经向拉伸对W100编织布覆砂系统渗透特性的影响

2022-06-25满晓磊陈志文鲍永健吴英杰钱梦娇

黑龙江工程学院学报 2022年3期

肖豪，满晓磊，陈志文，鲍永健，吴英杰，钱梦娇

(滁州学院土木与建筑工程学院，安徽滁州 239000)

充填管袋筑坝技术作为一种新型绿色水利工程，具备就地取材、适应能力对软基较好、施工基本不易受潮位和降雨影响等优点[1]，在我国水利水运、海岸工程等大型基础设施建设中发挥了重要作用[2-3]。充填管袋筑坝技术是先用扁层状管袋堆叠成围堰，再在围堰内吹填砂质土形成挡水堤坝的技术[4]。管袋坝是具有挡水功能的管状结构，其断面结构如图1所示。

图1 管袋坝断面

对管袋坝安全性能评价主要考虑其渗透性能、保土性能和防淤堵性能[5-6]。在施工中土工织物的挤压变形会影响系统的渗透性能[7-8]。吴海民等[9]通过正交试验研究了织物孔径和颗粒级配对管袋渗透性能的影响规律。段国军等[10]研究发现孔径比过大会破坏反滤拱结构，导致保土性下降。Lee等[11]研究发现PP土工布有较好的稳定性。唐正涛[12]通过淤堵试验提出了改善无纺布防淤堵的措施。常广品等[13]通过高效排水试验发现不同粒径土颗粒沉淀分层现象。李伟等[14]研究模型孔隙率变化的敏感性，提出了土工织物反滤作用机理。周波等[15]通过试验得出水力梯度对土-无纺织物系统的反滤性能的影响规律。易进蓉等[16]通过梯度比试验得出不同水力梯度对渗透性能的影响规律。佘巍等[17]在试验中得出土工织物拉应变对土工织物淤堵程度的影响。徐超等[18]通过梯度比试验得出土工织物过滤黏土机制。王微等[19]通过土工织物淤堵试验研究得出各参数影响关系公式。朱积军等[20]对坝体散浸现象进行数值模拟，分析土工布散浸现象。

在充填管袋坝建造过程中，充填管袋会受充填材料的挤压而发生形变。周萍等[21]通过土工织物的拉伸试验得出土工合成材料在土间拉伸时土中法向应力的侧限作用会增强材料的拉伸割线模量。姜红等[22]对比分析土工织物垂直渗透试验方法，总结了对土工织物垂直渗透特性产生影响的因素。吴纲等[23]通过渗透试验得出有纺土工织物会抑制土体渗流能力。唐琳等[24]通过常水头渗透试验得出单向拉伸对土工织物反滤性能的影响规律。陈轮等[25]对比研究了不同厚度的土工织物拉应变对土工织物与非连续级配土组成反滤系统的梯度比、渗透系数、漏砂量的影响，得出随着土工织物拉应变的增加，淤堵程度加重，渗透系数逐渐减小。

土工织物编织工艺导致其经纬丝变形程度不同。雷国辉等[26]在土工织物双向拉伸渗透试验时发现土工织物经向的抗拉变形能力要强于纬向的抗拉变形能力。Man等[27]在充填管袋有压冲灌试验中发现经纬向拉伸对土工织物渗透系数的影响。目前，国内外对土工织物研究试验仅停留在单向拉伸和双向拉伸与充填料耦合的研究阶段，但并未区分土工织物沿经纬向拉伸对土工织物覆砂系统渗透性能的影响，需要进一步研究土工织物在经纬向不同拉伸状态下对其渗透特性的影响。文中主要针对经向拉伸对土工织物覆砂系统渗透特性的影响开展试验研究，采用梯度比渗透仪分别对拉应变为0%、3%、6%、9%的土工织物覆砂系统进行渗透试验，测定并计算不同拉伸状态下土工织物覆砂系统的渗透压力、渗流流速、漏砂量以及渗透系数和梯度比等渗透特性参数，最终分析经向拉伸对土工织物覆砂系统透水性能、防淤堵性能和保土性能等渗透特性的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料及装置

