單向拉伸對(duì)土工織物覆砂在往復(fù)水流作用下滲透特性的影響

陳 云，徐童可，路承斌，葛 穎，王晗悅

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

充填管袋筑堤技術(shù)依靠其就地取材、工藝簡(jiǎn)單、工程成本較低、幾乎不受潮位和雨水影響等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多數(shù)沿海地區(qū)的航線整頓、機(jī)場(chǎng)建設(shè)、抗洪救災(zāi)及水庫(kù)堤壩建設(shè)等工程中.針對(duì)充填管袋的技術(shù)理論，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了各種研究，發(fā)現(xiàn)充填管袋圍護(hù)是一種技藝先進(jìn)、安全可靠的保護(hù)系統(tǒng)，且土工合成材料在吹填造地項(xiàng)目中能發(fā)揮很好的防滲反濾作用，尤其是土工織物在土石壩構(gòu)造中，使用效果較好[1-5].

然而，充填管袋的滲透特性研究還不夠深入，尤其是對(duì)其在筑堤技術(shù)工程應(yīng)用中滲流安全的分析評(píng)價(jià)極為有限.研究充填管袋滲透特性，需要探究不同應(yīng)力狀態(tài)下充填料與管袋材料系統(tǒng)的滲透特性，并對(duì)比分析單向拉伸對(duì)其滲透特性的影響.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土工織物的滲透特性進(jìn)行理論研究的同時(shí)也進(jìn)行了很多試驗(yàn)研究.如劉偉超等[6]在室內(nèi)進(jìn)行了土工管袋模具裝填的實(shí)踐，探究了土工織物材料形態(tài)、高矮、所受壓力、出水速率等各項(xiàng)因素對(duì)其滲透性能的影響；姜紅等[7]研究了編織物的垂直滲透特性，認(rèn)為編織物孔隙散布不規(guī)律及其大小形態(tài)均存在差異，這致使達(dá)西定律無(wú)法全部使用于編織布的滲透性能，特別是對(duì)于緞造型編織物；李國(guó)棟等[8]對(duì)無(wú)紡?fù)凉た椢锖筒煌讖降挠屑徔椢镞M(jìn)行梯度比試驗(yàn)，分析了其保土性、防淤堵性和透水性；周旋等[9]基于土工織物的類型、層數(shù)、淤堵類型等因素進(jìn)行淤堵試驗(yàn)，探究了靜水頭下土工織物的淤堵規(guī)律.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)土工織物在覆土狀態(tài)下的滲透特性也進(jìn)行了試驗(yàn)研究.如吳綱等[10]通過(guò)配置顆粒級(jí)配不同砂料試樣，采取獨(dú)自研發(fā)的1 組多用途的滲透試驗(yàn)設(shè)備，探究了緞造型編織物與土聯(lián)合作用的滲漏原理，得到了緞造型編織物對(duì)土的滲流產(chǎn)生了些微的抑止效果的結(jié)論；滿曉磊等[11]對(duì)充填料含粉量對(duì)管袋脫水影響試驗(yàn)研究，探究不同級(jí)配下吊袋脫水量、土壤滲漏量及滲土級(jí)配跟時(shí)間的改變趨勢(shì)，并分析裝填料含粉量與脫水速率兩者的聯(lián)系；程醒等[12]通過(guò)梯度比試驗(yàn)得出了土工織物/赤泥系統(tǒng)的淤堵特性；魏松等[13]在考慮土樣黏粒含量等因素下進(jìn)行了滲透淤堵試驗(yàn)，探討了淤堵機(jī)理.

除了考慮覆土對(duì)土工織物滲透特性的的影響，很多學(xué)者還對(duì)土工織物在拉伸狀態(tài)下的滲透性能進(jìn)行了研究.如唐琳等[14-15]利用垂直滲透儀進(jìn)行了淤堵試驗(yàn)，研究了單向拉伸對(duì)土工織物反濾性能的影響，分析了拉應(yīng)變對(duì)流速V、流失土體量和梯度比GR的作用效力；詹美禮等[16]探究了在不同布置方式下覆應(yīng)力的增加對(duì)堆積體滲透性的影響；白彬等[17-18]利用自主研發(fā)的雙軸拉伸儀，采用應(yīng)變控制下的干篩法，進(jìn)行織物孔徑分布曲線測(cè)試；佘巍等[19]通過(guò)動(dòng)力水篩法對(duì)不同種類的無(wú)紡編織物拉伸時(shí)的編織物孔隙大小變化進(jìn)行了測(cè)試；劉欣[20]針對(duì)單個(gè)充填管袋，考慮充填管袋材料進(jìn)行不同程度拉伸對(duì)材料性能的影響；雷國(guó)輝等[21]提出充填管袋的編織布在雙向施加拉應(yīng)力狀況下的滲透特性和未施加拉應(yīng)力狀況下的滲透特性有著顯著差異.

