河床透水层暴露深度对悬挂式防渗墙防渗效果的影响

刘光磊,王保田,李守德

(1.中铁十一局集团城市轨道工程有限公司,湖北武汉 430000;2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098)

研究表明,不同的河床透水层暴露深度对二元结构堤基的渗透变形发生、发展以及流量都有影响[1].堤基地层结构一般不会改变,而河床透水层暴露深度却会由于人为或自然原因而发生变化.通常在进行悬挂式防渗墙的设计施工时,不会考虑河床透水层暴露深度的影响.目前进行的悬挂式防渗墙的模拟试验研究都是针对防渗墙体本身和堤基下游各影响因素的研究[2-3],并且是在上游入渗流量固定情况下进行的.入渗方式大致可以概括为2种:(a)“点入渗”方式[4-6],上游临水面位于强透水层顶部;(b)“平行入渗”方式[7-14],即模型入水结构深入到设备底部,整个强透水层一侧临水.据堤基现场探测地质资料显示,介于点入渗和平行入渗之间的情况较为普遍.

由于目前河床透水层暴露深度对渗流场和悬挂式防渗墙控制作用影响的研究极少,本文主要针对较为普遍的二元结构堤基,即上、下2层分别为弱透水性的黏性土和强透水性的细砂土,通过模拟改变河床透水层暴露深度的室内砂槽试验,研究在有悬挂式防渗墙的情况下,渗透变形的发生和发展以及相关情况.

1 模型结构及试验操作步骤

室内试验所采用的渗流模型设计如图1所示,其长、高、宽分别是200cm,100cm,10cm.在从左侧起40cm处设进水装置,通过其上阀门的开闭来调节上游水位,调节间距为5cm.距左侧100cm和198crm处分别设置有直径2cm的圆形渗流出口,为出水口和远处溢出口.出水口是模拟堤脚附近存在的薄弱环节或管涌口,远处溢出口是模拟无穷远处的渗流出口.为了方便观察土的渗透变形过程,试验仪器采用1cm厚的透明有机玻璃加工而成.在仪器一侧距顶部20cm和40cm处各设一排测压管,以监测沿程水位的变化情况.此外,还设有饱和装置,供试验前饱和土样之用.

试验模拟二元结构堤基,模型下层85cm填筑具强透水性的细砂层,上层填筑15cm具有弱透水性的粉质黏土.为保证室内试验和现场情况一致,上述2种土均取自于长江大堤南京段.

由图2分析可知,上层覆盖粉质黏土颗粒分析曲线较为平缓,说明其级配不均匀,且基本粒径均小于0.075mm,容易形成密实土体,起到封水作用,相应的其渗透系数也较小.细砂土的颗粒分析曲线呈台阶型,基本粒径都大于0.075mm,级配不良而咬合力较小,容易发生渗透破坏,其渗透系数也大.

细砂土的不均匀系数:

图1 砂槽渗流模型(单位:cm)Fig.1 Schematic diagram of sand-box model(unit:cm)

图2 试验用土的颗粒分析曲线Fig.2 Curves of particle sizes of tested soils

由于不均匀系数Cu＜5,根据GBJ 145—90《土的分类标准》,该细砂土级配不良,属均匀土.根据GB50286—98《堤防工程设计规范》,该细砂土的破坏类型属于流土破坏.

试验用土物理力学性质如下:粉质黏土渗透系数为6.16×10-6cm/s,干密度为1.6g/cm3;细砂土渗透系数为1.28×10-2cm/s,干密度为1.42g/cm3;孔隙率为42%.土层振捣时,为能很好地模拟实际情况,均对砂槽内粉质黏土层和细砂层的分层厚度和振捣力量有相应要求[6].

模型上层粉质黏土渗透性与悬挂式防渗墙渗透性一致,因此防渗墙采用粉质黏土制作.墙厚5 cm,设计深度20cm,位于上游入水口和出水口之间,见图1.

上游进水装置下方设置了塑料排水板,通过调节排水板深入细砂层的深度,完成河床透水层暴露深度改变的模拟.该试验预定为5组,排水板深入细砂层深度h分别为0cm,10cm,20cm,30cm,40cm,再根据试验结果决定是否再增加试验.在进行每组试验时,上游水位从7cm起,待每级水位下渗流场稳定后再加下一个水头,以5cm为一级增加.

定义:河床透水层暴露深度与整个透水层厚度之比为下切度;发生渗透变形时的上游水头为临界水头;临界水头除以表观渗径为表观临界水力梯度(本文表观渗径为进、出水口之间水平距离60cm);冲刷通道发展并绕过防渗墙,防渗墙失去效用时的上游水头为破坏水头.

