīng)力增加越來(lái)越明顯。

為驗(yàn)證充填管袋堆積體的滲透各向異性對(duì)堤壩滲流場(chǎng)的影響,以某海堤工程資料為依據(jù)建立三維有限元計(jì)算模型。該海堤采用充填管袋技術(shù)筑堤,堤頂高程為8.80 m,上游堤坡坡度為1∶3,下游堤坡坡度為1∶2.5。堤身采用充填管袋填筑,管袋下部為堤基拋填砂層,并在上游坡腳設(shè)置防滲墻。

堤壩模型x方向?yàn)樗矫嫔洗怪钡虊屋S線方向,y方向?yàn)樗矫嫔掀叫械虊屋S線方向,z方向?yàn)樨Q直方向;有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為14 421個(gè),單元總數(shù)為12 600個(gè)。模型邊界條件:上游水面線以下為已知水頭邊界,下游為出滲邊界,模型兩側(cè)和底部邊界為不透水邊界,計(jì)算模型的標(biāo)準(zhǔn)剖面如圖7所示。堤壩各分區(qū)和堤基的滲透系數(shù)如表2所示,管袋層的滲透系數(shù)根據(jù)上覆應(yīng)力為0.2 MPa時(shí)方案1和方案2的充填管袋堆積體滲透系數(shù)選取。

圖7 堤壩模型標(biāo)準(zhǔn)剖面

圖8 堤壩剖面滲流場(chǎng)水頭分布(單位:m)

材 料k/(cm·s-1)x方向y方向z方向粉砂層9.8×10-39.8×10-39.8×10-3中粗砂墊層5.8×10-35.8×10-35.8×10-3坡腳塊石0.10.10.1混凝土柵欄板0.10.10.1防浪墻1.2×10-71.2×10-71.2×10-7防滲墻蓋板1.2×10-71.2×10-71.2×10-7防滲墻1.2×10-71.2×10-71.2×10-7管袋(垂直滲流方向)2.45×10-20.9662.45×10-2管袋(平行滲流方向)0.9662.45×10-22.45×10-2

計(jì)算工況:①工況1,管袋層1管袋垂直滲流方向布置;②工況2,管袋層1管袋平行水流方向布置;③工況3,管袋層1管袋垂直水流方向布置,但未考慮管袋滲透系數(shù)各向異性。

滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見圖8,可以看出,工況1與工況2的滲流場(chǎng)相比,兩者滲流場(chǎng)差異明顯。工況1堤壩的浸潤(rùn)線位置較低,相同位置水頭也小于工況2,最大相差約1m;工況1管袋層1處等水頭線較密集,水力坡降較大,而在堤壩中部水力坡降小于工況2。工況3與工況1相比,兩者滲流場(chǎng)分布規(guī)律相似。工況1的浸潤(rùn)線位置、相同位置處的水頭都要高于工況3,可見在考慮滲透各向異性的情況下,堤壩的浸潤(rùn)線和位置水頭較高。

在充填管袋堤壩中因不同的搭接布置方式,內(nèi)部管袋堆積體的滲透各向異性較為顯著,對(duì)堤壩的滲流場(chǎng)分布影響很大;相同搭接布置方式的管袋,未考慮其滲透系數(shù)的各向異性時(shí),滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果偏小。因此在管袋應(yīng)用中考慮滲透各向異性可以獲得更加準(zhǔn)確的滲流場(chǎng),可為工程的滲流穩(wěn)定控制提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

a. 不同上覆應(yīng)力下模型水力梯度與滲流流速呈線性關(guān)系,符合達(dá)西定律。充填管袋堆積體內(nèi)的縫隙是滲流的主要通道,管袋間接縫與滲流方向平行時(shí),堆積體的滲透性遠(yuǎn)大于管袋間接縫與滲流方向垂直時(shí)。

b. 滲透系數(shù)與上覆應(yīng)力兩者近似滿足負(fù)指數(shù)關(guān)系,滲透系數(shù)隨上覆應(yīng)力的增加逐漸減小。不同的布置方式充填管袋堆積體滲透性對(duì)于上覆應(yīng)力增加的敏感度不同,管袋間接縫與滲流方向垂直時(shí)隨應(yīng)力增加滲透系數(shù)減小更明顯。

c. 充填管袋堆積體的滲透性呈明顯的各向異性,不同搭接布置方式的堆積體的滲透各向異性對(duì)堤壩滲流場(chǎng)的影響較大。充填管袋堤壩工程中應(yīng)注意管袋滲透各向異性對(duì)滲流穩(wěn)定控制的影響。

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