波浪作用下管袋坝袋间接缝冲刷试验装置及方法

郝雪航 束一鸣 蔚成亮 满晓磊 周天娥 杨 帆

（河海大学 水利水电学院，南京 210098）

充填管袋筑堤技术始于20世纪五、六十年代，现在已经成为围海造陆工程、海岸防护工程中所采用的一种十分重要的建筑措施.管袋坝的施工工艺一般是先在水下充填两侧的大型土工管袋形成围堰，待围堰高程达到水面以上后，在两侧围堰中间吹填砂土形成挡水堤坝，典型断面如图1所示.管袋堤坝一般较长，最长达几十公里，在堤轴线方向上是由众多管袋搭接而成，搭接处会形成如图2所示的接缝管路.在坝芯吹填砂土施工时，管袋外侧尚未进行防护，坝内外水流会沿着接缝管路流动，坝芯的充填砂可能会在渗流力作用下沿接缝管路流失.此外，当坝体充填到达设计高程后，虽然外侧坝坡用土工织物进行防护，但在波浪和复杂水流作用下，深水中的土工织物搭接很难精确定位，常常出现管袋坝体局部裸露在水下.所以，在管袋坝施工期和运行期，接缝管路会成为坝芯砂体天然的渗漏通道，坝芯及接缝管路中充填砂的细颗粒会不断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.

由于国外的管袋所用编织物强度较高，单个管袋尺寸可以较大，管袋搭接形成的接缝也较少，接缝问题在国外并不突出，因此国外学者对管袋坝研究多集中于力学特性、管袋的材料渗透特性、坝体的稳定性等问题［1－3］.在国内，通过现场试验、模型试验等对管袋坝在不同波浪、水流条件下是否稳定展开了深入研究［4－7］，并针对管袋坝芯砂体沿袋间接缝的冲刷渗透问题，完成了单向水流作用下坝芯砂体沿管袋之间接缝发生渗透破坏的试验［8］.考虑到管袋坝多位于河口海岸地区，此处的水流比单向流要复杂的多，尤其在比较危险且常见的波浪作用下，管袋坝芯砂体沿袋间接缝的冲刷渗透问题会更加突出，因此很有必要对波浪作用下管袋坝芯砂体沿袋间接缝的冲刷问题进行深入地研究.

图1 管袋堤坝典型断面

图2 袋间接缝

1 试验装置

1.1 试验装置原理

由于管袋坝袋间接缝的存在，其坝芯内吹填砂在不同周期、能量波浪作用下，容易沿袋间接缝流至坝外.因此，在借鉴其他渗透破坏试验装置及方法的基础上［9］，根据坝体实际施工情况将问题简化为图3所示的试验装置，管路用于模拟袋间接缝，砂箱用于模拟坝芯砂体，波浪发生器用于模拟波浪作用.本文主要研究坝体在波浪作用的工况，探究在波浪作用下管袋坝芯砂体沿袋间接缝发生冲刷失稳的现象，以期为工程实际提供有意义的参考.

图3 装置原理简化示意图

1.2 试验装置组成

模型装置组成部分包括：波浪发生器、管路、砂箱、信息采集设备等.装置主体材料使用有机玻璃，便于观测砂颗粒动态.装置实物图如图4所示.

图4 试验装置实物图

1）波浪发生器

波浪发生器用于模拟波浪作用，一般对波浪作用研究多集中在波浪破碎前对泥沙的作用分析或者波浪作用对建筑物波浪力研究，为去除反射波产生的影响，多设置消波装置.本试验主要研究波浪破碎后通过管袋坝袋间接缝作用于坝芯砂体，波浪能量大幅度减小，从实际出发也无需消波.鉴于本试验特殊性在借鉴前人造波方法（推波及压波）的前提下，提出了新型压波装置，该装置适用模拟较小能量无需消波的波浪作用.如图5所示.考虑到不规则波浪较为复杂，实验室模拟分析难度比较大，故实际工作中常常采用规则波进行近似模拟试验.

图5 波浪发生器

该装置主要组成部分包括水箱、可调节阀门、消防水管、电机、变速器、压水板等.可调节阀门用于调控进入管路的水流能量；消防水管用于储存造波水体；电机用于提供偏心旋转盘旋转动力；变速器用于调节频率，模拟不同周期波浪.电动机带动偏心轮发生旋转，于是带动压水板上下运动，使水流发生往复运动，以模拟不同周期、不同能量波浪作用.该作用器所造波形如图6所示.

图6 波形图

2）管路

管路用于模拟袋间接缝，在实际的工程当中管袋坝袋间形成的接缝长至10多m，短至两三m，直径大约为5cm，并且管路的形状各不相同.基于偏安全的考虑以及为了方便量测，管路净尺寸设计为200cm×5cm×5cm（长×宽×高），如图7所示.管路顶部盖板可以进行拆卸，管路和盖板组合安装时利用橡胶垫片进行止水，并用夹子进行固定，管路一侧连接集砂箱，一侧连接砂箱.当砂粒在管路中运动移至集砂箱内时，可以起到采集、取样的作用.压力传感器通过侧壁的接入点与管路相连以便于收集数据.

图7 管路

3）砂箱

砂箱用于模拟坝芯砂体，如图8所示，分为装砂室和浸润室两个部分.装砂室和浸润室之间用一块多孔、均匀的固定有机玻璃板分开，并将同等尺寸的无纺布贴附于过流板上.当浸润室加满水时，既可以使水流均匀的透过，又可以阻止砂粒流入浸润室.装砂室的尺寸为30cm×30cm×60cm（长×宽×高）；浸润室尺寸为30cm×15cm×30cm（长×宽×高）.

