袋裝膨脹土組合體滲透特性大型模型試驗

劉斯宏，魯 洋，張勇敢，張呈斌，程德虎

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 3.南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局，北京 100038)

膨脹土含有親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石，具有強水敏性及脹縮性，對環(huán)境變化非常敏感，由其引發(fā)的工程災(zāi)害一直是困擾巖土工程界的重大問題[1-4]。受自然氣候的影響，膨脹土邊坡土體的含水量變化會引起土體膨脹收縮及土體軟化等現(xiàn)象，容易導致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞[5-8]，因此，控制膨脹土邊坡內(nèi)部含水率的變化是防治膨脹土工程災(zāi)害的一種有效手段，而土工合成材料可以有效減少膨脹土的干縮濕脹變形，減小外界水分變化對膨脹土的影響[9-13]。

土工袋作為一種新型的土工加筋技術(shù)，針對土工袋加固膨脹土邊坡的作用機理和效果方面已有較多研究。劉斯宏等[14-15]提出使用土工袋處理膨脹土邊坡的加固方法，利用土工袋的張力增加袋內(nèi)土體的附加黏聚力，從而限制膨脹土遇水后的膨脹變形，并開展了浸水變形和膨脹力等室內(nèi)試驗，得出土工袋浸水膨脹后會出現(xiàn)側(cè)向變形，降低內(nèi)部土體密度，從而降低膨脹勢能發(fā)揮的結(jié)論。隨后，劉斯宏等[16]對土工袋處理膨脹土邊坡的壓重效果進行了論證，結(jié)合抗剪強度試驗結(jié)果，得出經(jīng)土工袋處理后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提高了18.7%的結(jié)論。此外，施工期的現(xiàn)場試驗也驗證了土工袋用于處理膨脹土渠坡時，在抑制渠坡膨脹和減小側(cè)向變形方面具有良好的效果[17]。在南水北調(diào)工程運行期，中線工程葉縣段曾發(fā)生了局部渠段膨脹土邊坡變形、裂縫等問題，危及工程運行安全，最終選擇采用土工袋換填技術(shù)成功對變形體進行治理，顯示了土工袋技術(shù)在膨脹土渠坡修復方面的潛在優(yōu)勢[18]。

在實際工程運行過程中，渠道邊坡在水位升降、降雨入滲等條件下的穩(wěn)定性與土工袋組合體的滲透特性緊密相關(guān)[17，19]，然而，關(guān)于土工袋組合體滲透特性方面的認識還遠落后于工程實踐，這主要是由于規(guī)范建議的室內(nèi)常規(guī)滲透試驗方法在測試土工袋組合體滲透特性時還存在一定的局限性。渠坡土工袋墊層是一種復雜結(jié)構(gòu)組合體，而非均質(zhì)單元體，無法通過簡單的室內(nèi)單元試驗揭示其滲透規(guī)律，有必要研制專門的大型滲透模型試驗裝置。

本文設(shè)計并制作了土工袋滲透試驗?zāi)Ｐ拖?，開展袋裝膨脹土組合體的大型滲透試驗，研究不同土工袋的排列方式、水流方向、層間填土、滲透水頭等因素對袋裝膨脹土組合體滲透特性的影響，并分析其作用機理，以期為土工袋修復膨脹土邊坡的設(shè)計提供參考。

1 試驗裝置、材料與方案

1.1 試驗裝置

袋裝膨脹土組合體大型滲透試驗所用的模型裝置為自主加工研制，如圖1所示。模型箱的主體采用2 cm厚的有機玻璃板焊接而成，箱體尺寸為240 cm×120 cm×100 cm(長×寬×高)，外部采用不銹鋼方鋼焊接框架加固。在箱體內(nèi)部焊接兩塊PVC板用以劃分進水室、試樣室和出水室，在PVC板上均勻打通直徑為2 cm的圓孔用以過水，過水區(qū)域高度為40 cm。在實際工程中，縫隙間均進行了壓實處理，在滲透水流的作用下，可能發(fā)生局部淤堵-部分流失-再淤堵等現(xiàn)象，但總體不會發(fā)生細顆粒流失。因此，當研究土工袋縫間填土的影響時，為了更加接近真實條件，除了常規(guī)的壓實處理外，還在過水區(qū)域增設(shè)了孔徑為1 mm的反濾網(wǎng)，以盡量減少試驗進行過程中土工袋縫間壓實土顆粒隨水流的流失。此外，通過調(diào)節(jié)該模型箱進水口水箱的溢流高度，可以開展不同滲透水頭條件下的滲透試驗。為了進一步研究土工袋加固渠坡在水位漲落和雨水入滲等實際運行過程中滲透水流的方向性，揭示土工袋墊層在水平向和豎向滲透特性的各向異性，本次試驗對模型箱進行了水平向和豎向滲透的統(tǒng)一設(shè)計，可以同時開展水平向和豎向滲透試驗。

