管袋坝芯砂体沿袋间接缝渗透试验研究装置及方法

蔚成亮 束一鸣 曹明杰 吴海民 任泽栋 蒋善平 满晓磊

（河海大学水利水电工程学院，南京 210098）

随着对近海、河口地区的保护性开发，充填管袋坝筑堤作为一种重要技术发挥了越来越大的作用.管袋坝一般是先在滩涂上（水上或水下）充填两侧的大型土工管袋形成围堰或戗台，待围堰高程达到施工期潮位以上后，再在两侧戗台中间吹填砂质土形成挡水堤坝.与传统抛石筑坝技术相比，充填管袋筑坝技术具有就地取材、造价低廉、施工工艺简单、施工速度快、对软基的适应能力较强、施工基本不受潮位和降雨影响等优点［1］.

国内外学者的研究主要是集中在管袋坝坝体稳定性、管袋材料的渗透和脱水特性、尺寸设计、充填工艺和管袋后期变形等特性的研究［1－11］.鉴于国外土工管袋大多选用高强土工织物制作，管袋可以做得很长，管袋搭接较少，管袋坝体接缝渗透稳定性并不突出，所以至今尚无相关研究成果.而在国内，由于管袋多选用强度较低的裂膜丝编织土工织物，受材料强度限制，管袋长度一般较短、高度小、层数较多，所以堆成的坝体会沿着坝轴线方向形成很多袋间接缝，如图1所示，而国内针对这种充填管袋坝袋间接缝渗透稳定性的研究尚未见报道.

图1 管袋坝袋间接缝实物图

如图2所示，在坝芯吹填砂质土施工时，充填管袋处于外侧尚未进行防护或者织物反滤铺设存在间隙的状态，在坝内外水位差作用下水流会沿着接缝流动，坝芯的充填砂质土可能会在渗流力作用下沿接缝流失而发生渗透破坏，这给坝体结构带来了很大的安全隐患.目前尚无针对管袋坝袋间接缝渗透破坏方面的研究，也没有相关规范可以参考，为了探索管袋坝芯砂体沿袋间接缝在单向水流作用下渗透破坏情况，本文在借鉴其他研究领域渗透破坏试验的基础上设计了一套有针对性的试验装置与试验方法［12－13］.

图2 管袋坝横截面图

1 试验装置

1.1 装置设计原理

管袋坝芯砂体沿袋间接缝渗透破坏问题表现为：坝芯吹填砂在上下游水位差形成的单向水流作用下，通过袋间接缝被水流带至坝外.因此，根据管袋坝充填施工工程实际情况将该问题简化成如图3所示的试验模型，砂箱模拟管袋坝袋间接缝口附近的吹填砂，管路模拟袋间接缝，管袋与袋内固结土组成的系统渗透性能相对管路要小的多，模型不考虑该系统可能存在的渗流.由于管袋坝实际工程水流条件非常复杂，既存在单向水流作用，同时也存在潮汐引起的往复水流以及坝外的波浪作用，本文主要针对坝体两侧存在水位差形成单向水流作用的工况进行研究，探索管袋坝芯砂体沿袋间接缝的渗透问题，以期为后续其他工况研究作指导.

图3 试验装置简化示意图

1.2 装置组成

试验装置组成部分主要包括：砂箱、管路、集砂箱、控制水箱、加载设备、数据采集设备、图像采集设备等.为了能够观察装置内部变化，装置主体部分采用有机玻璃制成.试验装置示意图如图4所示.

图4 试验装置示意图

1）砂箱

砂箱主要模拟管袋坝芯砂体，净尺寸为450mm ×300mm×300mm（长×宽×高），分为进水室、稳流室、装砂室、气囊加载室4部分，如图5～6所示.进水室与稳流室中间固定一块均匀多孔过流板，使水流均匀进入装砂室；稳流室与装砂室也固定一块均匀多孔过流板隔开，并在多孔板上附上无纺布，一方面使水流均匀，另一方面防止砂粒进入稳流室和进水室；装砂室尺寸为300mm×300mm×300mm（长×宽×高），压力传感器通过铜管从砂箱内部引至箱外，以监测水压力变化；装砂室上部设置有气囊加载室，用来模拟上覆压重，气囊加载室为圆形，直径500mm，位于装砂室正上方，两室之间用硅胶膜隔开起到止水作用.试验时，通过气囊充气反压于下部砂体，由于气囊以及硅胶膜均为柔性材料，使得加载后硅胶膜能紧贴砂面，保证加载的均匀性.

2）管路

管路主要模拟管袋坝袋间接缝，如图7所示.根据施工现场测量，实际工程中袋间接缝短至2～3m，长至10m多，实际袋间接缝直径在50mm左右，管路形状各异.管路在设计时基于最小渗径、最大管路截面最易破坏原则来模拟实际情况，且考虑到装置的拆卸以及量测的方便，设计管路等效截面为50mm×50 mm矩形，长度为2 000mm的管路.管路顶面设置可拆卸盖板，盖板与管路之间放置矩形橡胶止水垫片用螺钉锚固连接，管路侧壁设有水压力传感器接入点，一端与砂箱相连.另一端连接集砂箱，试验中砂粒从管路运至集砂箱内，集砂箱起到收集和取样的作用.

