往復水流作用下單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的影響

劉 慧， 滿曉磊*， 劉學立， 葛 穎， 胡佳寶

(1. 滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000；2. 滁州學院 材料與化學工程學院，安徽 滁州 239000)

管袋壩是一種在沿海岸地區(qū)以水力充填泥砂混合物脫水后形成的水工構筑物，該壩體常采用的是充填管袋筑壩技術[1]，其主要是依靠充填管袋脫水固結后壘疊成圍堰，然后再將泥砂混合物充填于管袋圍堰兩側之間，進而形成堤壩[2-3]。從管袋壩施工技術可發(fā)現(xiàn)，該筑壩技術具有工期短、就近取材、適應軟土地基、操作技術簡單、造價成本低等優(yōu)點[4-7]。作為一種新型綠色和優(yōu)點諸多的水利技術，引來眾多國內外學者對其實際工程的運用展開研究。在橋梁隧道工程和人工填海方面，港珠澳大橋島隧工程及珠澳口岸人工島填海工程島壁區(qū)均采用了充填管袋技術[8]。在水庫建設和航道整治方面，上海月浦水廠陳行蓄淡水庫與長江南京以下深水航道整治都采用了充填管袋筑壩技術[9]，該技術的使用節(jié)省大量工程資源。因此，我國大型基礎設施建設如修筑堤壩、水利水運、沿河沿海筑堤等開始廣泛應用該技術。

管袋壩作為一種擋水構筑物，明確充填管袋壩的滲流機制對管袋壩的建設與安全評價具有重要意義，而分析充填管袋壩滲流機制旨在揭示管袋內充填砂與土工織物的滲流耦合作用，為此國內外眾多學者對土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透耦合作用進行了理論研究。Pal等[10]針對土工布包裹物的過濾性能，采用參數(shù)化的研究，分析土工織物的過濾性能與其最大孔徑、孔隙率和土壤特性的關系，提出一種用于評價土工布圍護結構過濾性能的數(shù)學模型。姜紅等[11]通過對比國內外現(xiàn)行的土工織物參數(shù)取值方法，研究覆土條件對土工織物覆砂系統(tǒng)滲透性能的影響，研究表明土工織物覆砂系統(tǒng)的滲流耦合作用將會改變土工織物的滲透性。Wu等[12]通過Lattice Boltzmann方法-離散元方法-dlvo(LBM-DEM-DLVO)耦合方法模擬土工布濾漿的試驗，研究了土工布過濾過程中的水土流失、土工布的堵塞、濾餅的形成以及過濾過程中出水流速的變化等現(xiàn)象，研究表明土工織物的性質對濾餅的導水性能沒有影響。國內外學者在對土工織物覆砂系統(tǒng)的滲流耦合作用理論進行研究的同時，也進行了很多試驗方面的研究。Moo-Young等[13]運用滲透試驗方法對土工織物覆砂系統(tǒng)耦合作用下的透水性進行研究，分析土工織物孔徑等對透水性的影響。滿曉磊等[14]通過TST-55型滲透儀進行試驗，研究土工織物覆砂和純砂條件下的滲透系數(shù)，研究表明土工織物覆砂系統(tǒng)對滲透系數(shù)有影響。詹美禮等[15]針對管袋堆積體滲透各向異性及應力-滲流耦合關系等問題，通過接觸滲透沖刷耦合模型槽試驗裝置進行試驗，研究充填管袋的滲流流量、滲流流速與滲流場，試驗表明充填管袋堆積體的滲透性呈明顯的各向異性。Man等[16]通過吊袋試驗，研究水土流失和土壤顆粒級配隨時間的變化規(guī)律，表明平均速率與填土中粉粒百分含量、不均勻系數(shù)和中值粒徑具有函數(shù)關系，得出該研究結果可為巖土管工程實踐提供參考。Dolez等[17]通過設計過濾單元進行試驗，研究自細粒度的尾礦的滲透系數(shù)與堵塞或致盲的關系，表明土工織物覆砂系統(tǒng)是個循環(huán)的整體，得出土工布對細粒尾礦的過濾具有廣闊的應用前景。Cazzuffi等[18]針對土工織物覆砂系統(tǒng)耦合作用等問題，自主研發(fā)承受循環(huán)荷載的過濾器進行試驗，結果表明土工織物覆砂系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)可以充當過濾器。