圖1 大型滲透試驗?zāi)Ｐ脱b置Fig.1 Photo of the large-scale permeability-test apparatus

如圖2(a)所示，開展水平向滲透試驗時，頂部密封是試驗成敗的關(guān)鍵。為了密封試樣室，用整塊橡膠制作成不漏水的盒型橡膠墊置于試樣之上。在橡膠墊與模型箱側(cè)壁之間擠入適量的玻璃膠，再使用伸縮桿擠壓橡膠墊使得玻璃膠均勻地填充橡膠墊與側(cè)壁之間的空隙用以密封。需要注意的是，在實際操作時，往往有必要在橡膠墊和伸縮桿接觸面之間加塞木塊進行過渡，以實現(xiàn)良好的密封效果。此外，由于試驗過程中水壓力較大，為了避免試樣室的蓋板被頂起，在模型箱外用工字鋼和螺桿制作一個可拆卸的簡易反力架，反力架與蓋板之間用千斤頂加以支撐以確保蓋板不發(fā)生位移。

圖2 大型滲透試驗示意圖(單位：cm)Fig.2 Schematic diagram of large-scale permeability test(unit:cm)

豎向滲透試驗?zāi)Ｐ脱b置由水平向滲透試驗?zāi)Ｐ脱b置進一步改裝而成，如圖2(b)所示。為了使試樣室中的水流均勻地自下而上流動，用預(yù)制的打孔排水管將進水室內(nèi)的水流水平引進、豎直引出。排水管之間填充卵石，用以消減水流的沖擊力。卵石上方放置帶有反濾網(wǎng)的透水板，其上可布置試驗試樣。試樣裝填完后，再放置一塊帶有反濾網(wǎng)的透水板，透水板通過反力架和千斤頂加以固定。將試樣室和出水室之間的PVC隔板上方截去一塊，使得水流可溢流進入出水室，然后測量出水口流量，最后根據(jù)流量和時間計算滲透系數(shù)。

1.2 試驗材料

試驗所用的膨脹土取自南水北調(diào)中線工程區(qū)域的河南省平頂山市葉縣。由于南水北調(diào)中線總干渠已處于運行期，輸水渠道附近屬于隔離保護區(qū)，在場地內(nèi)取土并不現(xiàn)實，故膨脹土土樣取自南水北調(diào)中線工程葉縣段渠道右側(cè)附近的走馬嶺地區(qū)。經(jīng)測定，試驗用土的比重為2.70，塑限、液限分別為26.3%和70.8%，塑性指數(shù)為44.5，最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.60 g/cm3和21.7%，自由膨脹率為59%。級配曲線如圖3所示。

圖3 膨脹土級配曲線Fig.3 Gradation curve of expansive soil

試驗用的土工袋為采用土工編織布縫制的袋體，其中土工布為聚丙烯(PP)材料，質(zhì)量為99.5 g/m2，經(jīng)、緯向抗拉強度分別為19.83 kN/m和18.99 kN/m，經(jīng)、緯向伸長率分別約為22.81%和20.82%。為了能夠充分發(fā)揮袋體的張力作用，且使袋體易于砌筑成型，每個袋內(nèi)填土的裝填率設(shè)置約為80%，其中，裝填率定義為實際裝入袋內(nèi)土體的體積與在可以封口條件下裝入袋內(nèi)土體體積的比值。此外，為了模擬現(xiàn)場土工袋的交錯排列方式，該試驗共設(shè)計了3種大小規(guī)格的土工袋(均為壓實后的尺寸)：40 cm×40 cm×10 cm、40 cm×20 cm×10 cm和20 cm×20 cm×10 cm。

制樣時，首先配置過2 mm分樣篩的膨脹土至21.7%的初始含水率，接著將其裝袋封口后置于相應(yīng)的模具內(nèi)，并用小型振動平板夯進行夯實，夯實后再用手持式抹光機進行局部修整，以減少由于袋子形狀不規(guī)則對滲透系數(shù)的誤差影響。壓實后的袋內(nèi)膨脹土干密度控制在1.44 g/cm3左右(壓實度約90%)，通過常規(guī)變水頭滲透試驗測得該干密度下膨脹土土樣的滲透系數(shù)為2.5×10-5cm/s。

