經(jīng)向拉伸對(duì)W100編織布覆砂系統(tǒng)滲透特性的影響

肖 豪，滿曉磊，陳志文，鮑永健，吳英杰，錢夢(mèng)嬌

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

充填管袋筑壩技術(shù)作為一種新型綠色水利工程，具備就地取材、適應(yīng)能力對(duì)軟基較好、施工基本不易受潮位和降雨影響等優(yōu)點(diǎn)[1]，在我國水利水運(yùn)、海岸工程等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[2-3]。充填管袋筑壩技術(shù)是先用扁層狀管袋堆疊成圍堰，再在圍堰內(nèi)吹填砂質(zhì)土形成擋水堤壩的技術(shù)[4]。管袋壩是具有擋水功能的管狀結(jié)構(gòu)，其斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管袋壩斷面

對(duì)管袋壩安全性能評(píng)價(jià)主要考慮其滲透性能、保土性能和防淤堵性能[5-6]。在施工中土工織物的擠壓變形會(huì)影響系統(tǒng)的滲透性能[7-8]。吳海民等[9]通過正交試驗(yàn)研究了織物孔徑和顆粒級(jí)配對(duì)管袋滲透性能的影響規(guī)律。段國軍等[10]研究發(fā)現(xiàn)孔徑比過大會(huì)破壞反濾拱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致保土性下降。Lee等[11]研究發(fā)現(xiàn)PP土工布有較好的穩(wěn)定性。唐正濤[12]通過淤堵試驗(yàn)提出了改善無紡布防淤堵的措施。常廣品等[13]通過高效排水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同粒徑土顆粒沉淀分層現(xiàn)象。李偉等[14]研究模型孔隙率變化的敏感性，提出了土工織物反濾作用機(jī)理。周波等[15]通過試驗(yàn)得出水力梯度對(duì)土-無紡織物系統(tǒng)的反濾性能的影響規(guī)律。易進(jìn)蓉等[16]通過梯度比試驗(yàn)得出不同水力梯度對(duì)滲透性能的影響規(guī)律。佘巍等[17]在試驗(yàn)中得出土工織物拉應(yīng)變對(duì)土工織物淤堵程度的影響。徐超等[18]通過梯度比試驗(yàn)得出土工織物過濾黏土機(jī)制。王微等[19]通過土工織物淤堵試驗(yàn)研究得出各參數(shù)影響關(guān)系公式。朱積軍等[20]對(duì)壩體散浸現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，分析土工布散浸現(xiàn)象。

在充填管袋壩建造過程中，充填管袋會(huì)受充填材料的擠壓而發(fā)生形變。周萍等[21]通過土工織物的拉伸試驗(yàn)得出土工合成材料在土間拉伸時(shí)土中法向應(yīng)力的側(cè)限作用會(huì)增強(qiáng)材料的拉伸割線模量。姜紅等[22]對(duì)比分析土工織物垂直滲透試驗(yàn)方法，總結(jié)了對(duì)土工織物垂直滲透特性產(chǎn)生影響的因素。吳綱等[23]通過滲透試驗(yàn)得出有紡?fù)凉た椢飼?huì)抑制土體滲流能力。唐琳等[24]通過常水頭滲透試驗(yàn)得出單向拉伸對(duì)土工織物反濾性能的影響規(guī)律。陳輪等[25]對(duì)比研究了不同厚度的土工織物拉應(yīng)變對(duì)土工織物與非連續(xù)級(jí)配土組成反濾系統(tǒng)的梯度比、滲透系數(shù)、漏砂量的影響，得出隨著土工織物拉應(yīng)變的增加，淤堵程度加重，滲透系數(shù)逐漸減小。

土工織物編織工藝導(dǎo)致其經(jīng)緯絲變形程度不同。雷國輝等[26]在土工織物雙向拉伸滲透試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)土工織物經(jīng)向的抗拉變形能力要強(qiáng)于緯向的抗拉變形能力。Man等[27]在充填管袋有壓沖灌試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)經(jīng)緯向拉伸對(duì)土工織物滲透系數(shù)的影響。目前，國內(nèi)外對(duì)土工織物研究試驗(yàn)僅停留在單向拉伸和雙向拉伸與充填料耦合的研究階段，但并未區(qū)分土工織物沿經(jīng)緯向拉伸對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)滲透性能的影響，需要進(jìn)一步研究土工織物在經(jīng)緯向不同拉伸狀態(tài)下對(duì)其滲透特性的影響。文中主要針對(duì)經(jīng)向拉伸對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的影響開展試驗(yàn)研究，采用梯度比滲透儀分別對(duì)拉應(yīng)變?yōu)?%、3%、6%、9%的土工織物覆砂系統(tǒng)進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測定并計(jì)算不同拉伸狀態(tài)下土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透壓力、滲流流速、漏砂量以及滲透系數(shù)和梯度比等滲透特性參數(shù)，最終分析經(jīng)向拉伸對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)透水性能、防淤堵性能和保土性能等滲透特性的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

