土石结合部接触冲刷渗透破坏特性试验研究

李 娜，汪自力，赵寿刚，高玉琴，常芳芳，康延铭

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南郑州450003；3.郑州地铁集团有限公司，河南郑州450000）

土石结合部的渗流安全是保证涵闸及堤防安全的重要条件之一。穿堤涵闸土石结合部因其特殊的结构形式或在施工过程中回填土质量差、辗压不实等原因，加之在闸体不均匀沉降作用下产生裂隙或脱空缺陷，以致在长期渗流作用下造成局部淘刷脱空，进而发生堤防涵闸土石结合部的接触冲刷渗透破坏，引起堤防溃决。由于这种渗透破坏初始阶段大都隐藏在堤防内部，事先难以察觉，一经发现险情，则会迅速导致工程破坏，难以补救，因此土石结合部的渗透破坏具有隐蔽性、突发性和灾难性的特点。从国内外类似工程事故的统计分析来看，因渗透破坏发生事故的土石坝占总数的30%～40%，其中接触冲刷破坏占很大的比例，可见接触冲刷问题值得深入研究[1-3]。

目前接触冲刷的研究一般采用室内试验方式进行，针对不同的工程背景，开展了相关研究工作。例如河南水利科学研究所开展了土坝心墙与基岩接触冲刷试验[4]、黎国凡对湖北省温峡口石渣组合坝开展了黏土心墙与岩基的接触冲刷试验[5]、刘杰等开展了土的渗流接触冲刷抗渗强度试验[6]、詹美礼等开展了接触面法向作用力对心墙与基岩的接触冲刷室内试验[7]。上述试验针对土质防渗体与基岩接触带的渗流接触冲刷问题，研究了基岩裂隙不同开度情况下不同土体的接触冲刷特性，取得了可供工程参考的结论，但针对土体与穿堤建筑物之间接触冲刷的研究相对较少，尤其是人们对于土石结合部接触冲刷渗透破坏发展变化过程大多止于宏观认识上，研究并不深入。已有研究成果表明，接触冲刷渗透破坏与土体性质、土体密度、接触面状态等因素密切相关[1-3，8-10]，穿堤建筑物与堤防土石结合部接触冲刷渗透破坏相关问题有待更深入系统的研究。笔者针对黄河堤防土体特性及接触面结构特点，利用自行设计的接触冲刷试验装置，研究接触冲刷发生、发展变化过程，分析土体性质、接触面缺陷及水力比降等因素的影响。

1 试验仪器与试验方法

1.1 试验装置

由于堤防涵闸土石接合部的接触冲刷现场试验难度比较大，因此根据实际工程现场情况、水力相似条件及接触带局部受力较为均匀的特点，模拟侧墙与两侧填土间存在裂隙情况下的接触冲刷破坏。由于水闸侧墙多为长方体结构，因此接触冲刷试验装置设计为箱式结构，如图1所示。为便于观察试验现象，箱体用厚8 mm有机玻璃，内径尺寸为150 mm×200 mm×200 mm。接触冲刷试验装置上下边缘为厚20 mm钢板，钢板与有机玻璃箱体之间设置厚12 mm硅胶防水圈，顶杆用于紧固有机玻璃箱体和上下边缘，在紧固螺栓和顶杆作用下钢板与有机玻璃箱体之间密闭防水。为使上游水流均匀平稳，底部设有孔径1.5 mm的带孔金属透水板。另外，试验时的供水设备包括吊桶和提升架，吊桶上接有溢水管道，可通过调节提升架高度，为试样提供不同的稳定有压水头。