图5 砂箱实物图

图6 气囊加载室

图7 管路

3）控制水箱

控制水箱主要是通过溢流的方式获得稳定水头，包括上游控制水箱1和下游控制水箱2，如图8所示，借助滑轮提升或降低水箱所在位置，进而改变两控制水箱的相对位置来获得不同的水头及水头差.

4）加载设备

加载设备包括设有调压阀的空压机（如图9所示）与加载气囊（如图10所示）.气囊置于加载室内，试验过程中，通过空压机向气囊内部充气，同时利用调压阀设定试验所需压力，使气囊对砂箱顶部砂粒产生恒定荷载，模拟实际工程上覆压力荷载.

图8 控制水箱

图9 空压机

图10 加载气囊

5）数据采集设备

数据采集括水压力数据采集、流量以及流速采集.水压力数据采集主要是借助于水压力传感器（如图11所示）和数据采集卡（如图12所示）实时监测，并自动存储于电脑中.共设置8个水压力传感器，砂箱内布置4个，管路布置4个，其具体分布见图4.

由于渗流流量较小，采用常规流量计测量精度偏低且不便.因此，采用电子称结合摄像头录像方式.试验时将水流收集容器置于电子称上，通过对电子称显示屏录像，监测整个流量变化过程，数据处理时直接根据录像资料，调取需要的数据即可.电子称精度较高，大大提高了流量计算的精度.流速测量参考同济大学周健等研究人员所采用的方法［14］，在需要测量的断面一侧利用注射器注入有色墨水，记录有色墨水流经一定路径所需时间，再减去扩散速度修正得到实际流速，并通过流量及过水断面面积进行对比验证.

6）图像采集设备

为了更方便地观察颗粒细观动态及渗透发生发展过程，利用照相机与摄像机（如图13所示）拍摄整个试验过程，为后期结果分析提供视频影像资料.

图11 传感器

图12 采集卡

图13 摄像机

1.3 边界条件与初始条件

影响管袋坝袋间接缝充填砂渗透稳定性的影响因素包括：充填砂沿袋间接缝长度分布、充填度和孔隙率等与管路内的水力坡降、砂土成分、颗粒特征、管袋接缝通道的大小和形状、管袋材料的粗糙度等，这些因素共同组成模型试验的边界条件与初始条件.由于这些因素复杂多变，试验中不可能满足所有条件的真实模拟，必须从理论和实际影响效果上进行分析，选择切实可行的模拟方法，以确保室内模型能够尽量再现实际管袋堤坝中接缝管路中的真实状态.为模拟实际情况，满足边界条件的一致性，并达到便于观察的目的，考虑采用白色纱网替代黑色编织布.试验中主要考虑材料糙率模拟，因此从糙率的角度对比分析了国产扁平型编织布和纱网两种材料（如图14所示）的糙率系数，经实验分析得国产编织布粗糙系数均值为0.010 272，纱网粗糙系数平均值为0.011，二者糙率相当，故从糙率因素考虑用纱网近似替代国产编织布是合适的.

图14 两种材料

2 试验方法

2.1 试验材料

试验所用砂样为太行山开采加工而成的天然石英砂，密度2 764kg／m3，最细粒径可达0.075mm以下，通过当地石英加工厂进行研磨和染色，染色最细粒径达到0.125mm.本试验可供选择的标准石英砂样粒径为：0.075mm以下；0.075mm～0.125mm；0. 125mm～0.180mm；0.180mm～0.425mm；0.425 mmj～0.850mm；0.850mm～2.00mm；2.00mm以上，可供选择的颜色颗粒（便于追踪颗粒运动状态及分布形态）有：白色，红色，紫色，黑色，橘黄色，蓝色，绿色.共设计了3类砂样的渗透试验，其级配曲线如图15所示，其特性和相关参数详见表1.

表1 试验各组砂样参数

图15 砂样级配曲线

2.2 试验过程

2.2.1 试验准备

1）装置组装.将试验砂箱、过水管路、集砂箱等各部分组装，密封止水，组装完毕加水测试，检验是否存在漏水，安装水压力传感器并校正.

2）制样.根据各组试验工况及试验目的需要，依据级配参数将各粒径砂料及各颜色砂料混合均匀.

3）装样.装样前，借助于胶带在砂箱侧壁及管路内粘贴纱网，以模拟实际边界，并确保粘贴牢固.装填过程按照设置孔隙率分层压实，每层50mm，保证试样装填均匀性.在砂箱与管路接口处砂粒的状态要保证每次试验具有可比性且与实际工程情况相一致.依照砂样的自然休止角，在砂箱出口处堆积一个38°左右的砂坡，砂坡压实程度与砂箱内部一致.

