土工織物覆砂滲透特性試驗(yàn)研究

滿曉磊，湯藝偉，張春偉，汪萬升

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

充填管袋技術(shù)始于20世紀(jì)50年代[1]，最先被應(yīng)用于國(guó)外的海岸防護(hù)工程中[2-4]；自1985年被引入中國(guó)后，憑借其優(yōu)點(diǎn)在河口蓄淡水庫、深水航道整治、近海交通設(shè)施、內(nèi)河整治等多種基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[5-6]。但目前充填管袋壩的滲流機(jī)制尚不明確，滲透模型也未能建立，限制了充填管袋壩的滲流計(jì)算與分析，制約著新建壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與已建壩體的安全評(píng)價(jià)。

揭示充填管袋壩滲流機(jī)制的首要任務(wù)是探究單個(gè)管袋的滲流特性。由于單個(gè)管袋是由充填砂和袋體材料共同組成的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，故其滲透性能受到充填砂和袋體材料的共同影響。目前，對(duì)于管袋材料與充填料各自的滲透特性研究已比較充分。

對(duì)于影響管袋袋體材料—土工織物的滲透性能問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同條件下的土工織物的滲透系數(shù)進(jìn)行了深入研究。對(duì)于無應(yīng)變下的土工織物，周蓉等[7]通過對(duì)不同規(guī)格針刺土工織物連續(xù)24 h的反復(fù)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行土工織布淤堵程度的量化分析和滲透性能的預(yù)測(cè)；PALMEIRA等[8]、李富強(qiáng)等[9]分析織物堵塞對(duì)滲透特性的影響，并提出壓力折減系數(shù)與堵塞折減系數(shù)。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還研究織物拉伸狀態(tài)下的滲透反濾特性。HONG等[10]研究持續(xù)荷載、脈沖荷載以及復(fù)合荷載等不同類型的荷載作用下土工織物滲透系數(shù)的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明：土工織物系統(tǒng)的整體滲透系數(shù)均隨荷載的增大而增大；FOURIE等[11]對(duì)不同厚度的土工織物進(jìn)行單向拉伸和雙向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明土工織物的等效孔徑均會(huì)隨拉力的變化而變化；WU等[12]對(duì)土工織物沿緯向施加單向拉力后進(jìn)行透水試驗(yàn)和梯度比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明土工織物在受到單向拉伸時(shí)等效孔徑孔隙會(huì)增大，滲透系數(shù)也隨之增大；陳輪等[13]則研究經(jīng)向拉應(yīng)變對(duì)土工織物滲透性能的影響，研究表明拉應(yīng)變會(huì)使土工織物發(fā)生淤堵，進(jìn)而降低土工織物的滲透性能；滿曉磊等[14-15]通過橫縱向吊袋脫水試驗(yàn)，間接說明經(jīng)、緯向拉伸對(duì)土工織物滲透特性影響不同。

有關(guān)純土的滲透性能研究主要從兩方面進(jìn)行：無黏性土滲透性研究和黏性土滲透性研究。其中，在無黏性土滲透性的研究方面，王小江等[16]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在粗砂巖的變形滲透破壞過程中，軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變對(duì)滲透性的影響基本上呈階段性一致，但滲透性對(duì)環(huán)向應(yīng)變的變化更為敏感；王俊杰等[17]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)隨顆粒級(jí)配特征值d20和曲率系數(shù)的增大而增大，隨干密度的增大而減小，隨顆粒球形度的增大而減??；蘇立君等[18]研究同一粒徑級(jí)砂土滲透系數(shù)隨孔隙率的變化和同一孔隙率下不同粒徑級(jí)砂土滲透系數(shù)隨均值粒徑的變化規(guī)律，并擬合出滲透系數(shù)與相關(guān)影響因素的經(jīng)驗(yàn)公式；孔令偉等[19]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砂土滲透系數(shù)具有明顯的細(xì)粒效應(yīng)，滲透系數(shù)隨著細(xì)粒的增加而降低。對(duì)于黏性土滲透性的研究方面，凌華等[20]研究應(yīng)力條件下黏土的滲透性試驗(yàn)，結(jié)果表明在相同的應(yīng)力條件下，顆粒和黏土的含量越高，土壤的滲透系數(shù)越?。涣航▊サ萚21]通過常水頭滲流試驗(yàn)研究極細(xì)顆粒黏土的滲流特性，結(jié)果顯示試樣滲透系數(shù)隨著孔隙液離子濃度的增大而增大。