图1 接触冲刷试验装置

1.2 试验方法及过程

1.2.1 试样制备

试验前，严格按照《土工试验规程》（SL 237—1999）进行土样配制，将试验用土风干后，用木锤击碎，过筛备用。以最优含水率和最大干密度为控制指标，分次拌和。将土样平铺在托盘内，用喷雾器喷洒加水，分次拌和均匀后放置到玻璃缸内静置24 h备用，以使水分均匀分布在土料中。进行填装时，首先将图1（a）所示试验装置竖直放置，在试验装置底部放入透水钢板，使水流平稳均匀进入试样，而后在透水钢板上铺设一层土工布，防止细颗粒土料堵塞水孔。制样时，紧贴箱体观测面一侧垂直放置一不锈钢薄板作为隔板（隔板位置详见图1（a）），通过改变隔板的厚度来模拟接触面的裂隙大小（裂隙沿箱体一侧贯通），在隔板另一侧装入土样，箱体其余3面均匀涂抹一层膨润土护壁，以防水流沿边壁集中渗漏。每个试样分层夯实，共分4层装料，每层土样填筑高度均为50 mm，根据最优含水率、最大干密度、压实度、铺土高度及试样体积等计算出每层土体填筑质量（每层土体填筑质量根据裂隙宽度的不同而不同），表面平整后振捣压实，每层都压实到所要求的高度以保证试样压实度。每层填料时，尽量使土体颗粒分布均匀且层与层之间应进行剖毛处理（剖毛深度大致为1～2 cm）。击实时，击锤要分布均匀，且试样与装置边壁接触的周边一定要击实。制样结束后试样表面保持平整，去掉隔板即完成裂隙试样的制备。

1.2.2 试验方法

试样制备完成后将试验装置按图1（a）所示放置并开始试验。试验模拟工程水位骤升时的最不利工况，试样不预先饱和。将上游水头调整至预设高度，检查进水口是否堵塞，打开进水阀门，并检查装置周边是否渗水。施加初始水头后，观察试样与仪器接触带土体随水头施加时间的变化，并记录土体变化过程，利用上下水头差和渗径，计算上下游水力比降J（为方便计算，暂不考虑渗径的沿程变化，L近似为试样水平向距离，H为上游水位与试样进口位置高度差，计算公式仍为J=H/L）。观察并记录主要试验现象，分别记录试样破坏后每120 s内的冲刷量（共记录5次），5次冲刷结束后停止试验。试验过程中收集渗透破坏初始析出土体颗粒，烘干后进行颗分，并与原始土体进行比较。

2 试验用土料与试验方案

2.1 试验用土料

黄河下游堤防工程经过不同时期从临背河取土逐渐修筑而成，筑堤土质较为复杂。黄河堤防堤身代表性土体黏粒含量介于15%～30%的占多数，少数黏粒含量为10%左右[11]。结合调研分析结果及试验的特点，选取黏粒含量分别为4.6%、12.3%和22.6%左右的无黏性土和黏性土作为试验用土。土体物理力学性能指标见表1。

表1 试验用土物理力学性能指标及定名

2.2 试验方案

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013），黏性土土堤的填筑标准压实度不应小于0.95，本次土体试样压实度为0.95，3种土体试样最优含水率分别为15.5%、15.8%和13.7%，最大干密度分别为1.81、1.69、1.72 g/cm3。 接触面裂隙宽度按 0.3、0.6、1.0、2.7、6.0、9.0 mm考虑。具体试验内容主要有两方面，一是分析接触面存在裂隙时，水力比降对接触冲刷渗透破坏的影响；二是分析相同水力比降作用下，裂隙宽度对接触冲刷渗透破坏的影响。每种土体试验方案见表2。

表2 接触冲刷试验方案

3 接触冲刷的发生发展过程

接触面存在裂隙时引起的渗透破坏现象较为明显，不同土体试样的破坏过程相对明了，基本上各土体试样均以出浑水为主要破坏特征（土与裂隙接触处有泥或浑水不断流出，即认为试样破坏，从施加水头到试样破坏的时间称为破坏时间）。在水力比降一定的情况下，刚开始时接触面缺陷裂隙变化并不明显，但在水流持续冲刷作用下，接触面底部裂隙逐渐横向发展，试样底部与仪器接触面发生强力冲刷并形成突破口，且有土体颗粒持续带出，试样逐渐被侵蚀。

试样破坏状态与裂隙宽度、水力比降及土体性质等有关，但并不完全一致，水力比降较小时，主要表现为：裂隙宽度较大时（大于0.6 mm），底部快速润湿后，从接触面底部流出浑水，并从底部冲刷；裂隙宽度较小时，施加水压较短时间后，主要是从试样底部开始向上部润湿，然后有浑水从裂隙底部不断流出，此时接触面并未完全润湿，但继而快速由进水侧向上部润湿，由下到上、由进水底部到上部，形成不规则的马蹄面。基本上，底部缝长发展至试样总宽的1/5～1/4时便不再发展。试样出口接触带底部，沿裂隙层面形成一条贯穿的强渗流通道，并沿横向背向裂隙方向扩展，通道上的土体颗粒已全部流失，渗流通道位置基本一致。