2 试验成果及分析

2.1 试验数据及分析

如表1所示,随着排水板深入透水层深度增加,代表渗透变形发生和发展的临界水头和破坏水头均有降低.第1组到第5组的临界水头在数值上有2次变化,由37cm降为32cm,由32cm降为27cm;破坏水头同样也是有2次变化,由67cm降为62cm,由62cm降为57cm.结合李向凤等[7]在相同试验条件下所得试验数据,塑料排水板深入细砂层深度为85cm,所得临界水头为28cm,近似于第5组的临界水头27cm,其模拟下切度和表观临界水力梯度分别为0.47和0.45,与表1中第5组试验结果相同.

表1 各方案试验结果Table 1 Results of experimental schemes

由表1所示数据变化可以看出,渗流场中研究区域内的临界水头和破坏水头受排水板深入砂层的深度影响,随着下切度增加,其影响幅度在减小.影响幅度的变化仅在一定范围之内,即下切度位于0～0.47之间.当下切度大于0.47时,排水板深入透水层深度对于渗流场的影响基本没有变化.临界水头和破坏水头的降低也说明,随着排水板深入细砂层深度的增加,悬挂式防渗墙抵抗渗透变形的能力也随之下降.

2.2 测压管沿程变化

图3是以上游水位H=22cm时为例,建立排水板深入细砂层不同深度时的测压管沿程水位变化曲线.由图3可以看出,在研究区域内(进、出水口之间60cm),随着排水板进入细砂层深度的逐步增加,相同位置的水头也在依次增加.说明河床透水层暴露深度变化会影响渗流场研究区域内的水头值,河床透水层暴露深度越深,研究区域内某一位置的水头值也越高.塑料排水板等距增加,而相邻曲线间水头增加值有减小趋势,说明随着河床透水层暴露深度的增加,其对渗流场的影响幅度在逐渐减小.

图3 排水板深入细砂层不同深度测压管沿程水位变化曲线(H=22cm)Fig.3 Curves of spatial variation of water levels in piezometric tubes with drainage plate placed at different depths into fine sand layer(H=22cm)

2.3 试验现象

试验过程中发现,当上游水头达到临界水头时,出水口流出的水比较浑浊,见图4(a).通过有机玻璃板壁可以看到在出水口下方有蜂窝状流土破坏现象,图4(b)为出水口黏土层与细砂层界面位置的现象,这种现象属于流土破坏,表明渗透变形已经开始.当上游水头继续增加,2层土料接触位置会出现水平方向的接触冲刷.在水平冲刷的发展过程中,已冲刷部分下方一定范围内会出现砂体块状脱离现象,图4(c)为黏土层与细砂层界面冲刷的现象.渗流通道发展后,在黏土层和细砂层之间存在空隙,下层砂体在较强水力托动下出现脱离,这在没有防渗墙的试验中是没有的.由于水平方向的接触冲刷优先于竖向破坏,脱离的砂体不至于被整体冲走.在水平向冲刷发展至防渗墙后就会向下发展,开始防渗墙与砂体接触部位的接触冲刷.冲刷通道沿着防渗墙向下发展时,通道时堵时通,水流时慢时快.

图4 渗透变形发展记录Fig.4 Generation and development of seepage deformation

水平冲刷向竖直冲刷发展后,由于竖直冲刷较水平冲刷困难,有一定能量的流水冲起的细砂会在防渗墙上方速度降低而下沉,如此反复冲起、沉淀,在紧贴防渗墙中上部形成循环现象.一般认为,当接触冲刷发展至防渗墙上游后,防渗墙已经失去了作用,故当冲刷通道发展至防渗墙下方时,试验结束.

2.4 出水口渗流量变化

图5为试验过程中每级上游水头下渗流场稳定后的渗流量和相应的上游水位关系曲线.各曲线最后1个渗流量为通道发展至防渗墙下方时记录的没有稳定情况下的渗流量.如图5所示,各曲线在稳定渗流和渗透变形中前期形状类似于直线,说明是相对稳定的;但渗透变形发展到一定程度,各曲线起伏较大,并出现相互交叉现象,此时渗流量受到了较大影响.图中曲线距离相差不大,部分部位还时有交叉,说明排水板的下切深度对于渗流量的影响不大.

图5 出水口渗流量与上游水位关系曲线Fig.5 Relationship between seepage discharge in outlet and upstream water level

3 结 论

a.试验表明,随着河床透水层暴露深度的增加,研究区域渗流场变化明显,使临界水头和破坏水头均有降低.透水层下切度的增加,降低了悬挂式防渗墙对渗透变形的发生和发展的控制能力.

b.等距增加的河床透水层暴露深度对渗流场影响幅度在逐渐减小,当透水层下切度达到某一数值继续增加时,临界水头和破坏水头趋于稳定,渗流场受到的影响也基本稳定.

c.河床透水层暴露深度和局部渗透变形的发生对渗流出口渗流量的影响都不大.渗透变形发展前期的渗流量基本随着上游水头的变化而变化,比较稳定,后期由于渗漏通道的发展而出现渗流量起伏现象.

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