1.3 試驗方案與步驟

袋裝膨脹土組合體主要是由袋裝膨脹土單元體經(jīng)過一定的排列組合而成，其滲透特性勢必與土工袋單元體以及袋子單元體間的縫隙結(jié)構(gòu)(袋間縫隙)緊密相關(guān)?？紤]到袋內(nèi)土體已經(jīng)過充分碾壓壓實，其滲透系數(shù)(2.5×10-5cm/s)遠小于實際組合體整體滲透系數(shù)的量級?？梢酝茢?，渠坡袋裝膨脹土組合體滲透特性將主要由袋體間的縫隙結(jié)構(gòu)控制，而縫隙結(jié)構(gòu)主要取決于袋體的排列方式。此外，實際工程中，在袋子縫隙間也往往存在一定的填土，而其縫隙間是否填土也影響其滲透特性。因此，影響運行期渠坡袋裝膨脹土組合體滲透系數(shù)的主要因素為土工袋的排列方式和層間是否填土。

為研究袋裝膨脹土組合體排列方式的影響，如圖4所示，設(shè)計了4種代表性排列方式，包括：豎直堆疊(模型1)、順水流方向交錯(模型2)、垂直水流方向交錯(模型3)和縱橫十字交錯(模型4)，其排列結(jié)構(gòu)如圖4所示；進一步針對層疊無縫(模型5)和十字交錯(模型6)的排列方式，增設(shè)對照組，在袋間縫隙進行土料回填處理，以研究袋間縫隙是否回填對滲透系數(shù)的影響。

圖4 土工袋墊層的4種不同排列方式Fig.4 Four kinds of arrangement patterns of soilbags

試驗時，為減小邊壁接觸滲透效應(yīng)，首先在土工袋與試驗箱體接觸面涂抹凡士林以防止水從邊壁流動而產(chǎn)生接觸滲漏。接著，將土工袋逐個置于試樣室中，土工袋袋間縫隙分別采用填土處理和不填土處理，填土處理時直接使用與袋中同樣的膨脹土填充并壓實，采用小型擊實錘手工擊實，壓實后的干密度控制在1.44 g/cm3左右(壓實度約90%)。在開展水平滲透試驗時，涉及模型箱頂部的密封，考慮最頂層袋裝膨脹土上表面無法做到完全整平，存在接觸滲透的可能。為減少該誤差，采用土工膜反包細沙以填補土工袋上表面與模型裝置之間的空隙，并在土工膜下部涂抹一層凡士林，然后再放置橡膠墊，用玻璃膠進行密封。橡膠墊上放置一硬板，其上用千斤頂進行加壓固定。袋裝膨脹土試樣在裝填前先放入飽和容器中浸泡約48 h，經(jīng)測量袋內(nèi)土體基本接近飽和，試樣裝填完后浸水約5 h后，再進行滲透試驗。此外，為研究不同滲透水頭對袋裝膨脹土組合體滲透特性的影響，針對每組工況均設(shè)置兩個常水頭高度(1.0 m和0.5 m)進行滲透試驗。試驗時，首先打開儲水塔不同高程處的排水口，待儲水塔水箱保持穩(wěn)定溢流及出水口穩(wěn)定出流時開始計時，記錄出水口出水量Q和出水時間t，每組試驗均平行測試3次以確保滲透量的穩(wěn)定性和試驗結(jié)果的可靠性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水平向滲透特性測定與分析

試驗測得水平向滲透系數(shù)見圖5(a)。從圖5(a)可知，滲透系數(shù)最小的結(jié)構(gòu)為模型6結(jié)構(gòu)，在水頭為1 m左右時滲透系數(shù)為0.041 2 cm/s；滲透系數(shù)最大的結(jié)構(gòu)為模型1，在水頭為1 m左右時滲透系數(shù)為0.779 cm/s，比模型6大了1個數(shù)量級，比原狀土體本身滲透系數(shù)2.5×10-5cm/s大了約4個數(shù)量級。