而充填管袋滲透機(jī)制的研究主要受制于管袋材料的非均質(zhì)性和充填料的非連續(xù)性，并且目前對(duì)于管袋材料與充填料組成系統(tǒng)的滲透特性研究相對(duì)較少，因此，有必要就土工織物覆砂條件下系統(tǒng)的滲透特性進(jìn)行研究。為此，文中采用常水頭滲透試驗(yàn)，分別探究純砂條件下與土工織物覆砂條件下的滲透系數(shù)以及顆粒運(yùn)移情況，并對(duì)比分析土工織物對(duì)充填砂滲透特性的影響。

1 滲透試驗(yàn)

通過室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn)，對(duì)土工織物覆砂和純砂條件下的砂料滲水速率以及試驗(yàn)結(jié)束后滲透儀器內(nèi)部砂料的級(jí)配數(shù)據(jù)進(jìn)行采集計(jì)算，了解土工織物對(duì)砂料滲透系數(shù)的影響以及滲透過程中儀器內(nèi)砂料的運(yùn)移情況，進(jìn)一步揭示充填管袋壩的滲流機(jī)制。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用TST-55型滲透儀(以下簡(jiǎn)稱南55型滲透儀)，在滲透儀上方設(shè)置一個(gè)有水源供應(yīng)的固定水箱，為滲透儀提供穩(wěn)定的常水頭條件，試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滲透試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用單位面積質(zhì)量為200 g·m-2、等效孔徑為0.31 mm的土工織物；砂料選用天然黃砂，其級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 砂料初始級(jí)配曲線

1.3 試驗(yàn)方案與步驟

在實(shí)際壩體工程中填充砂料的滲透系數(shù)除了與外部條件溫差、水壓力相關(guān)外還與自身孔隙率和顆粒級(jí)配等因素有關(guān)。為了有效地探討土工織物對(duì)細(xì)粒砂滲透系數(shù)的影響，本試驗(yàn)嚴(yán)格控制砂料孔隙率、顆粒級(jí)配、有效粒徑、中值粒徑等影響因素不變，具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 滲透試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)為常水頭滲透試驗(yàn)，在72 cm高的水頭作用下待滲透裝置出水管口有穩(wěn)定水滴逸出后即可開始秒表集水計(jì)時(shí)并記錄數(shù)據(jù)。每記錄一次數(shù)據(jù)算出該數(shù)據(jù)下的滲透系數(shù)，當(dāng)滲透系數(shù)保持不變時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。滲透系數(shù)具體計(jì)算公式為

式中：k為滲透系數(shù)；M為一次數(shù)據(jù)記錄下的滲出水質(zhì)量；L為儀器內(nèi)填料高度；A為裝置出水口過水?dāng)嗝婷娣e；t為一次集水時(shí)間；H為測(cè)壓管水頭差。

在滲透試驗(yàn)結(jié)束后將環(huán)刀內(nèi)充填砂取出，并按層從下到上均等分為4層塊，其中，試驗(yàn)A的4個(gè)層塊分別記作：A1，A2，A3，A4；同理，試驗(yàn)B的4個(gè)層塊分別記作：B1，B2，B3，B4。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土工織物對(duì)滲透系數(shù)的影響

將充填料分別壓實(shí)到同一孔隙率進(jìn)行滲透試驗(yàn)，根據(jù)各組試驗(yàn)整體滲透系數(shù)隨時(shí)間變化結(jié)果，繪制A,B兩組試驗(yàn)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線,如圖3所示。由圖3可知,A,B兩組試驗(yàn)滲透系數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)明顯不同，其中,A組滲透系數(shù)曲線在試驗(yàn)前期呈抖動(dòng)式上升，主要是因儀器內(nèi)細(xì)砂顆粒在水流滲透力作用下由滲水口滲出，形成通道，在通道穩(wěn)定之前細(xì)顆粒的運(yùn)移會(huì)形成頻繁的淤堵以及淤堵破壞的現(xiàn)象。試驗(yàn)后期滲透系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，是因?yàn)樾纬煞€(wěn)定的顆粒通道結(jié)構(gòu)；而試驗(yàn)B的滲透系數(shù)變化曲線呈現(xiàn)抖動(dòng)下降變化，這是因?yàn)橥凉た椢飳?duì)于充填砂中細(xì)顆粒的流失具有抑制作用，在滲流過程中逐漸形成致密的反濾層結(jié)構(gòu)，最終滲透系數(shù)不再發(fā)生變化，達(dá)到滲透穩(wěn)定。