各试验条件下，刚性玻璃与试样接触面裂隙之间最终形成一条弯曲状的强渗流通道，接触面土体在水流作用下持续流失，裂隙的存在导致接触面土体颗粒间的黏聚力降低。造成这一结果的原因，初步分析有以下两方面：一是在试样制备时，用隔板来模拟裂隙的大小，制样后再抽出隔板。隔板抽出时会在某种程度上对裂隙面土体产生轻微的扰动，虽然从试样整体来讲，这种扰动产生的影响甚微，但对于钢板接触面土体来说，可能破坏了颗粒间的原始黏性及原始排列等，造成其固有黏聚力降低；二是上游有压水流的持续作用使接触面土体优先发生变化，土体含水量增加，致使黏土粒结合水膜变厚，从而降低其黏聚力。随着水流的持续冲刷，裂缝不断横向发展并扩大，而刚性玻璃板的变形协调能力较差，底部非裂隙带土体的局部塌陷使其与玻璃板之间也形成了裂隙，土样在水流的作用下持续侵蚀，土样底部与玻璃盖板间的裂隙变得越来越大，导致裂隙中流量变大，流速较快，冲刷作用更加明显。其渗流通道的发展与接触带土体的破坏这两个过程相互作用，相互影响。

4 试验结果分析与对比

4.1 各因素随时间的变化规律

水力比降、裂隙宽度与接触冲刷破坏时间的关系分别如图2、图3所示，可知，在裂隙开度一定情况下，水力比降越大，其抗冲性越弱，但水力比降较高时（大于10），土体性质的影响并不太明显，其破坏时间较为接近，土体性质不再有明显作用；相同水力比降作用下，总体来说，黏粒含量较大的土体抗冲刷能力较强，但在裂隙开度大于2.7 mm时，各黏粒含量土体的抗冲刷破坏时间接近，开度也不再有明显作用，对土体接触冲刷渗透破坏起主要作用的是土体本身的水化崩解能力及崩解后团粒粒径的大小。这一研究成果与早前刘杰等[6]的研究成果较为接近。

4.2 冲刷量随时间变化规律

图2 试样破坏时间与水力比降的关系（b=0.3 mm）

图3 试样破坏时间与裂隙宽度的关系（J=2.5）

借鉴含沙量的表达方法，本文所述冲刷量指浑水中含有泥沙的多少。将盛水容器放在模型下游处的地面上，用来盛接冲刷后流经下游的水和冲刷出的土体颗粒，每120 s更换盛水容器，然后将盛有水和泥沙的容器静置，直至土体颗粒沉降到容器底部致使水土分离，则单位时间内的含沙量ρt公式可表达为

式中：ρt为水样单位时间含沙量，g/m3/s；Ws为水样中的干沙重量，g/kg；V为水样体积，m3；t为冲刷的时间，s。

由于篇幅所限，本文仅对单位时间冲刷量的平均值进行分析。

4.2.1 水力比降对冲刷量的影响

从图4试验结果来看，相同试验条件下，水力比降越小，则冲刷一定时间后的冲刷量越大，且冲刷量与水力比降呈非线性递减关系，并无流量突增现象。不同性质土体冲刷量随水力比降的变化大致相同，随水力比降的增大而减少，当水力比降大于10时，冲刷量并无明显变化且越来越接近。

图4 冲刷量随水力比降的变化规律（b=0.3 mm）

4.2.2 裂隙宽度对冲刷量的影响

图5给出了冲刷量随裂隙宽度的变化情况。不同性质土体的表现较为一致，冲刷量随裂隙宽度的变化表现为非线性的递减关系。接触带裂隙越小，流速相对越大，土体对预留裂隙的挤占效果较为明显，土体颗粒也较易带出。在初始小裂隙，即裂隙宽度为0.3 mm和0.6 mm时，随着水流的冲刷，接触带土体不断被带出，裂隙破坏较为明显，而在裂隙宽度大于2.7 mm时，冲刷量基本无明显变化，裂隙宽度的变化对接触带冲刷无显著影响，这一结果与前述试验成果吻合。