綜上所述，在往復(fù)水流領(lǐng)域，研究大多集中在土工織物及其在覆土狀態(tài)下的滲透特性，主要包括土工織物拉伸狀態(tài)下的材料性能、孔隙大小變化等.并沒(méi)有考慮在往復(fù)水流作用下單向拉伸對(duì)土工織物覆砂滲透特性的影響.因此，本文采用非連續(xù)級(jí)配砂土組裝土工織物垂直梯度比滲透儀，進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)來(lái)模擬土工織物覆砂在往復(fù)水流作用下的滲流情況，并以此來(lái)研究其滲透特性.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用砂經(jīng)篩分按表1 和表2 所示的顆分系數(shù)及顆粒級(jí)配參數(shù)進(jìn)行裝砂.砂的顆粒級(jí)配曲線如圖1 所示.試驗(yàn)所用土工織物呈圓形，直徑為180 mm，如圖2 所示.

表1 土樣的顆分參數(shù)

表2 土樣的顆粒級(jí)配

圖1 充填砂料粒度級(jí)配曲線

圖2 土工織物

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用非連續(xù)級(jí)配砂土組裝的土工織物梯度比滲透儀(見圖3 和圖4)；砂樣烘干采用101-3型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(見圖5)；土工織物拉伸用YG082HS 型高低溫拉伸試驗(yàn)機(jī)(見圖6).

圖3 梯度比滲透儀裝置示意

圖4 梯度比滲透儀實(shí)物

圖5 恒溫干燥箱

圖6 拉伸試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

針對(duì)充填管袋滲透特性，室內(nèi)試驗(yàn)通過(guò)控制變量法研究單向拉伸對(duì)土工織物覆砂在往復(fù)水流作用下滲透特性的影響.試驗(yàn)共設(shè)置2 組對(duì)照試驗(yàn)工況，1 組為土工織物拉伸應(yīng)變?yōu)?%狀態(tài)下進(jìn)行的滲透試驗(yàn)；另1 組為土工織物拉伸至應(yīng)變?yōu)?%狀態(tài)下進(jìn)行的滲透試驗(yàn).

首先，把土工織物放到Y(jié)G082HS 型高低溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上拉伸至試驗(yàn)所需的變形，滿足要求后與梯度比滲透儀進(jìn)行固定；其次，按照設(shè)計(jì)的顆分系數(shù)及顆粒級(jí)配參數(shù)把試驗(yàn)砂裝入梯度比滲透儀中(見圖7)；最后，與自制的往復(fù)水流供水裝置進(jìn)行組裝(見圖8)，儀器組裝完成后進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測(cè)量滲流量并計(jì)算滲透系數(shù).

圖7 砂料填充壓實(shí)及滲透

圖8 往復(fù)水流滲透試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)結(jié)束后將滲透儀中的砂料取出(見圖9)，采用環(huán)刀取樣法，分別在砂料的上部、中部及下部區(qū)域中心位置取樣并放在烘盒內(nèi)放入烘箱烘干，如圖10 所示.

圖9 取出砂料

圖10 烘干砂料

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分析在相同級(jí)配下拉伸應(yīng)變?yōu)?%組和拉伸應(yīng)變?yōu)?%組土工織物的滲流流速V與時(shí)間T 關(guān)系曲線圖(見圖11)，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間推移，拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%的2 組土工織物滲流流速基本呈正弦函數(shù)趨勢(shì)變化，且在2 個(gè)周期內(nèi)各階段變化幅度基本相似；在相同級(jí)配下的土工織物，拉伸應(yīng)變?yōu)?%組的滲流流速略小于拉伸應(yīng)變?yōu)?%組.這主要是因?yàn)橥凉た椢镒陨泶嬖诳紫?，在滲流過(guò)程中，單向拉伸使其原有孔隙變大，并結(jié)合周期性變換水頭產(chǎn)生的水頭差，使得水流增多，滲流流速增加.

