截渗墙缝隙自愈过程试验研究

2020-01-01姚广亮

水利规划与设计 2019年12期

杨云，姚广亮

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州 510635)

截排减压抗浮技术是实现地下结构抗浮的一种工程方法，采用截渗措施与排水措施结合，截渗措施减小周边土层水头降和减少坑内涌水量，主要工程措施有防渗墙、止水帷幕、钢板桩等；排水措施起排水减压作用，主要有减压井、排水廊道[1]等措施。工程中，由于槽段连接处冲刷、拱效应、不均匀沉降、水力劈裂等作用，截渗墙极易产生水平向或垂直向的非贯通性或贯通性缝隙[2]，工程事故调查发现，裂缝大小一般为15～25mm，最宽者达40mm[3]。通过数值分析发现，截渗墙缝隙大大降低了截渗墙的截渗效果，使地下结构抗浮设计水位提高，增加抗浮措施成本。在工程实践中发现，存在缝隙的截渗墙依旧发挥较好的截渗效果，考虑到基坑围护结构内外侧水力破降均足以驱动土层中部分颗粒运动，截渗墙缝隙可能存在自愈现象。鉴于理论分析方法探讨缝隙自愈现象存在困难，采用模型试验的方法进行探讨。

在缝隙自愈现象相关问题上，Sherard[4- 5]根据多年工程实践经验认为，在土石坝下游设计可靠的反滤体，防渗体中由不均匀沉降导致缝隙，不会遭受冲刷，土体可以自愈；刘杰等[6- 7]通过国内五个地区的典型粘性土缝隙后自愈机理与出口反滤料关系得出，只要缝隙中的渗流不连续冲刷缝壁，土体本身有自行愈合的能力；曹洪等[8]在对钢板桩围堰抗渗问题分析中得出，在抽水过程中砂层中的钢板桩逐渐自愈，初始渗透系数是最终的数百倍；郭爱国等[2]在粘土裂缝自愈试验研究中，将粘土及上下反滤层装填在圆桶型渗透仪中，试验中逐级施加水头，裂缝逐渐愈合；Eigenbord[9]对反复冻融作用下引起土体裂缝愈合的原因进行归纳，主要有有效应力增大、土粒在裂缝内沉积作用、土粒膨胀三个方面引起；Reddi和Kakuturu[10]从土石坝心墙料和反滤料的颗粒级配角度分析了裂缝愈合现象发生的机理和条件，得出裂缝自愈合是由于流动土粒再沉积引起的；丛日新等[11]对砾质土心墙裂缝自愈进行试验，对水平贯穿性裂缝的自愈过程进行深入研究发现该过程为裂缝形成—愈合—再次形成过程不断重复，直到出现上下游贯穿性破坏。

上述学者对缝隙自愈研究均集中在高水头差、大水力坡降作用下，粘性土、砂土中均存在缝隙自愈现象。在地下结构中，围护结构内外侧水头差相对较小，缝隙是否存在自愈现象需进一步探讨。若截渗墙缝隙能够自愈，则截渗墙可以长久稳定的发挥截渗作用，截排减压抗浮技术在地下工程中的应用将得到进一步的推广。

1 试验模型设计

将地下结构中的截渗墙作为研究对象，从三维条件角度设计模型试验，在截渗墙中预留缝隙，使上游水流通过缝隙向下流渗透，通过控制水头条件，观察试验现象，量测各测点水头值与渗流量。

