基于新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的散浸險(xiǎn)情搶險(xiǎn)效果試驗(yàn)研究

趙延浩 王金龍 張偉 裴怡

摘 要：在長(zhǎng)江中下游歷史險(xiǎn)情資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了一種盲溝管與傳統(tǒng)人字溝相結(jié)合的新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)，并開展了不同水力梯度下不同土工織物長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)和新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水物理模型試驗(yàn)。結(jié)果表明：改進(jìn)后的盲溝管具有良好的反濾排水特性和抗淤堵特性，可為汛期散浸險(xiǎn)情搶險(xiǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：盲溝管；新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)；抗淤堵特性；散浸；搶險(xiǎn)效果

中圖分類號(hào)：TU46+2；TV443? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

2020年汛期，長(zhǎng)江中下游堤防工程累計(jì)出現(xiàn)各類險(xiǎn)情4 335處。其中，管涌1 439處、散浸1 524處，共占險(xiǎn)情總數(shù)的68.3%，可見管涌和散浸是堤防險(xiǎn)情最主要的類型[1]。而開溝導(dǎo)滲是處理散浸險(xiǎn)情最有效的措施之一，通過導(dǎo)滲溝排水來控制滲流范圍、引導(dǎo)滲流方向、降低浸潤(rùn)線、加速孔隙水壓力消散從而增強(qiáng)堤坡的滲透穩(wěn)定性[2]。傳統(tǒng)導(dǎo)滲溝多用人工開挖，砂石料回填，耗費(fèi)大量人力物力，搶險(xiǎn)效率低，亟需一種攜帶輕便，價(jià)格低廉，可高效利用的新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)來滿足汛期搶險(xiǎn)的需求。已有的工程經(jīng)驗(yàn)表明，土工織物作為堤防工程防排水系統(tǒng)的“反濾層”，其抗淤堵性能是新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。如果選用不合適，可能導(dǎo)致排水性能不滿足要求，造成不可預(yù)計(jì)的危害[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-10]針對(duì)影響土工織物抗淤堵性能的各種因素進(jìn)行了大量的淤堵試驗(yàn)研究?，F(xiàn)階段的研究[11-18]主要是利用土工織物淤堵試驗(yàn)儀或改善后試驗(yàn)設(shè)備開展?jié)B流梯度比試驗(yàn)，分析水力梯度、土工織物和土體中的顆粒直徑等因素對(duì)土工織物抗淤堵性能和透水性能的影響，而沒有結(jié)合實(shí)際散浸險(xiǎn)情下導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的防排水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究。

本研究選取漢江李家洲險(xiǎn)段散浸險(xiǎn)情點(diǎn)的土樣作為室內(nèi)模型試驗(yàn)的試樣，比選出5種土工織物作為濾層，用自制試驗(yàn)儀進(jìn)行了長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)，測(cè)定在一定水流條件下土與不同土工織物系統(tǒng)的滲透系數(shù)和抗淤堵情況。依據(jù)淤堵試驗(yàn)結(jié)果，推薦一種適合新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的土工織物，作為盲溝管的濾布。構(gòu)建新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過試驗(yàn)分析4種工況條件下新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的排水效果和反濾性能，最終提出適用于散浸險(xiǎn)情搶險(xiǎn)的新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)土樣

參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019），對(duì)漢江李家洲險(xiǎn)段（樁號(hào)212+500～213+380）土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，根據(jù)得到的土樣顆粒組成情況（見表１），將該土樣定名粉細(xì)砂。

1.2 土工織物試樣

試驗(yàn)所采用的土工織物共5種。3種白色聚丙烯長(zhǎng)絲針刺土工布，規(guī)格型號(hào)為300 g/m2、400 g/m2、500 g/m2，試驗(yàn)編號(hào)分別為C1、C2和C3；短纖針刺非織造土工布和軟式透水管濾布，試驗(yàn)編號(hào)為C4和C5。依據(jù)《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》（SL 235—2012）[20]進(jìn)行取樣、稱量及試驗(yàn)，5種土工織物的物理特性見表2。

2 長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)選用小型垂直滲透儀（見圖1）。在試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備就緒后，將土工織物平鋪在透水板上，土樣松填在土工織物上，土樣裝填按照干密度1.053×103 kg/m3控制，裝樣高度為10 cm。試驗(yàn)前將上下游測(cè)壓管關(guān)閉，并從儀器底部進(jìn)水口進(jìn)水，緩慢抬升水頭直至土樣飽和，樣面出水后將土工織物和填土浸泡5 h以充分排氣飽和。排水試驗(yàn)時(shí)，改為頂部進(jìn)水，底部排水，水流方向?yàn)樽陨舷蛳?，通過濾層的水流進(jìn)入下游室后從側(cè)向排出。試驗(yàn)過程中通過供水系統(tǒng)進(jìn)行水位調(diào)節(jié)，觀測(cè)記錄水位、流量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中逐級(jí)抬高上游水位，總水頭差分別為10、30、50、100 cm，對(duì)應(yīng)水力梯度i為1、3、5、10。長(zhǎng)期排水淤堵試驗(yàn)共歷時(shí)63 d，試驗(yàn)完成后，取出5種土工織物試樣，清除附著在其表面的浮土后進(jìn)行烘干，稱量淤堵物質(zhì)量，以評(píng)價(jià)土工織物抗淤堵特性。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)系統(tǒng)滲透系數(shù)（土工織物+土樣）按照常水頭滲透系數(shù)公式計(jì)算：