本試驗(yàn)利用梯度比滲透儀對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)進(jìn)行單向拉伸狀態(tài)下滲透特性的試驗(yàn)研究。如圖2所示為自主研發(fā)的可提供單向水流的滲透試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置上部設(shè)置一個(gè)固定水箱以提供常水頭水力條件。梯度比滲透儀進(jìn)水口連接上部固定蓄水箱，以保證進(jìn)行常水頭試驗(yàn)。中間筒體內(nèi)徑D為150 mm，高H為150 mm，底部筒體內(nèi)徑D為150 mm，高H為70 mm。中間筒體與底部筒體使用法蘭盤連接，并用于固定受單向拉伸后的土工織物。中間筒體下端和底部筒體上端都粘有發(fā)泡膠帶，在使用螺絲固定受拉土工織物時(shí)，可以與土工織物密切接觸，并保證儀器不會(huì)出現(xiàn)滲水和進(jìn)氣現(xiàn)象，使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。土工織物上方土樣高100 mm，并保證系統(tǒng)水力梯度i=5.0。在中間筒體側(cè)壁共設(shè)置4個(gè)測壓管，用于測量并計(jì)算各滲透特性參數(shù)。底部筒體的側(cè)壁開有出水口，可測量出水量。同時(shí)在底部筒體收集通過土工織物的砂粒，記為漏砂量。

圖2 梯度比滲透儀裝置

級(jí)配良好的土體有著較好的反濾特性，不易凸顯土工織物的反濾作用，并且實(shí)際施工現(xiàn)場所用填充土料大多為非連續(xù)級(jí)配的土體。因而，本試驗(yàn)選取非連續(xù)級(jí)配土測試受單向拉伸狀態(tài)下的土工織物的滲透特性。試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑為小于0.075 mm的細(xì)砂、0.3～0.6 mm的中砂、0.6～1.0 mm的粗砂，顆粒分析結(jié)果見表1。

表1 Cc試樣各粒徑區(qū)間質(zhì)量百分比

1.2 試驗(yàn)方法

針對(duì)經(jīng)向拉伸W100編織布覆砂滲透特性影響先后采用無覆砂土工織物透水試驗(yàn)及土工織物覆砂系統(tǒng)滲透試驗(yàn)來研究不同拉應(yīng)變下土工織物及土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透特性。其中，土工織物覆砂系統(tǒng)滲透試驗(yàn)按照拉應(yīng)變數(shù)值分為0%、3%、6%和9%共4組工況。

1.2.1 土工織物無覆砂透水試驗(yàn)

試驗(yàn)采用YG028GS型高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)以6 mm·min-1的速度分別將土工織物拉伸至應(yīng)變?yōu)?%、3%、6%和9%。在無覆砂的條件下將拉伸后的土工織物固定到梯度比滲透儀的中筒與底筒之間，并用螺絲固定組合，用橡皮管連接中筒接水口，打開水箱閥門，緩慢調(diào)整水頭高度，使水流滿整個(gè)裝置，以此來調(diào)節(jié)水流速度。在中筒一側(cè)接上測壓管，使裝滿水的滲透儀排除氣泡，關(guān)閉出水口，用固定高度的水箱作為常水頭接入進(jìn)水口，將土工織物浸泡12 h，等待測壓管中水的高度不再變化時(shí)，打開出水口，每隔30 min測一次出水量，并讀取測壓管中水頭高度。

1.2.2 土工織物覆砂滲透試驗(yàn)

梯度比滲透儀分別與拉應(yīng)變?yōu)?%、3%、6%和9%的土工織物組裝，并將一定級(jí)配的標(biāo)準(zhǔn)砂裝填于裝置中。在裝填的過程中輕輕地進(jìn)行壓實(shí)，然后將頂蓋與中筒用螺絲連接，使用一定高度的水箱控制常水頭，此后水頭高度調(diào)整到與砂樣高度相同，連接梯度滲透儀頂蓋的進(jìn)水口，打開閥門，使水箱中的水通過進(jìn)水口流進(jìn)整個(gè)裝置，然后打開底筒的出水閥門，此時(shí)打開頂蓋的進(jìn)水閥門，將儀器中的空氣排出，調(diào)整水箱高度使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確無誤。在水流裝滿整個(gè)裝備時(shí)，關(guān)閉頂蓋的進(jìn)水口和底筒的出水口，儀器兩側(cè)連接測壓管，水箱調(diào)至合適高度，使水箱的水管連接頂蓋的進(jìn)水口，將砂料浸泡12 h。待測壓管高度不再變化時(shí)，打開底筒的出水口，每隔30 min測出水量，并讀取測壓管水位高度。在試驗(yàn)結(jié)束后將底筒的漏砂取出并烘干，作為漏砂量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉應(yīng)變對(duì)土工織物無覆砂下流速的影響