然而在實際的工程中，土工織物會受到充填料和充填泵壓力的擠壓而發(fā)生變形，從而導致充填管袋的滲透性能受到影響，因此對于拉伸狀態(tài)下土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的研究十分重要。關于拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)的滲透性能的影響，國內外學者對其進行了理論與試驗的研究。張文斌等[19]通過對比國內外土工布充砂技術的應用，研究拉伸對土工織物充砂袋的變形、應力以及穩(wěn)定性的影響，表明拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響，得出研究變形問題時應考慮土工織物覆砂系統(tǒng)的本構模型。唐琳等[20]通過垂直滲流法的試驗，分析拉應變對土工織物覆砂系統(tǒng)梯度比及漏砂量的影響，表明單向拉伸對土工織物的保土性與防淤堵性能都有影響，得出在單向水流的作用下，拉應變對土工織物覆砂系統(tǒng)反濾性能的影響大的結論。陳輪等[21]通過改進的梯度比試驗裝置進行試驗，研究單向拉伸對不同厚度情況下的土工織物覆砂系統(tǒng)反濾特性的影響，表明單向拉伸能夠影響土工織物覆砂系統(tǒng)的防淤堵性能。周萍等[22]針對不同規(guī)格的土工織物對拉伸性能影響問題，自主研發(fā)多功能土工合成材料土中拉伸試驗機，進行不同規(guī)格土工合成材料的拉伸試驗，結果表明拉伸土工織物覆砂系統(tǒng)會相互作用，得出材料特性對材料拉伸性能有影響。Wu等[23]通過自主研發(fā)的實驗裝置進行試驗，研究單軸拉伸應變對土工布孔徑分布和濾失特性的影響，研究表明土工織物的孔徑和流速隨拉應變的增加而增大。

目前，對土工織物覆砂系統(tǒng)的研究常處于單向水流的環(huán)境下，蔚成亮等[24]通過自主研發(fā)的試驗裝置進行管袋壩在單向水流的作用下的滲透變形試驗，研究管袋壩在實際工程中存在的問題，研究表明在單向水流的作用下土工織物覆砂系統(tǒng)會遭到破壞?？紤]到在實際工程施工過程中，充填管袋常受到波浪、沖刷等作用，為了使試驗更貼合實際，綜合以上研究內容，本研究進行往復水流作用下的單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的研究，以進一步揭示拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)滲透特性的影響。

1 往復水流滲透試驗

1.1 試驗方案

試驗方案采用A和B 2種織物進行試驗，2種織物的規(guī)格分別是單位面積質量為120 g/m2和150 g/m2的土工織物。基于每一種織物進行2組試驗，分別是拉伸組與不拉伸組，并根據(jù)織物規(guī)格進行工況編號，例如，120 g/m2的土工織物拉伸組與不拉伸組分別為W120和NW120，另一規(guī)格同理，試驗方案見表1。

表1 往復水流滲透試驗方案Table 1 Reciprocating flow penetration test scheme

1.2 試驗裝置和材料

1.2.1 試驗裝置 試驗采用的往復水流滲透試驗裝置如圖1所示。試驗裝置中有數(shù)據(jù)采集裝置、往復水流發(fā)生裝置和梯度比滲透儀。

圖1 往復水流滲透試驗裝置Fig.1 Reciprocating flow penetration test device

1.2.2 充填材料 充填砂取4種粒徑的砂樣，總重為4 kg，其各種粒徑對應的砂樣占比如表2所示，充填砂顆粒級配曲線如圖2所示。

表2 顆粒級配表Table 2 Particle gradation table

圖2 充填砂顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curve of filling sand

1.2.3 土工織物 試驗所使用的土工織物分別為單位面積質量為120 g/m2、150 g/m2的聚丙烯裂膜絲編織布，具體規(guī)格參數(shù)如表3所示。

表3 土工織物規(guī)格參數(shù)Table 3 Specification parameters of geotextiles

1.3 試驗過程

試驗前,裁剪適合拉伸尺寸的土工織物，用YG028GS型高溫拉伸試驗機將土工織物以6 mm/min拉伸至應變3%。用梯度比滲透儀的上筒和下筒固定拉伸狀態(tài)的土工織物，可用螺絲擰緊上下筒以固定裝好受拉土工織物試樣。在梯度比滲透儀上下筒內壁的測壓管口貼上濾網(wǎng)，以防止白砂流入測壓管，滲透壓讀數(shù)不準。將配好的白砂放入梯度比滲透儀的上筒，在裝填的過程中分四層擊實，高度共為10 cm。為使?jié)B透儀內部空氣全部經(jīng)排氣口排出，調整調速器，將裝好的白砂由下筒的出水口至上筒的進水口進行通水浸泡10 h。

試驗中，開動電動機，控制調速器，施加周期往復水流，持續(xù)施加24 T(T=1.5 h)，在往復水流作用下測壓管和滲流液體質量。

試驗后，根據(jù)達西定律，求出流速和梯度比等滲透參數(shù)，建立其隨時間變化曲線圖,求出漏砂量，建立其與土工織物規(guī)格聯(lián)系的柱狀圖。將筒內的白砂放入烘箱烘干，待完全干燥后進行稱重，通過振篩法進行顆粒篩分，對土工織物不同拉伸狀態(tài)下的顆粒級配進行分析。