圖3 A，B組試驗(yàn)滲透系數(shù)對(duì)比

2.2 儀器內(nèi)顆粒運(yùn)移規(guī)律

將試驗(yàn)A，B結(jié)束后的各層砂用BT-9300H型激光粒度分布儀測(cè)試其級(jí)配，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖可知，試驗(yàn)結(jié)束后，A，B兩組填料的各層砂料級(jí)配變化趨勢(shì)大體相同，儀器內(nèi)砂顆粒空間位置上表現(xiàn)為上細(xì)下粗。由下到上填充料逐漸變細(xì)，主要是由于大顆?？p隙間的細(xì)顆粒在水流滲透力的作用下沿水流方向向上移動(dòng)，且試驗(yàn)前期有部分細(xì)顆粒由滲透儀出水口處滲出，在細(xì)顆粒上移的過程中會(huì)形成滲流通道，與此同時(shí)，部分大顆粒通過通道發(fā)生沉降現(xiàn)象。在大顆粒沉降的過程中又會(huì)重新填堵通道，由此往復(fù)，最終表現(xiàn)為試驗(yàn)前期滲透系數(shù)抖動(dòng)變化。

圖4 A組各層砂顆粒級(jí)配曲線

圖5 B組各層砂顆粒級(jí)配曲線

由圖4可知，純砂條件下待試驗(yàn)結(jié)束后A3層砂料細(xì)顆粒含量最多，這是因?yàn)殡S水流滲透力流到最上層的細(xì)砂顆粒由出水口處流出，使得最上層細(xì)顆粒占比降低。與此相反的是，如圖5所示，在土工織物覆砂條件下待試驗(yàn)結(jié)束后最上層B4層的細(xì)顆粒含量最多，說明土工織物對(duì)隨水流滲透力作用上移的細(xì)顆粒具有攔截作用。

圖6所示為試驗(yàn)A，B結(jié)束后最上層的砂料顆粒級(jí)配，由圖6可知，在土工織物覆砂條件下，滲透試驗(yàn)結(jié)束后上層堆積更多的細(xì)顆粒砂料。由圖4、圖5可知，在土工織物覆砂條件下，試驗(yàn)結(jié)束后各層間的級(jí)配曲線較純砂條件下的更為離散；又由圖6可以看出，土工織物覆砂較純砂條件下試驗(yàn)結(jié)束后最上層的細(xì)顆粒含量更高，說明土工織物對(duì)儀器內(nèi)砂料產(chǎn)生反濾作用，從而使得細(xì)顆粒很難流出，堆積在最上層，而上層細(xì)顆粒的大量堆積會(huì)對(duì)土工織物產(chǎn)生淤堵作用，進(jìn)而使試驗(yàn)B的滲透系數(shù)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)反濾與淤堵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)滲透系數(shù)降到最低并趨于穩(wěn)定。

圖6 A，B組試驗(yàn)最上層砂級(jí)配曲線對(duì)比

圖7所示為A，B兩組試驗(yàn)在整個(gè)滲透試驗(yàn)過程中收集的滲出水。由圖可知，有土工織物的滲出水較無土工織物時(shí)的濁度更低，達(dá)到滲透平衡時(shí)的滲水量更少，說明土工織物的存在對(duì)砂土料的正常滲透產(chǎn)生較為嚴(yán)重的淤堵與反濾作用。

圖7 A，B組試驗(yàn)集水對(duì)比

3 結(jié)論與展望

1)在常水頭滲流過程中細(xì)顆粒填充料在水流滲透力的作用下沿水流方向運(yùn)移，而土工織物對(duì)于砂料中的細(xì)砂顆粒的流失具有抑制作用，并可與砂料形成致密且穩(wěn)定的反濾結(jié)構(gòu)，因此，土工織物覆砂條件下的滲透系數(shù)小于同級(jí)配純砂的滲透系數(shù)。

2)充填砂以及袋體材料的滲透性能各異，且存在相互影響是導(dǎo)致單管袋滲透系統(tǒng)的滲流機(jī)制至今無法明確的主要原因。而本試驗(yàn)及其結(jié)論僅能顯示土工織物覆砂系統(tǒng)對(duì)滲透系數(shù)有影響，但具體的影響范圍、影響程度還有待進(jìn)一步試驗(yàn)探究。