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到土工織物無覆砂流速隨拉應(yīng)變的變化如圖3所示。由圖3可知，對(duì)于無砂料裝填的滲透試驗(yàn)，純土工織物的流速隨土工織物經(jīng)向拉應(yīng)變的遞增呈現(xiàn)出先減后增的變化趨勢(shì)。其中，拉應(yīng)變?cè)?%時(shí)該變化曲線達(dá)到極小值點(diǎn)，即純土工織物的流速最低，說明土工織物此時(shí)的有效孔徑最小，透水性能最差。

圖3 流速與拉應(yīng)變的關(guān)系

2.2 拉應(yīng)變對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)保土性能影響

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到土工織物覆砂系統(tǒng)的漏砂量隨拉應(yīng)變變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，土工織物覆砂系統(tǒng)的漏砂量隨經(jīng)向拉應(yīng)變呈先減后增的趨勢(shì)，其中，拉應(yīng)變?cè)?%時(shí)該變化曲線達(dá)到極小值點(diǎn)，即土工織物覆砂系統(tǒng)的漏砂量最低，說明土工織物此時(shí)覆砂系統(tǒng)的保土性能最佳。

圖4 漏砂量與拉應(yīng)變的關(guān)系

2.3 拉應(yīng)變對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)透水性能影響

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透速率隨拉應(yīng)變變化曲線和隨時(shí)間變化曲線分別如圖5、圖6所示。由圖5可知，土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透速率隨織物經(jīng)向拉應(yīng)變呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢(shì)，與純土工織物下的流速變化趨勢(shì)大體一致，但是較純土工織物狀態(tài)下的變化趨勢(shì)略顯平緩。其中，拉應(yīng)變?cè)?%時(shí)該變化曲線達(dá)到極小值點(diǎn)，即土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透速率最低，說明此時(shí)土工織物覆砂系統(tǒng)的淤堵情況較為嚴(yán)重，其滲透性能較差。由圖6可知，各工況的滲透速率在15 h后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 滲透速率與拉應(yīng)變的關(guān)系

圖6 滲透速率與時(shí)間的關(guān)系

土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透系數(shù)隨拉應(yīng)變變化曲線和隨時(shí)間變化曲線分別如圖7、圖8所示。由圖7可知，土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透系數(shù)隨著拉應(yīng)變的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但拉應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，滲透系數(shù)仍比未拉伸要小，拉應(yīng)變?yōu)?%時(shí)接近最低值，說明土工織物此時(shí)覆砂系統(tǒng)的滲透能力最小。由圖8可知，各工況的滲透系數(shù)在15 h后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 滲透系數(shù)與拉應(yīng)變的關(guān)系

圖8 滲透系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

2.4 拉應(yīng)變對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)防淤堵性能影響

為了更加清晰準(zhǔn)確地探究土工織物覆砂狀態(tài)下的淤堵情況，對(duì)土工織物覆砂系統(tǒng)滲透試驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到如圖9所示的各規(guī)格土工織物覆砂系統(tǒng)的梯度比隨時(shí)間變化的曲線。

圖9 梯度比與時(shí)間的關(guān)系

由圖9可知，各工況的梯度比在15 h后逐漸趨于穩(wěn)定，說明土工織物覆砂系統(tǒng)的反濾拱逐漸穩(wěn)定，顆粒運(yùn)移呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖10可知，土工織物覆砂系統(tǒng)隨織物拉應(yīng)變呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)，其中，拉應(yīng)變?cè)?%時(shí)該曲線達(dá)到極大值點(diǎn)，即土工織物覆砂系統(tǒng)的梯度比達(dá)到峰值，說明此時(shí)土工織物覆砂系統(tǒng)的淤堵情況較為嚴(yán)重，防淤堵性能較弱。

圖10 梯度比與拉應(yīng)變的關(guān)系

3 結(jié) 論

土工織物經(jīng)向拉伸對(duì)其等效孔徑有直接影響，土工織物拉應(yīng)變由0%～3%過程中等效孔徑逐漸減小，大于3%后等效孔徑逐漸變大，故拉應(yīng)變?yōu)?%時(shí)等效孔徑最小。

在土工織物覆砂系統(tǒng)滲透試驗(yàn)過程中，隨著顆粒運(yùn)移，土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透速率、滲透系數(shù)和梯度比隨著時(shí)間增加均趨于穩(wěn)定，說明土工織物覆砂系統(tǒng)內(nèi)部最終形成穩(wěn)定的反濾結(jié)構(gòu)，造成了土工織物的淤堵。

當(dāng)經(jīng)向拉應(yīng)變小于3%時(shí)，土工織物覆砂系統(tǒng)的透水性能和防淤堵性能逐漸減弱，保土性能逐漸增強(qiáng)；當(dāng)經(jīng)向拉應(yīng)變大于3%時(shí)，土工織物覆砂系統(tǒng)的透水性能和防淤堵性能逐漸增強(qiáng)，保土性能逐漸減弱；而當(dāng)土工織物的經(jīng)向拉應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，土工織物的透水性能和防淤堵性能最弱，保土性能最強(qiáng)。