图8 砂箱

4）数据、图像采集设备

采集的数据主要包括水流流速、水压力等.采集水压力实时动态数据主要是利用管路侧壁安装的传感器（如图9所示），先经采集卡（如图10所示）进行数据转换，再传至电脑自动保存.试验时压力传感器一般布置6～8个，管路上间断布置4～5个，砂箱布置2～3个.由于超声波在水中进行传播时，传播的时间会因水流流动发生变化，且变化率和水流流速为正比关系.根据此原理水流流速使用超声波流量计来进行测量，如图11所示.图像采集是通过使用摄像机、照相机、秒表等记录整个颗粒运动及冲刷渗透发生过程，可为后期数据分析提供影像资料.

图9 压力传感器

图10 采集卡

图11 超声波流量计

2 试验材料

管袋坝充填砂土及坝芯吹填砂土一般多采用粉细砂，抗渗透变形能力较弱.如图12所示，江苏沿海大规模围垦条子泥（Ⅰ期）工程施工三标管袋充填土颗粒级配检测结果，颗粒粒径主要在0.08～0.27mm之间.

图12 充填土颗粒级配曲线

试验砂样采用密度为2 764kg／m3的天然石英砂体.无染色的砂体最细的粒径小于0.075mm，经染色工序的有色砂体粒径最细可达0.125mm.本文试验所配备可以筛选的标准砂样粒径从大到小为：～2.00 mm；2.00～0.850mm；0.850～0.425mm；0.425～0.180mm；0.180～0.125mm；0.125～0.075mm；0.075mm～.本文各组试验砂样相关参数见表1.可供选择的颜色有红色、紫色、蓝色、橘黄色、绿色、白色、黑色，如图13所示.

表1 砂样参数表

续表1 砂样参数表

图13 彩色试验砂样

3 试验过程

3.1 前期准备

1）装置组合.首先在管路内及砂箱内侧壁粘贴纱网，由于纱网与国产编制布的糙率相当，可用来模拟实际边界.然后把集砂箱、管路、砂箱等各部分依次组装，用橡胶垫片进行密封止水，组装好后通过水箱将管路内注满水，测试是否存在漏水现象，水压力传感器用橡胶软管与管路侧壁接口连接，并进行校正.

2）试验样品制备.根据每组不同试验目的以及试验工况，设定级配，依据颗粒粒径质量分布与颜色分布混合并搅拌均匀，配制出所需样品.

3）试验样品填装.采取分层填装、逐层压实的方式，来确保均匀的填装式样，达到预设的孔隙率.根据砂样可保持稳定的天然坡角以及实际工程情况，在砂箱与管路接口处砂体装填成约38°的倾角.

4）加水浸润.通过波浪发生器一侧管口和浸润室向装置系统内注水，为减少砂颗粒的扰动，注水速度尽可能缓慢，并保持两侧水位大致相同.浸泡时间保持在12h以上，以确保砂样浸泡饱和.观测压力传感器保持稳定状态时，使波浪发生器开始工作，进行试验.

3.2 试验实施

1）施加波浪作用.调节周期和阀门开度设置预定波浪作用，观察管路内颗粒的移动情况，并维持该波浪作用，如果颗粒运移较慢，则波浪发生器需持续工作至少3h.

2）采集数据.采用压力传感器监测管路和砂箱各部位实时压力变化，通过超声波流量计自动采集存储流量、流速、时间等数据.

3）影像采集.试验开始时同时打开摄像机，用以记录特征部位如顶面及侧面颗粒移动情况，并用照相机在试验过程中实时拍摄图片.

3.3 试验后处理

1）试验结束后，使用环刀等对装置系统内特征部位砂体进行取样，进行颗粒分析与孔隙率的测定，用以分析砂粒体在管路及砂箱中的分布情况.

2）量测管路砂堆长度，整理试验过程中采集的数据，包括流速、水压力数据等，进行定性和定量分析.

3）调取影像资料，仔细观察试验过程中发生的试验现象，分析各颗粒的移动特点和分布特点.

4 试验装置及方法的有效性验证

利用本试验装置，展开了一系列的预试验.以其中一个预试验为例，如图14所示，试验条件为周期8 s，水面高于底面3.5cm，细颗粒组.3分57秒时管路中水体处于静止的初始状态，如图14（a）所示，4分00秒时管路内状态如图14（b）所示，模拟波浪作用产生后的来水阶段，管路中水面上升，在管路砂堆的坡面上形成上爬水流.在此阶段，砂颗粒没有发生较大的运动.当水流上爬一定高度后进入回水阶段，该阶段中水流回落水面下降，回落水流携带砂堆前端斜坡上松散砂颗粒快速向前运动，使管路水流呈现出浑浊状态，如图14（c）所示.该试验现象表明在一定的周期、波浪能量作用下，坝芯砂颗粒会由袋间接缝被带出坝外，与实际工程情况基本相符.因此，该装置及方法对研究波浪作用下管袋坝袋间接缝的冲刷作用具有有效性.

图14 管路内冲刷现象

5 结 论

根据实际工程中管袋坝袋间接缝冲刷过程研究的需要，概化出一套试验装置，并提出了相关试验方法.该装置及方法可以模拟在不同周期、能量波浪作用下，管袋坝芯砂体流入管袋坝袋间接缝，并沿袋间接缝流失，直至管袋坝坝体发生结构失稳的过程.本文主要是对管袋坝袋间接缝在波浪作用下的冲刷破坏试验装置与方法进行了说明，也可以为管袋坝在潮汐往复水流作用、往复水流与波浪水流耦合作用等其他工况下的稳定性研究提供有益参考.

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