模型试验采用砂槽模型，试验装置包括：可变水头供水装置、砂槽模型箱、量测装置等组成，模型示意图与实物图如图1所示。

图1 砂槽模型示意图

砂槽模型分为上游水箱、下游水箱、砂槽、覆盖层组成，以10mm厚有机玻璃板为边壁，通过角钢加固。用有机玻璃板模拟截渗墙，在中轴处竖向开孔模拟缝隙，开孔尺寸为宽10mm、高100mm、厚10mm，且上下两端进行打磨成椭圆状，垂直安置在砂槽中，通过有机玻璃胶粘结玻璃条止水与固定。砂槽下游与下游水箱相接处在底部开孔，高度为100mm，孔前蒙上一层10目的钢丝网，对砂颗粒起保护作用。试验过程中，下游水箱水位高度始终高于砂面高度，且保持不变；上游水箱与供水装置相连，通过升降上游供水箱改变水头，对砂槽进行加压与卸压。覆盖层模拟采用柔性覆盖层，用厚度为0.05mm的2sPE薄膜折叠成一个顶部开敞的长方体，再用玻璃胶把置于顶板的有机玻璃板封住形成一个封闭的覆盖层，通过橡胶管，使覆盖面与上游稳水箱和测压管相连，使覆盖层水压始终大于砂槽中水压力。

砂槽测压管布置图2所示，1#、50#测压管分别上、下游水箱相连，2#测压管安置在砂槽进口处，其余测压管均位于砂槽边壁一侧，且端部伸入中轴面处。

图2 测压管布置示意图

试验中，水流从上游水箱进入砂槽，通过缝隙向下游运动，从出口进入下游水箱，在下游水箱液面通过PVC管流过，缝隙断面流量与PVC管流量一致，量测流量数值上等于砂槽各过水断面流量。

图3 试验砂样级配曲线

试验采用天然砂，砂样级配曲线如图3所示，砂样1为不均匀砂，砂样2为均匀砂。按照中国水利水电科学研究院无粘性土渗透破坏形式判别方法，砂样1为管涌型砂，砂样2为流土型砂。砂样级配指标见表1，砂样1中Cu=30，Cc=1.452；砂样2中Cu=3.7；Cc=1.081。

表1 砂样级配指标

2 试验过程与现象

在系列试验中，取得较好效果试验6组，其中采用砂样1有4组，为1#、2#、3#、4#试验，称为不均匀砂试验。采用砂样2的为5#、6#试验，称为均匀砂试验。各组试验加压过程如图4所示。1#、2#、3#、6#试验采用加压-稳定-加压方式，在提升一级水头差后，保持较长时间，隔30min读取数值一次，至实验现象变化规律稳定后，再提高水头差，直至试验最高水头差，该方式能够直接反映相同水力条件下流量的时间效应。4#试验同样为加压-稳定-加压方式，但总水头差升高至一定值后，按加压轨迹进行卸压，此试验直接体现不均匀砂中相同水力条件下砂槽加压前后渗透性能的差异。5#试验为加压-卸压方式，每隔30min变化一次，反映了均匀砂试验砂槽加压前后渗透性能的变化。

图4 试验加压曲线图

试验过程中，砂槽进口边界、出口边界对水流、砂颗粒运动具有一定的阻滞作用，例如出口边界钢丝网太密，即可阻止砂颗粒向下游运动，造成砂槽渗透性能减弱的现象。在试验改造中，特别注意进出口边界及边壁效应对试验的影响，经过试验改造后，1#试验中下游出口边界附近各测点其测点等势比随总水头差变化，如图5所示，出口边界对试验影响可忽略不计。关于进口边界、边壁及覆盖层等因素对试验影响，周红星[12- 13]进行过相关试验研究，其对试验效果影响得到较好的改进。因此，试验中砂槽渗透性能的变化主要由砂颗粒在水压力作用下引起。

图5 1#试验出口边界测点等势比-总水头差曲线

试验过程中流量的变化能够在宏观上体现砂槽整体透水能力变化，在一定水头条件下，砂槽渗流符合达西定律，在同一级水头差阶段，砂槽模型水力条件保持稳定，流量的变化仅由砂槽颗粒内部运动引起。试验中在同一级水头差下持续加压时读取多组数据，各组试验流量随总水头差变化曲线如图6所示，在1#、2#、3#试验中，当△H<800时，同一级水头差下，流量随加压时间持续逐渐减小。4#试验加压过程中，同一级水头差下，流量随加压时间持续逐渐减小；卸压过程中，同一级水头差下，卸压时流量均小于加压时。5#试验中同一级水头差下，卸压时流量小于加压时。6#试验中，当△H<800mm时，流量随加压时间持续保持稳定。