圖11 2 組工況下流速V 與時(shí)間T 關(guān)系曲線

圖12～圖14 為在相同級(jí)配下拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%土工織物的各階段滲透系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線.K1-2、K3-4、K1-4分別為與時(shí)間T的關(guān)系曲線，其中K1-2為1號(hào)測(cè)壓管與2 號(hào)測(cè)壓管之間的滲透系數(shù)，K2-3、K3-4、K1-4以此類推.由圖12～圖14 可知，各階段K變化規(guī)律較為一致，不同部位取樣結(jié)果存在略微不同，即經(jīng)拉伸后，K1-2減小，而K3-4和K1-4增大.這說(shuō)明單向拉伸增大了往復(fù)水流作用下編織布覆砂系統(tǒng)整體的滲透特性，其間細(xì)顆粒也更容易發(fā)生運(yùn)移，從而導(dǎo)致了土工織物-砂邊界反濾層的形成.

圖12 2 種拉伸狀態(tài)下滲透系數(shù)K1-2與時(shí)間T 關(guān)系曲線

圖13 2 種拉伸狀態(tài)下滲透系數(shù)K3-4與時(shí)間T 關(guān)系曲線

圖14 2 種拉伸狀態(tài)下滲透系數(shù)K1-4與時(shí)間T 關(guān)系曲線

圖15 為在相同級(jí)配下拉伸應(yīng)變?yōu)?%組和3%組土工織物的梯度比GR與時(shí)間T的關(guān)系曲線.由圖15 可知，隨著時(shí)間的增加，2 組梯度比均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，且最高處峰值基本無(wú)變化，最低點(diǎn)峰值不斷減小，最終趨于平穩(wěn)；拉伸應(yīng)變?yōu)?%的土工織物梯度比大于拉伸應(yīng)變?yōu)?%組的梯度比.這主要是由于土工織物具有反濾性能，砂土隨水流進(jìn)入土工織物后，無(wú)法隨水流流出而堆積在土工織物內(nèi)部，造成淤堵后造成的.但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的往復(fù)水流作用，細(xì)砂受到水流不斷沖刷又致使淤堵現(xiàn)象減弱.

圖15 2 種拉伸狀態(tài)下梯度比GR 與時(shí)間T 的關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后處理的砂料進(jìn)行分析，繪制拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%組的砂料顆粒級(jí)配曲線，結(jié)果如圖16～圖20 所示.其中，A 組表示土工織物單向拉伸應(yīng)變?yōu)?%組；B 組表示土工織物單向拉伸應(yīng)變?yōu)?%組；上部級(jí)配為試驗(yàn)結(jié)束后充填砂料最上部的砂料顆粒級(jí)配；依此類推，分別設(shè)有中部級(jí)配和下部級(jí)配.

圖16 拉伸0%組各部分顆粒級(jí)配曲線

圖20 拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%組下部級(jí)配曲線

由圖16 和圖17 可知，拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%組中砂料上部級(jí)配均發(fā)生較大變化，較細(xì)粒徑砂料在水流的不斷沖刷下被沖至上部；中部及下部級(jí)配較原始級(jí)配未發(fā)生較大變化.

圖17 拉伸3%組各部分顆粒級(jí)配曲線

圖19 拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%組中部級(jí)配曲線

由圖18～圖20 可知，在往復(fù)水流沖刷作用下，拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%組的土工織物上部級(jí)配較細(xì)粒徑和原始級(jí)配均有所增加；中部級(jí)配未發(fā)生較大變化；下部級(jí)配較細(xì)粒徑均有一定程度減少，且拉伸應(yīng)變?yōu)?%組的顆粒損失程度比未拉伸組略大.由圖16～圖20 還可知，在往復(fù)水流作用下，砂料會(huì)隨著水流運(yùn)動(dòng)而流出.由于拉伸應(yīng)變3%后的土工織物其孔隙增大，因此，整體裝置漏砂量及其顆粒粒徑均大于拉伸應(yīng)變?yōu)?%的織物.

圖18 拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%組上部級(jí)配曲線

4 結(jié)論

1)在往復(fù)水流作用下，土工織物覆砂滲透特性在一定程度上受單向拉伸的影響.這是因?yàn)閱蜗蚶旌?，土工織物孔隙增大?dǎo)致拉伸后的土工織物滲透系數(shù)大于拉伸應(yīng)變?yōu)?%的土工織物，這也說(shuō)明單向拉伸在一定程度上增大了土工織物覆砂在往復(fù)水流作用下的滲透特性，同單向水流所得結(jié)論一致.

2)在往復(fù)水流作用下，由于土工織物覆砂具有反濾性能，拉伸應(yīng)變?yōu)?%組與拉伸應(yīng)變?yōu)?%組在試驗(yàn)中都存在淤堵現(xiàn)象.

3)往復(fù)水流作用可將梯度比滲透儀內(nèi)部細(xì)砂料帶出.隨著水流運(yùn)動(dòng)周期的增加，土工織物覆砂系統(tǒng)的淤堵現(xiàn)象逐漸減弱.