充填砂应力—接触渗流耦合模型试验研究

2018-03-22王建卉

水科学与工程技术 2018年1期

王建卉

（天津市水利勘测设计院，天津300204）

近20多年来，各地围海造陆和新建扩建港口规模在不断加大，海上筑堤新技术、新结构得到广泛应用和发展。在海挡工程中，提出了由土工模袋充填砂料构筑堤心的模袋砂堤筑堤技术。珠江河口整治工程中抛泥区围堰的构筑采用土工编织袋充填砂快速成堤，刘智光观测和研究了充填砂围堰沉降位移，分析沉降原因，并提出处理方案；宋为群等研究了利用土工管袋充填粉细砂技术成功地在软土地基上修筑围堤，分析了土工管袋围堤的稳定性，提出利用袋装砂的似凝聚力进行袋装砂围堤稳定性分析方法；程鹏环和李飞研究土工编织袋充泥技术的工程特性、施工过程、测试结果，在讨论充泥袋预应变加筋机理的基础上，说明土工布编织袋常规设计要点，在软土路基工程中具有一定的推广应用价值。

国内外学者对充填砂袋堤坝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特性等方面。国内管袋多选用强度较低的裂膜丝编织土工织物，管袋长度一般较短、高度小、层数较多，所以堆成的坝体沿着坝轴线方向形成很多袋间接缝，如图1。另外，管袋坝施工过程中由于管袋端部不齐整，造成管袋端部形成V字型裂缝，因此在管袋接缝处形成如图2两种渗流通道。这将导致堤基在管袋坝袋间接缝处的接触渗透冲刷破坏问题和管袋坝水平向综合渗透性远大于垂直向渗透性（水平渗透性大于垂直向将造成坝体水头压力或浸润线抬高）等一系列问题。国内还未针对管袋坝开展相应研究。

图1 管袋坝袋间接缝实物图

图2 管袋接缝渗透通道

因此，开展压力作用下的地基抛填砂在管袋接缝出接触渗流特性及抗冲刷措施研究。测定不同压力状态下的多个管袋组合体综合等效渗透系数。管袋之间存在袋间缝这样的强渗流通道，必须测定含袋间缝的管袋组合体的综合渗透系数才能获得堤坝的真实渗透性，在此基础上分析堤坝的渗流量才较为准确。

1 实验装置组成及工作原理

本实验装置采用河海大学自行研制的大尺度应力—接触渗透冲刷耦合模型槽实验装置。该装置包括数据采集系统（如位移传感器，孔隙水压力传感器等）、轴向压力系统、及渗透压力系统。轴向压力系统可对充填砂袋的施加上覆荷载，轴向压力的最大施加值可达1000kN（相当于土样承受最大压力可达3.3MPa）；渗透压力系统模拟堤基土体承受上下游渗透水压力差，低压力由移动水箱提供，最大水头3m，高渗透压力由上游水库容器输出，最大渗透压力可达1.0MPa；土工布管袋模型的沉降、渗流上下游端水头、模型土体内部典型测点的测压管水头等利用数据采集系统实时记录。

按照填筑干密度要求，在模型槽底部填筑3cm厚的黏土及5cm厚的堤基抛填砂；之后在堤基抛填砂上分层填筑水力充填砂袋，充填砂袋尺寸充填后砂袋设计值为长10cm、高4cm和长5cm、高4cm两种。为防止实验过程中水流沿着模型侧壁与砂袋接触缝隙流失，充填砂袋填筑过程中，在砂袋与侧壁用黏土封堵。槽中填筑模型有两种方式：顺渗流方向填筑膜袋和垂直渗流方向填筑膜袋，如图3。