图5 冲刷量随裂隙宽度的变化规律（J=2.5）

4.2.3 土体性质对冲刷量的影响

在水力比降一定的情况下，较小裂隙宽度时，不同黏粒含量土体冲刷量差别较为明显。裂隙宽度较小时，土体性质的影响较为明显，随着裂隙宽度的增加，土体性质的影响逐渐减弱。例如，裂隙宽度为0.3 mm时，3 类土体冲刷量分别为 0.13、0.31、0.40 g/m3/s；裂隙宽度为0.6 mm时，3类土体冲刷量分别为0.09、0.10、0.08 g/m3/s；当裂隙宽度大于2.7 mm时，土体性质不再具有显著影响。由试验结果可知，裂隙宽度一定时，黏粒含量越大，冲刷量也越大，且相差值随着水力比降的增大而增大。在水力比降分别为2.5、3.5、5.0、10.0、20.0时，黏粒含量为22.6%的C类土体冲刷量分别是黏粒含量为4.6%的 A类土体的3.0、2.1、2.3、2.8、5.5 倍，是 B 类土体的 1.3、1.7、3.3、3.7、3.2倍。

一般认为，土体抗冲刷能力与填土的性质关系密切，如果土体具有壤土或黏土的性质，则在一定干密度下对裂隙渗流将具有较高的抗冲刷能力，土体黏性越大，抗冲刷能力越强。但本次试验结果表明，在接触带存在裂隙情况下，黏粒含量较大土体反而较黏粒含量较小土体的冲刷量大。初步分析可知，接触带黏性土体未经历细颗粒在骨架颗粒孔隙间的迁移和析出过程，而是直接在水流作用下冲出。黏粒含量越多，固体组分的颗粒越密集，颗粒之间结合就越紧密，其相互作用的机会越多，相互作用也越强。由于黏粒含量较多的土体在工程特性方面主要表现为细颗粒之间具有一定的黏聚力，也就决定了黏土团粒间的相互作用小于黏土颗粒之间的作用力，发生接触冲刷时被渗透水流冲出的是黏土颗粒团而非单个黏土颗粒，因此本试验表现出黏粒含量大土体较黏粒含量小土体的冲刷量大。但鉴于黏性土体接触冲刷机理的复杂性和试验条件的局限性，黏性颗粒团的启动、流失等微观现象还有待进一步研究。冲刷量虽在一定程度上反映了土体颗粒的流失，但并不能动态表示其连续的变化过程，冲刷量随时间的变化也有一定的离散性，尚需更多的试验资料和更科学的试验方法论证研究。

已有研究成果表明，在出口反滤作用下，水库蓄水后土质防渗体与岩面之间的缝隙如果不出现渗流冲刷将会自行消失，即具有一定的自愈性[1]。这是因为土体遇水后有湿化崩解的特性，若防渗体与岩基表面之间有水平向的缝隙，缝面遇水后如果水压力较小，土体将湿化崩解，并在重力作用下向下塌落，最后缝隙愈合。由于缝隙一般都很小，塌落后在岩面形成一层薄的松软土层，这一松软土层在上部土体重力作用下将会得到压密而具有一定的密实度，因此仍具有一定的接触冲刷强度。但本文考虑的是下游临空的最不利情况，初步实现了土石结合部局部接触冲刷破坏的模拟，未考虑出口反滤的影响。从试验现象看，裂隙的存在使接触面均出现了接触冲刷渗透破坏，从表观现象上看并未发现软土层及裂缝愈合情况，且随着冲刷时间的推移，底部土体也未在荷重之下得到压密，而是持续流失。

5 结 论

（1）通过自行设计的试验装置，实现了穿堤建筑物与堤防土石结合部接触冲刷渗透破坏的室内模拟，研究了土石结合部裂隙情况下接触冲刷渗透破坏的试验现象及发生发展变化过程。

（2）分析了土体性质、水力比降、裂隙宽度等因素对破坏时间、冲刷量的影响规律。黏粒含量较大的土体抗冲刷能力较强，但随着裂隙宽度的增加，土体性质的影响逐渐减弱。冲刷量随裂隙宽度的增加而减小，当裂隙宽度大于2.7 mm时，各土体试样的冲刷破坏时间及冲刷量较为接近，开度不再具有明显作用。在相同试验条件下，水力比降越小，冲刷量越大。

（3）接触冲刷渗透破坏较为复杂，其影响因素较多，试验模拟较为困难。土石结合部接触冲刷渗透破坏影响因素的量化、出口反滤的影响及试验现象的微观描述等还有待进一步研究。