式中：K為通過土工織物的滲透系數(shù)（mm/s）；t為時(shí)間（s）；Q為在時(shí)間t內(nèi)滲出的水量（mm3）；L為滲徑（mm）；A為試樣面積（mm2）；H為上下游水頭差（mm）。

歷時(shí)63 d不同水力梯度（i=1，3，5，10）的長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)中，下游出水一直保持澄清，僅有少量細(xì)顆粒進(jìn)入濾層，但是土樣沒有任何滲透破壞現(xiàn)象，說明5種土工織物的反濾效果良好，可適應(yīng)長(zhǎng)期的反濾排水情況。

不同水力梯度下，試驗(yàn)系統(tǒng)滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。可知，試驗(yàn)系統(tǒng)滲透系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)均有不同程度的降低，原因主要有兩個(gè)方面，一方面，土工織物長(zhǎng)期排水存在一定的淤堵；另一方面，本次試驗(yàn)采用松填土樣，隨著滲透坡降的增加，土體擠密，造成系統(tǒng)滲透系數(shù)的降低。試驗(yàn)坡降變化時(shí)，曲線均出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，表明試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的調(diào)整，之后逐步趨于穩(wěn)定。C3試驗(yàn)系統(tǒng)滲透系數(shù)降低幅度最大，C5試驗(yàn)系統(tǒng)滲透系數(shù)降低幅度最小，防淤堵性能最優(yōu)。

試驗(yàn)后土工織物內(nèi)淤堵物質(zhì)量見表3?？芍?，淤堵試驗(yàn)結(jié)束后分析了土工織物淤堵物質(zhì)量，C3淤堵物質(zhì)量最大，為7.4 g；C5試驗(yàn)系統(tǒng)淤堵物質(zhì)量最小，為4.9 g，也表明C5試驗(yàn)系統(tǒng)防淤性能最優(yōu)。

試驗(yàn)前后土工織物滲透系數(shù)見表4?？傻茫L(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)后土工織物滲透性均有降低，滲透系數(shù)約減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中C3試驗(yàn)系統(tǒng)降低幅度最大，C5試驗(yàn)系統(tǒng)最小。

造成長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)系統(tǒng)滲透系數(shù)下降的原因還有很多[17]，比如氣泡的影響，纖維類織物（C1、C2、C3、C4）具有一定的濾氣作用，可導(dǎo)致土工織物滲透系數(shù)衰減到10-4～10-5 cm/s，而編織類織物（C5）則濾氣現(xiàn)象不明顯，受氣泡影響相對(duì)較小。纖維類土工織物孔隙率在一定滲透壓力下可迅速下降，可高達(dá)50%左右，使其過水?dāng)嗝娲蠓档涂椢锝亓艏?xì)小土顆粒的能力增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致纖維織物滲透性降低，而編織類土工織物孔隙率隨壓力變化影響相對(duì)較小。

綜上，通過比較土工織物反濾排水性能、試驗(yàn)系統(tǒng)滲透系數(shù)變化規(guī)律，淤堵物重量等，可知C5試驗(yàn)系統(tǒng)綜合性能最好，其采用的軟式透水管濾布可以作為新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的反濾層。

3 新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

選用軟式透水管濾布作為新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)中盲溝管的反濾層，并結(jié)合實(shí)際搶險(xiǎn)工況，研制了新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水模型，開展系列反濾排水試驗(yàn)，檢驗(yàn)新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的排水效果，為散浸險(xiǎn)情處理提供參考依據(jù)。

研制的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示，尺寸為100 cm×80 cm×100 cm（長(zhǎng)×寬×高），試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞繛樯嫌芜M(jìn)水室，試驗(yàn)過程見圖4。

3.2 試驗(yàn)方法

采用漢江李家洲險(xiǎn)段（樁號(hào)212+500～213+380）散浸險(xiǎn)情點(diǎn)土樣模擬土石堤壩填筑料，選用直徑10 cm的盲溝管作為新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的排水管。盲溝深30 cm，寬20 cm，長(zhǎng)80 cm。依據(jù)通常開溝導(dǎo)滲處置可能出現(xiàn)的情況，模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)了盲溝管周圍4組不同回填土料工況，分別為：工況PS1，盲溝管周圍直接回填原位土；工況PS2，盲溝管周圍回填粗砂；工況PS3，盲溝管周圍模擬泥漿回灌（原位土摻＜0.075 mm細(xì)粒，＜0.075 mm顆粒含量按15%控制）；工況PS4，盲溝管周圍垮塌的地基土隨水流包裹盲溝管。