本文将分别开展这两种填筑方式条件下的渗流模型实验研究。

全平整的进入模型槽，盖板盖好后，利用珩架车提吊千斤顶至盖板上，安装位移和压力传感器。移动轴向压力反力架至预定位置，将反力架轴承与千斤顶对准，缓慢升高。

2 渗流模型实验

2.1 顺渗流方向填筑方式

上覆压力为0.1，0.2，0.3MPa。图4为上覆压力下管袋组合体渗流流速与水力梯度之间的关系。不同上覆压力作用下耦合模型槽中渗流流速与水力梯度表现出非线性的拟合关系。3种上覆压力作用下，都服从两个渗流阶段，一个是稳定渗流阶段，另一个是渗流破坏阶段。在上覆压力0.1MPa下，当水力梯度小于0.036时，渗流符合达西定律，处于稳定渗流阶段，当水力梯度继续增大时，渗流速度明显变快，说明土体结构发生变化，处于渗流破坏阶段。

图4 顺渗流方向管袋组合体流速与水力梯度关系

由图4可知，3种上覆压力下，稳定渗流阶段的渗透系数比较接近，为1cm/s。管袋组合体综合渗透系数较大，为高渗透性。实验过程中，当渗透压力继续增加时，上游测压管水头变化不明显，堤基抛填砂在管袋坝袋间接缝处极易发生接触冲刷破坏，故此种管袋组合体布置方式不能满足工程要求。

2.2 垂直渗流方向填筑方式

上覆压力为0.05，0.1，0.2，0.3MPa，图5给出了管袋组合体渗流流速与水力梯度之间的关系。

图5 垂直渗流方向管袋组合体流速与水力梯度关系

由图5可知，管袋组合体的水力梯度与渗流速度具有很好的线性关系，直线拟合的相关系数均在0.98以上，结果符合达西定律，与前一次的实验结果相对而言，能够反映真实的管袋组合体综合渗透系数，实验结果比较理想，通过拟和直线可以看出，管袋组合体在4种上覆压力作用下的渗透系数分别为0.0466，0.0348，0.0245，0.0199cm/s。

将上述不同上覆压力作用下管袋渗流模型实验结果进行整理可以获得管袋组合体综合等效渗透系数与上覆压应力之间的关系，如图6。

图6 综合等效渗透系数与上覆压力拟合曲线

从图6中可以看出，上覆压力0.05MPa时管袋组合体的渗透系数0.0466cm/s，上覆压力0.3MPa时渗透系数0.0199cm/s，前者是后者的2倍，水力梯度到达0.6仍然没有发生渗透破坏，可见不同上覆压力作用下管袋组合体综合等效渗透系数不同。

在不同上覆压力作用下，曲线的斜率随着上覆压力的增大而逐渐减小，即试样的渗透系数随着上覆压力的增大而减小，最后趋于平缓。

将图6中综合渗透系数与上覆压应力进行对数函数拟合，可以得到：管袋组合体综合渗透系数与上覆压力基本呈对数关系，本经验公式适用于上覆压力0.05～0.3MPa。拟合相关系数0.995，拟合出的经验公式为：

式中k为管袋组合体综合渗透系数（cm/s）；P为上覆压应力（MPa）。

拟合结果能较好地说明管袋组合体在渗流—应力耦合作用下的渗透梯度与渗流流速关系。上覆压应力对管袋组合体的综合渗透系数影响较大。

通过对两种不同布置管袋组合体进行试验分析，垂直渗流方向管袋组合体渗透系数明显小于顺渗流方向管袋组合体的渗透系数，顺渗流方向布置承受的水力梯度较小，容易出现渗透破坏，而垂直渗流方向布置承受的水力梯度较大，不容易出现渗透破坏。两种布置造成明显区别是由于顺渗流方向布置下管袋与管袋之间形成较大缝隙，缝隙从上游贯穿到下游，这种缝隙是连贯的，导致水流大部分从缝隙中流出，而且水流出的过程中，会把袋中的细小颗粒带入缝隙中，未经过管袋体，故不能反映真实的管袋组合体综合渗透系数，同时，管袋组合体与地基抛填砂接触冲刷也较为严重。而垂直渗流方向布置下，虽然袋与袋之间有缝隙，但是这种缝隙不是顺渗流方向的，当细小颗粒被带入缝隙中，颗粒在流动中会被管袋体阻挡。