圖5 不同工況下袋裝膨脹土滲透系數(shù)Fig.5 Horizontal and vertical permeability coefficients of soilbags infilled with expansive soils under different cases

a.水頭差大小對滲透系數(shù)的影響。在土工袋排列方式一定的情況下，無論袋體縫間有無填土，袋裝膨脹土組合體在低水頭工況下的順水流向滲透系數(shù)總是大于高水頭工況，即隨著水壓的增加，袋裝膨脹土組合體順水流方向的滲透系數(shù)會減小。這可能是由高水頭工況下水流的沿程水頭損失增加引起的，因為水力梯度增加后，土工袋縫隙間的水流流速也增加，沿程水頭損失增加，從而導致滲透系數(shù)降低[20]。

b.土工袋排列方式對滲透系數(shù)的影響。本文研究了層疊無縫、順水流方向交錯、垂直水流方向交錯和十字交錯4種排列方式對滲透系數(shù)的影響。對比模型1和模型2可以發(fā)現(xiàn)，土工袋順水流方向交錯堆疊會降低滲透系數(shù)，這是因為交錯排列后，滲透通道中出現(xiàn)了更多的節(jié)點，在節(jié)點處產(chǎn)生的局部水頭損失增加，使得滲透系數(shù)減小。對比模型1和模型3可以發(fā)現(xiàn)，土工袋垂直水流方向交錯堆疊會產(chǎn)生同樣的效果，因為垂直水流方向交錯后袋間◇形的滲透通道會變成△形，通道橫截面面積減小，使得滲透系數(shù)降低。但是模型2相比模型3，其滲透系數(shù)的降低程度更大，這是因為在模型3的排列方式下，通道的橫截面面積雖然減小，但其數(shù)量增多，使得滲透系數(shù)減小的幅度略小。當土工袋采用縱橫十字交錯方式進行堆疊(模型4)時，滲透系數(shù)比只有一個方向交錯時大幅降低。這主要是由于十字交錯時，土工袋的排列形式相當于模型2和模型3的組合，繞滲路徑較模型2和模型3更復雜，且袋體間的層間嵌固作用也更為顯著，導致滲透系數(shù)更小。

c.縫間填土對滲透系數(shù)的影響。對比模型1與模型5、模型4與模型6可以發(fā)現(xiàn)，無論是豎直堆疊排列或十字交錯排列，土工袋縫間填土后，水平向滲透系數(shù)均出現(xiàn)數(shù)量級的減小，其減小幅度遠大于排列方式作用的結(jié)果，由此可見，袋體縫間填土與否對水平向滲透系數(shù)的影響很大。同時在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于層間填土無法被完全碾壓密實，因此在水流的沖刷作用下，部分縫間的土顆粒會逐漸被帶動，集中匯聚于出口處，土顆粒之間重新排列，使得局部土顆粒形成擠密效應(yīng)。而在土顆粒發(fā)生移動后，靠近進水口處的滲透通道會被疏通。因此層間填土后的袋裝膨脹土組合體會在水流的作用下形成一個復雜、不均勻的滲流通道。

2.2 豎向滲透特性測定與分析

試驗測得袋裝膨脹土組合體豎向滲透系數(shù)見圖5(b)。從圖5(b)可知，滲透系數(shù)最小的結(jié)構(gòu)為模型6結(jié)構(gòu)，在水頭為1 m左右時滲透系數(shù)為3.07×10-2cm/s；滲透系數(shù)最大的結(jié)構(gòu)為模型1結(jié)構(gòu)，在水頭為1 m左右時滲透系數(shù)為9.16×10-2cm/s，比模型6大了約0.5個數(shù)量級。

a.水頭差大小對滲透系數(shù)的影響。由圖5(b)可知，0.5 m水頭時袋裝膨脹土組合體的豎直向滲透系數(shù)明顯大于1 m水頭時的滲透系數(shù)，該試驗結(jié)果與水平向滲透試驗結(jié)果一致，可見水頭是影響袋裝膨脹土組合體滲透系數(shù)的一個重要因素，隨著水壓力的增加其滲透系數(shù)逐漸降低。

b.土工袋排列方式對滲透系數(shù)的影響。對比層疊無縫和順水流方向交錯這兩種排列方式下的豎向滲透系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，土工袋交錯排列后其豎向滲透系數(shù)減小，這是由于交錯之后上層土工袋會阻擋下層土袋的袋間縫隙通道，使得豎向水流的滲透路徑增長，沿程水頭損失增加，因此滲透系數(shù)有所降低，如圖6(a)所示。對比順水流方向交錯和垂直水流方向交錯兩種排列方式下的豎向滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)順水流方向交錯的滲透系數(shù)較小。土工袋在兩種排列方式下豎向水流的滲徑長度基本接近，但從俯視圖中可以發(fā)現(xiàn)垂直水流排列方式下的袋間縫隙比順水流方向交錯排列時多，可見縫隙的數(shù)量是影響袋裝膨脹土組合體滲透系數(shù)的因素之一。當土工袋十字交錯排列時，其豎向滲透系數(shù)較垂直水流方向交錯排列時有所減小，與順水流方向交錯排列時基本接近。從圖6(b)可以看出，十字交錯排列后豎向水流的滲透路徑會進一步增長，其滲透系數(shù)本該較順水流方向交錯排列時減小，但由于其袋間縫隙有所增加，因此豎向滲透系數(shù)的變化較順水流方向交錯排列時并不明顯。