图6 流量-总水头差曲线图

综合各组试验流量变化现象发现，试验过程中，当在一定水头条件下，在同一级水头差阶段，流量随加压时间持续而逐渐减小；砂槽经加压后，卸压过程中在相同水头差下流量比加压时小，在宏观上体现了截渗墙的自愈，该现象也是在宏观上判定截渗墙自愈的标准。

3 试验分析

流量变化规律仅在宏观上体现了截渗墙的自愈，未能反映引起截渗墙自愈的区域。在同一级水头差下，流量逐渐减小，透水能力逐渐减弱，截渗墙逐渐自愈，但作用在砂槽模型中水力条件并未改变，因此引起截渗墙自愈的主要因素是砂颗粒的内部运动。砂槽中各个部位砂颗粒的运动存在差异，同时也存在一定的联系，为方便对各部位进行综合分析，需对砂槽进行分区，通过各区域参数变化推测砂颗粒的整体运动规律，根据试验结果等势线分布与砂槽渗流数值模拟结果，砂槽分区如图7所示。

图7 砂槽分区示意图

试验发现，1#、2#、3#、4#试验与5#、6#试验流量变化规律存在明显差异，即砂类型差异对试验效果存在影响，需进行分类对比分析。

3.1 渗透性能分析

砂槽中渗流符合达西定律：

(1)

式中，Q—过水断面流量；△H—砂槽总水头差；K—砂槽整体等效渗透系数。

图8 各组试验Q/△H-△H曲线图

试验中Q/△H与渗透系数K成正比，比例系数为A/△L，Q/△H-总水头差△H的关系曲线可反映砂槽整体透水能力的变化。各组试验Q/△H-△H曲线如图8所示，在1#、2#、3#试验(不均匀砂试验)中，当△H≤800mm时，Q/△H随△H增大逐渐减小，而△H≥800mm时，Q/△H随△H逐渐增大，但Q/△H均小于初始值；4#试验加压过程中Q/△H变化与不均匀砂试验一致，卸压过程中Q/△H始终小于加压时且保持稳定。5#、6#试验(均匀砂试验)加压过程中Q/△H有所减小，但变化幅度有限，卸压过程中Q/△H保持稳定。

砂槽缝隙区域过水断面A=10cm2、渗径△L=1cm，缝隙水头差为两端测点C12、C13与C14、C15水头均值之差，因此缝隙区域渗透系数可计算得出。各组试验缝隙渗透系数-△H曲线如图9所示，1#、2#、3#试验(不均匀砂试验)在△H≤800mm时，缝隙渗透系数k减小，在△H≥800mm时，缝隙渗透系数k增大，且k始终小于初始时，其变化规律与Q/△H基本一致；4#试验在卸压时，k所有增大，为缝隙区域啥颗粒卸压中反弹引起；6#试验(均匀砂试验)缝隙渗透系数k随总水头差增大保持稳定。

图9 各组试验缝隙渗透系数-△H曲线图

从渗透性能分析发现，当△H≤800mm时，不均匀砂中砂颗粒整体渗透能力、缝隙渗透系数随总水头差增大逐渐减小，而均匀砂中保持稳定。

3.2 区域等势比分析

区域等势比即区域水头差△h与总水头差△H的比值，用φ表示，即：

(2)