模型采用分層裝樣，高50 cm，每層10 cm，盲溝管埋深30 cm，見圖4（a）。共布置了5支測(cè)壓管觀測(cè)水頭，其中，1#測(cè)壓管為試驗(yàn)供水水頭，對(duì)應(yīng)堤基水位，2#測(cè)壓管為盲溝管內(nèi)水頭觀測(cè)，3#、4#、5#測(cè)壓管對(duì)應(yīng)距離盲溝管10 cm、30 cm、80 cm溝底高程處，見圖4（b）。試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b填完成后，關(guān)閉盲溝管出口，從模型底部供水，逐步升高供水水頭至試樣表面高程，并飽和試樣，初始試樣飽和狀態(tài)見圖4（c）。試樣飽和后，打開盲溝管出水口開始排水，試驗(yàn)過程中觀測(cè)記錄排水量及測(cè)壓管水頭，直至水位和流量穩(wěn)定，見圖4（d）。4組模型試驗(yàn)除了盲溝管范圍內(nèi)填料不同外，其余部分土體均為初期一次填筑，根據(jù)試驗(yàn)方案不同，將盲溝范圍內(nèi)土體進(jìn)行挖出換填，見圖4（e）。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

總體上看，不同工況下盲溝管出水口僅有少量細(xì)土顆粒析出，水流保持清澈，表明新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)反濾特性良好。

不同工況下新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水穩(wěn)定時(shí)浸潤(rùn)線位置見圖5?？芍?dāng)排水穩(wěn)定時(shí)，PS1、PS2浸潤(rùn)線較低，對(duì)周圍土體排水減壓效果較好，PS4周圍土體浸潤(rùn)線較高，對(duì)周圍土體排水減壓效果較差。

3#測(cè)壓管水位下降值（相對(duì)于初始水位值）變化過程見表5?？芍?，新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)周圍土體水位均出現(xiàn)下降，排水10 min內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)處水位降低最快，隨后水位緩慢下降直至最終穩(wěn)定，從最終穩(wěn)定水位看，PS2水位下降幅度最大，為19.6 cm；PS4水位下降幅度最小，為6.7 cm。試驗(yàn)結(jié)果表明PS2對(duì)周圍土體的排水減壓效果優(yōu)于PS4。

不同工況下新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水量隨時(shí)間變化過程見圖6?？芍?，隨著排水時(shí)間的延長(zhǎng)，新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的排水量均有一定程度的降低并逐漸趨于穩(wěn)定，PS1、PS2、PS3、PS4穩(wěn)定流量分別為16.8 ml/s、16 ml/s、6 ml/s、1.03 ml/s，PS1排水效果最好，PS4排水效果最差。盲溝管排水量在PS1、PS2工況下較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且排水量較大，說明在這兩種工況下，盲溝管與周圍土地能迅速形成了穩(wěn)定的反濾排水結(jié)構(gòu)。PS3工況下排水量隨時(shí)間不斷減小，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，說明所摻的模擬泥漿回灌的粘粒會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的排水能力隨時(shí)間不斷減弱。PS4工況下在較短的時(shí)間內(nèi)排水量就迅速降低直至喪失排水性能，原因是盲溝管濾布較易被垮塌的土水混合物淤堵，說明盲溝管在渾水情況下的抗淤堵性能較弱。

綜上可知，新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)在濾層不發(fā)生淤堵的條件下，可以有效降低周圍土體內(nèi)的水位，達(dá)到處理散浸險(xiǎn)情的目的，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免泥水混合物對(duì)盲溝管濾層的淤堵。

4 結(jié)論

通過長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)對(duì)盲溝管的反濾層進(jìn)行選材，且通過新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水模型試驗(yàn)來研究不同回填工況對(duì)采用C5反濾層的新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)排水性能的影響，主要結(jié)論如下。

（1）長(zhǎng)期淤堵試驗(yàn)結(jié)果表明，土工織物作為新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)的反濾層是可行的，其中透水軟管濾布（透水性土工織物及聚合物纖維編織物）防淤堵性能較優(yōu)。

（2）新型導(dǎo)滲結(jié)構(gòu)可以有效排出周圍土體中的水，對(duì)一定范圍內(nèi)土體浸潤(rùn)線降低具有明顯作用，可以用于散浸險(xiǎn)情的處置。

（3）軟式透水管濾布本身排水性較好，當(dāng)濾層滲透性顯著大于周圍土體時(shí)，排水量主要受盲溝管周圍土體滲透性的影響，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免土體垮塌產(chǎn)生的土水混合物向排水管匯流聚集對(duì)排水濾層的淤堵。

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Abstract：Based on the investigation of historical dangerous situations in the middle and lower reaches of Yangtze River，we propose a new type of permeable structure combining blind drainpipe with traditional herringbone groove. To evaluate the drainage performance of the new seepage structure，we conducted long-term clogging tests on different geotextiles under varying hydraulic gradient and drainage physical model tests of the new permeable structure. Results indicate that the improved blind drainpipe boasts excellent antifiltering and drainage properties. The findings provide valuable insights into effective measures for responding to diffuse and infiltrated hazardous conditions during flood season.

Key words：blind drainpipe；new permeable structure；anti-clogging characteristics；spreading soaking；emergency rescue effect