圖6 袋裝膨脹土組合體豎向滲透路徑示意圖Fig.6 Schematic diagram of vertical flow paths of soilbag assembly

c.縫間填土對滲透系數(shù)的影響。對比模型1和模型5兩種工況下的試驗結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)：袋間縫隙回填土后袋裝膨脹土組合體的豎向滲透系數(shù)有所降低，但從模型1到模型2的變化幅度來看，縫間填土對豎向滲透系數(shù)的影響不及排列方式的影響大。由此可見，對于袋裝膨脹土組合體的豎向滲透性，滲透路徑與袋間縫隙數(shù)量起主要的決定作用，縫隙間填土的作用效果相對較小。而在目前實際膨脹土渠坡的修復工程中，施工人員在填完一層土工袋后，往往習慣性地覆蓋一薄層土體以填充袋體間的空隙，這種做法值得進一步商榷。一方面，土工袋袋間填土后，滲透系數(shù)較不填土的情況有所減小，阻礙了渠道運行過程中土工袋墊層內(nèi)部的排水和超靜孔隙水壓力的消散，不利于渠坡的穩(wěn)定；此外，回填土體也增加了施工工序和成本，不利于修復工程的經(jīng)濟性。

2.3 豎向與水平向滲透系數(shù)對比

為了便于觀察，選取1 m水頭工況下水平向與豎向滲透系數(shù)繪成柱狀圖(圖7)。從圖7可以看出，若袋裝膨脹土組合體的袋間縫隙不填土，則水平向滲透系數(shù)比豎向滲透系數(shù)明顯較大。分析其原因，從圖4和圖6不難看出，水平向滲透時，袋裝膨脹土組合體內(nèi)的滲透系數(shù)較袋間縫隙要低很多，土工袋截面積相對較小，袋間縫隙能起到很好的排水作用；而在豎向滲透時，土工袋截面積占比增加，袋間縫隙所起的作用相對降低，導致測得的滲透系數(shù)比水平向的低。而當袋裝膨脹土組合體的袋間縫隙填土后，水平向滲透系數(shù)比豎向滲透系數(shù)略大。豎向滲透系數(shù)較填土前變化較小，而水平向滲透系數(shù)較填土前明顯減小，這是因為縫隙間的填土會堵塞水平向的滲透通道，使其滲透系數(shù)出現(xiàn)明顯的變化，而對于豎向滲透路徑，由于土工袋自身已起到一定的阻水效果，因此縫隙間填土對其滲透系數(shù)的影響不明顯。

圖7 水平向和豎向滲透系數(shù)對比關(guān)系(1 m水頭差)Fig.7 Comparison of horizontal and vertical permeability coefficients under water head difference of one meter

袋裝膨脹土組合體的滲透系數(shù)主要取決于袋體間的縫隙通道，用土工袋來處理膨脹土渠坡，在水位升降和降雨入滲等外界因素的影響下，由于水平向滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)，入滲的水分能夠沿組合體水平層間縫隙很快流走，不易進入下臥層的壓實膨脹土渠坡。

3 結(jié) 論

a.袋裝膨脹土組合體的水平向滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)，用土工袋來處理膨脹土渠坡，在降雨等外界因素影響下，入滲的水分能夠沿組合體水平層間縫隙很快流走，不易進入下臥層的壓實膨脹土渠坡。

b.由于袋裝膨脹土組合體內(nèi)的滲透系數(shù)較小，袋裝膨脹土組合體的滲透性主要取決于袋間縫隙的大小，通過組合體的流量由通過袋間縫隙的流量控制，因此排列方式對袋裝膨脹土組合體滲透性影響的實質(zhì)是改變了袋間縫隙的數(shù)量和形狀的大小。

c.袋裝膨脹土組合體在低水頭工況下的滲透系數(shù)大于高水頭工況，即隨著水壓的增加，土工袋組合體的滲透系數(shù)會減小，這是由高水頭工況下水流的沿程水頭損失增加引起的。

d.袋裝膨脹土組合體的袋間縫隙填土后，其豎向滲透系數(shù)較填土前變化較小，而水平向滲透系數(shù)較填土前明顯減小。袋裝膨脹土組合體在實際運行時，若不在縫間填土，則對水平向?qū)娱g排水有利。