式中，hi、hj—区域上下游水头值。

区域等势比反映了该区域阻水能力的变化，区域等势比增大，则该区域阻水能力增强；区域等势比减小，有可能是该区域阻水能力减弱引起，也可能由于其他区域阻水能力增强引起，需对各区域进行综合分析。试验中某区域阻水能力增强，即表示该区域砂颗粒富集，反之，则出现砂颗粒流失。通过对各区域等势比综合分析，结合砂颗粒的运动规律，推测砂颗粒的运动规律。

1#、2#、3#试验(不均匀砂试验)区域等势比-总水头差△H变化如图10所示，各组试验各区域等势比变化规律一致。

当△H≤400mm时，随总水头差增大，上游区域等势比减小，缝隙区域等势比增大，其他区域等势比均保持稳定。上游区域等势比减小的原因可能有：①上游区域细小颗粒向下游运动，该区域阻水能力减弱；②缝隙区域等势比增大，从而导致上游区域等势比减小，上游区域砂颗粒保持稳定。上游区域等势比、Q/△H在△H≤400mm时增幅相比总变幅均较小，因此上游区域等势比减小由上述两个因素共同引起。

当400mm≤△H≤800mm时，随总水头差增大，上游区域等势比减小，缝隙、缝后区等势比增大，下游其他区域等势比减小，Q/△H变化显著，则上游区域细颗粒逐渐富集在缝隙、缝后区域，而下游区域等势比下降由缝隙及缝后区等势比增大导致。

当△H≥800mm时，随总水头差增大，上游区域等势比保持稳定，缝隙区域等势比减小，缝后区域等势比增大，下游其他区域等势比增大，Q/△H增大。上游区域细颗粒运动减小，砂颗粒保持稳定，缝隙区域的细颗粒大量向缝后区运动，淤积在缝后区，下游其他区域砂颗粒保持稳定，而缝隙区域等势比减小使下游区域等势比增大。

综合不均匀砂试验分析得出，截渗墙缝隙自愈的原因是：上游区域运动而来的细小颗粒富集在缝隙、缝后区域，使砂颗粒整体透水能力减弱，从而实现截渗墙的自愈。

5#、6#试验(均匀砂试验)区域等势比-总水头差△H变化如图11所示，两组试验各区域等势比变化基本一致。在加压过程中，当△H≤800mm时，随总水头差增大，上游区域等势比逐渐减小，缝隙区域等势比逐渐增大，其余区域等势比均保持稳定；当△H≥800mm时，各区域等势比均保持稳定。卸压过程中，随总水头差逐渐减小，各区域等势比保持稳定。其中需指出，5#试验缝隙区域等势比大于6#试验，原因是6#试验中将缝隙尺寸由10mm×100mm改造为30mm×120mm引起。

根据各区域等势比随总水头差变化规律，结合试验中流量及透水能力变化，对均匀砂试验中砂颗粒运动得出以下结论：

(1)试验中砂颗粒运动主要集中在截渗墙上游区域，并逐渐富集在缝隙区域，但必须指出，试验中细颗粒的运动规模较小。

(2)截渗墙下游区域细颗粒运动较少，但在水力作用下砂颗粒整体被压实。

综合各组试验分析得出，在△H≤800mm时，在不均匀砂中截渗墙缝隙能够自愈，均匀砂中砂颗粒整体渗透能力减弱。当△H≥800mm时，截渗墙缝隙自愈现象均减弱，缝隙在水力作用下朝不利于防渗的方向发展。试验分析得出△H=800mm是缝隙自愈的临界水头差，关于△H≥800mm后缝隙自愈减弱问题本文不做深入分析。

3.3 试验现象内在联系分析

不均匀砂试验与均匀砂试验的试验现象差异的缘由是采用的砂类型不同，其中主要差异在于细颗粒的含量不同，不均匀砂与均匀砂其各自不同粒径百分数见表2，其中不均匀砂中，d<0.075粒径占4.235%，均匀砂中占1.312%，含量比值(不均匀砂/均匀砂)为3.23；不均匀砂中，0.075≤d<0.1占18.938%，均匀砂中占10.249%，含量比值(不均匀砂/均匀砂)为1.85，因此不均匀砂中细颗粒含量远大于均匀砂中。