4）加载及浸泡.在砂样顶部覆盖止水硅胶膜，并将砂箱与加载室通过锚固的形式相连接，借助于空压机给气囊充气，直至气囊底面伏贴于砂样顶部，使得气压均匀传至土层表面，通过调压阀控制气压.通过两侧控制水箱向砂箱及管路中缓慢注水浸泡，尽可能减小砂体扰动，将砂样在静水头下浸泡饱和，浸泡过程维持12小时.当各水压力传感器数值一致并维持稳定后加水压差进行试验.

2.2.2 试验实施

1）施加水头差.通过提升控制水箱位置来缓慢升高水头，加压过程中时刻观察并录制砂箱与管路接口处颗粒状态变化情况，每次最大升高水头不超过3 cm，提升后，至少保持该水头静止半小时以上，如果没有颗粒滚出则继续升高水头，如果在升高过程中一旦出现任何细小的颗粒运动，则立即停止升高水头，保持水头静止，观察管路内颗粒的移动情况.

2）数据采集：通过压力传感器实时监测砂箱和管路内特征部位水压力变化情况.管路末端放置出水收集装置并置于电子称上，通过电子称读数，换算出每次渗透破坏开始至最后稳定过程的流量累积过程曲线.试验过程中在管路局部范围注射有色水，通过录像帧回放计算管路局部水流流速.

3）在流量、流速及压力测量的同时开启摄像机和照相机，实时记录管路侧面及顶面颗粒运移情况.2.2.3 试验后处理

1）试验结束后，根据各工况试验目的，利用环刀在砂箱及管路各特征部位取样，进行孔隙率检测、颗分测定及渗透系数测定，分析颗粒流失运移情况及分布情况.

2）取样过程中，通过拍照方式分析各部位彩砂的分布，分析颗粒的移动特点.

2.3 试验研究基本目标

通过该试验研究装置和方法主要是为了实现以下研究目标：

1）探明管袋坝芯砂体沿袋间接缝在单向流作用下渗透变形过程和机理.通过对单向流作用下一系列试验数据的整理和分析，建立宏观水力特征变量（水力坡降、流速、渗透系数）与颗粒细观特征变量（运移速度、级配变化、孔隙率等）之间的关系，从理论上加以推导分析，并用颗粒流细观数值模拟技术进行验证；试图建立渗透破坏过程中宏、细观变量与现象之间的联系，从宏、细观相结合的角度来揭示管袋坝接缝管路渗透变形过程和机理.

2）分析管袋坝芯砂体沿袋间接缝在单向流作用下渗透变形影响因素.单向流作用下渗透变形影响因素较多，包括充填砂沿袋间接缝长度分布、充填度和孔隙率等与过水管路内的水力坡降、砂土成分、颗粒特征、管袋接缝通道的大小和形状、管袋材料的粗糙度等，以控制变量的原则分析各影响因素对渗透变形及破坏的影响情况.

3）寻求管袋坝芯砂体沿袋间接缝在单向流作用下渗透破坏判别方法及标准.从宏观定性角度分析，以砂颗粒源源不断地从袋间接缝流出作为最终渗透破坏的标准.从细观定量化的角度分析，根据宏观水流特性和颗粒细观变量之间的联系，选取相关因素和变量建立一种管袋坝芯砂体沿袋间接缝在单向流作用下渗透破坏的判别方法及判别标准.

4）提出袋坝芯砂体沿袋间接缝在单向流作用下渗透破坏防止措施.在探明渗透变形过程和机理，分析出渗透变形影响因素后，提出有效地措施来防止渗透破坏的发生.

2.4 试验装置及试验方法有效性验证

该试验装置及试验方法是基于实际工程简化而来的，其最终的目是为了通过该试验装置及方法来探究实际工程中存在的问题.为了说明该试验装置及试验方法的有效性，本文依托于该试验装置，采用该试验方法进行了一系列预试验，并仔细观察了试验现象，采集了相关数据，经分析与实际工程中的现象基本一致，如图16～17所示.在两侧管袋内外存在水头差的情况下，实际管袋接缝中存在砂堆，接缝口附近水域有浑浊水流流出，预示着有砂颗粒从管袋坝体内移出，并且在较大水头差作用下，其作用效果更加明显.因此，该试验装置及方法用于探究管袋坝芯砂体沿袋间接缝渗透规律是可行有效的.

图16 模型管路砂颗粒运动状态

图17 实际工程砂颗粒外移现象

3 结 论

通过本试验装置和试验方法，可以较全面反映出管袋坝芯砂体沿袋间接缝发生渗透破坏的相关问题，包括渗透变形过程及机理、渗透变形的影响因素、渗透破坏的判别方法及标准和渗透破坏防止措施等.本文主要是对管袋坝芯砂体沿袋间接缝在单向流作用下的渗透破坏试验装置与方法进行了说明，可为其它工况（如潮汐往复水流作用、波浪作用）下管袋坝袋间接缝渗透稳定性的深入研究提供有益的参考.

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