2 結果與分析

2.1 單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)脫水性能的影響

由圖3可知，在周期往復水流的作用下，各工況下土工織物覆砂系統(tǒng)的流速都呈現(xiàn)正弦函數(shù)的變化。隨著周期的增加，第四象限流速的峰值逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定；在同一周期內，第一象限拉伸組的峰值始終小于未拉伸組的峰值。因為拉伸時土工織物絲被拉緊，導致土工織物的等效孔徑減小，所以降低土工織物覆砂系統(tǒng)的透水率和脫水性能。說明拉伸后的土工織物經(jīng)過一定的往復周期之后，土工織物覆砂系統(tǒng)的透水率趨于穩(wěn)定，但均小于未拉伸組的透水率，脫水性能較差。

圖3 流速隨時間變化曲線Fig.3 Curve of flow velocity changing with time

為了更深入的研究土工織物規(guī)格對土工織物覆砂系統(tǒng)脫水性能的影響，對系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)進行處理，得出如圖4所示的各工況流速隨時間變化對比曲線圖。

由圖4可以看出，各工況流速整體基本趨于一致，均呈現(xiàn)正弦函數(shù)的變化。在相同的時間下，第四區(qū)間的流速排序為NW120組最大，NW150組次之，W150組較小，W120組最小。說明拉伸與織物規(guī)格較大均能減弱土工織物覆砂系統(tǒng)的脫水性能，且拉伸的影響大于織物規(guī)格的影響。因為土工織物等效孔徑變化與不同粒徑砂子的共同作用影響了土工織物覆砂系統(tǒng)的透水率，從而影響系統(tǒng)的脫水性能。因此土工織物規(guī)格越大，處于拉伸狀態(tài)時其土工織物覆砂系統(tǒng)的透水率越低，脫水性能越差。

圖4 流速隨時間變化對比曲線Fig.4 Comparison curve of flow velocity changing with time

2.2 單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)保土性的影響

針對土工織物覆砂系統(tǒng)保土性能對各工況下的漏砂量進行分析，得出不同規(guī)格土工織物覆砂系統(tǒng)的漏砂量與拉應變的對比，如圖5所示。

圖5 不同規(guī)格的拉伸織物漏砂量對比Fig.5 Comparison Of sand leakage of different stretch fabrics

經(jīng)過一定的周期后,W150組的漏砂量小于W120組漏砂量，且對于同種規(guī)格的土工織物，拉伸組的漏砂量小于未拉伸組的漏砂量。這是由于隨著拉應變的增加，土工織物的等效孔徑不斷減小，土工織物表面被沖走的砂量減少，增強系統(tǒng)的保土性。說明對于同種規(guī)格的土工織物，拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)的保土性能有影響。對于同等拉伸的狀態(tài)下，W150組的漏砂量大于W120組的漏砂量。說明處于同種拉伸狀態(tài)下，土工織物的規(guī)格對土工織物覆砂系統(tǒng)的保土性能有影響。對比4種工況的漏砂量，得出單向拉伸與織物規(guī)格的不同對土工織物覆砂系統(tǒng)的保土性能的影響不同，拉伸增加土工織物的保土性能，而織物規(guī)格越大，系統(tǒng)的保土性能越差。

2.3 單向拉伸對土工織物覆砂系統(tǒng)防淤堵性能的影響

梯度比反映淤堵情況，梯度比越大，淤堵情況越嚴重。因此，為分析土工織物覆砂系統(tǒng)防淤堵性能，需要對各工況下的梯度比進行分析，對比拉伸與未拉伸狀態(tài)下不同規(guī)格土工織物的梯度比隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 梯度比隨時間變化對比曲線Fig.6 Comparison curve of gradient ratio with time

在周期往復水流的作用下，各工況的梯度比隨時間均呈現(xiàn)正弦函數(shù)的變化趨勢，且第四象限的振幅不斷減小，最終趨于穩(wěn)定。在相同的周期內，對于處于相同拉伸狀態(tài)工況的梯度比，W120組大于W150組；對于相同規(guī)格土工織物的梯度比，拉伸組大于未拉伸組。說明土工織物單位面積質量與單向拉伸對系統(tǒng)的淤堵情況都有影響，且土工織物的規(guī)格對土工織物覆砂系統(tǒng)的淤堵情況影響程度較大。對于相同拉伸狀態(tài)下的不同規(guī)格土工織物，織物的厚度對拉伸狀態(tài)的敏感程度不同。

3 結論

單向拉伸與土工織物規(guī)格對土工織物覆砂系統(tǒng)滲透性能的影響效果不同，應綜合分析其滲透性能并依據(jù)實際需要確定最優(yōu)的選擇。

對于脫水性能，兩者的影響效果相同，單向拉伸的影響大于土工織物規(guī)格的影響；對于保土性能，兩者的影響效果相反，單向拉伸增加織物的保土性能，織物規(guī)格越大，保土性能越差；對于防淤堵性能，織物的厚度對拉伸狀態(tài)的敏感程度不同，土工織物厚度越大，對拉伸狀態(tài)更敏感。

綜上，在往復水流條件下，拉伸后土工織物等效孔徑減小，建議選擇較大規(guī)格的土工織物進行單向拉伸再應用于實際工程。