表2 不同类型砂各粒径分计筛余百分数

图11 5#、6#试验(均匀砂试验)区域等势比-△H曲线图

细颗粒含量越多，水力条件足以驱动细颗粒运动时，上游区域细颗粒向下游运动的规模越大，数量越多。由于颗粒运动的空间限制，细颗粒必先填充堵塞在缝隙中，当缝隙区域中颗粒积累到一定数量后，细颗粒才向下游运动，逐渐停留淤积在缝后区域。砂土中细颗粒含量越多，截渗墙缝隙及缝后区域富集的细颗粒越多，范围越大，颗粒间越加密实，从而渗透系数越小，截渗墙自愈越加明显。

3.4 自愈临界水力条件分析

截渗墙缝隙自愈是由于截渗墙上游区域细颗粒向下游运动，停留淤积在缝隙、缝后区域引起的，则自愈临界水力条件包括起始临界条件和终止临界条件。起始临界条件即足以驱使上游区域砂颗粒起动的水力坡降，限于试验量测技术及观察条件，试验中难以取得该值，但试验中发现，当水力条件小于终止临界条件时，砂颗粒均向有利于缝隙自愈的方向发展，因此本文可不考虑初始临界条件。

图12 1#、2#、3#、6#试验砂槽水头线

终止临界条件即自愈现象开始减弱时的临界水力条件，试验中为△H=800mm，1#、2#、3#、6#试验中分别为△H=982mm、△H=943mm、△H=823mm、△H=890mm为临界水头值。各组试验临界水头线如图12所示，临界水力坡降如图13所示，其中缝隙区域平均水力坡降为J=20.26，缝前区域平均水力坡降J=1.05，缝后区域平均水力坡降J=2.08。假设截渗墙厚度为B，基坑开挖地下水影响半径为R，截渗墙与构筑物间距为b，则地下水渗流总水头损失L=20.26B+1.05R+2.08b，若基坑开挖深度为H，开挖过程中最大水头差为H，且HH恒成立，即基坑开挖中水力坡降始终达不到临界水力坡降。

图13 1#、2#、3#、6#试验水力坡降曲线图

4 工程应用中需考虑的问题

在新建地下工程中采用截排减压抗浮技术时，应在勘察设计中掌握构筑物地块及周边的地质条件、地下水赋存状态和流态，在基坑范围内进行抽水试验，钻孔取样测试土层渗透系数，通过区域渗流计算方法和有限元计算软件评估基坑内水位降至预期高程时基坑涌水量及引起的周边环境沉降。当沉降量在法规允许范围内，且基坑涌水量较小时，可仅使用排水措施进行减压抗浮。若沉降量或基坑涌水量较大，需在地下结构周边设置截渗墙。截渗墙分为专用永久结构和临时结构再利用两种，专用永久结构即新建一道专门用来截渗的结构，例如地下连续墙；临时结构再利用即基坑围护结构回填后或补强后依旧起防渗作用，可视为截渗墙。截渗墙建设完成后，采用物探方法、自然电位法或其他方法检测截渗墙的截渗效果，若存在漏水，应进行加固补强。排水措施布置分为地下结构内部与外部，内部可以采用减压井、盲沟等；外部可以采用排水廊道等。截渗墙与排水措施建设完成后，在地下结构内部、外侧安装地下水位、沉降观测装置，定期观测地下水位与沉降变化。因此，在新建工程中，质量良好的截渗墙与畅通的排水措施结合，才能有效的实现抗浮。

工程中截渗墙缝隙周边的水力坡降小于临界水力坡降，水力条件满足缝隙自愈的要求，但截渗墙与构筑物之间必须进行回填，若存在临空面，截渗墙缝隙将发生渗透坡降。