本试验利用梯度比渗透仪对土工织物覆砂系统进行单向拉伸状态下渗透特性的试验研究。如图2所示为自主研发的可提供单向水流的渗透试验装置，试验装置上部设置一个固定水箱以提供常水头水力条件。梯度比渗透仪进水口连接上部固定蓄水箱，以保证进行常水头试验。中间筒体内径D为150 mm，高H为150 mm，底部筒体内径D为150 mm，高H为70 mm。中间筒体与底部筒体使用法兰盘连接，并用于固定受单向拉伸后的土工织物。中间筒体下端和底部筒体上端都粘有发泡胶带，在使用螺丝固定受拉土工织物时，可以与土工织物密切接触，并保证仪器不会出现渗水和进气现象，使得试验结果更加准确。土工织物上方土样高100 mm，并保证系统水力梯度i=5.0。在中间筒体侧壁共设置4个测压管，用于测量并计算各渗透特性参数。底部筒体的侧壁开有出水口，可测量出水量。同时在底部筒体收集通过土工织物的砂粒，记为漏砂量。

图2 梯度比渗透仪装置

级配良好的土体有着较好的反滤特性，不易凸显土工织物的反滤作用，并且实际施工现场所用填充土料大多为非连续级配的土体。因而，本试验选取非连续级配土测试受单向拉伸状态下的土工织物的渗透特性。试验所用标准砂粒径为小于0.075 mm的细砂、0.3～0.6 mm的中砂、0.6～1.0 mm的粗砂，颗粒分析结果见表1。

表1 Cc试样各粒径区间质量百分比

1.2 试验方法

针对经向拉伸W100编织布覆砂渗透特性影响先后采用无覆砂土工织物透水试验及土工织物覆砂系统渗透试验来研究不同拉应变下土工织物及土工织物覆砂系统的渗透特性。其中，土工织物覆砂系统渗透试验按照拉应变数值分为0%、3%、6%和9%共4组工况。

1.2.1 土工织物无覆砂透水试验

试验采用YG028GS型高温拉伸试验机以6 mm·min-1的速度分别将土工织物拉伸至应变为0%、3%、6%和9%。在无覆砂的条件下将拉伸后的土工织物固定到梯度比渗透仪的中筒与底筒之间，并用螺丝固定组合，用橡皮管连接中筒接水口，打开水箱阀门，缓慢调整水头高度，使水流满整个装置，以此来调节水流速度。在中筒一侧接上测压管，使装满水的渗透仪排除气泡，关闭出水口，用固定高度的水箱作为常水头接入进水口，将土工织物浸泡12 h，等待测压管中水的高度不再变化时，打开出水口，每隔30 min测一次出水量，并读取测压管中水头高度。

1.2.2 土工织物覆砂渗透试验

梯度比渗透仪分别与拉应变为0%、3%、6%和9%的土工织物组装，并将一定级配的标准砂装填于装置中。在装填的过程中轻轻地进行压实，然后将顶盖与中筒用螺丝连接，使用一定高度的水箱控制常水头，此后水头高度调整到与砂样高度相同，连接梯度渗透仪顶盖的进水口，打开阀门，使水箱中的水通过进水口流进整个装置，然后打开底筒的出水阀门，此时打开顶盖的进水阀门，将仪器中的空气排出，调整水箱高度使试验数据更加准确无误。在水流装满整个装备时，关闭顶盖的进水口和底筒的出水口，仪器两侧连接测压管，水箱调至合适高度，使水箱的水管连接顶盖的进水口，将砂料浸泡12 h。待测压管高度不再变化时，打开底筒的出水口，每隔30 min测出水量，并读取测压管水位高度。在试验结束后将底筒的漏砂取出并烘干，作为漏砂量。

2 试验结果与分析

2.1 拉应变对土工织物无覆砂下流速的影响

分析试验数据得到土工织物无覆砂流速随拉应变的变化如图3所示。由图3可知，对于无砂料装填的渗透试验，纯土工织物的流速随土工织物经向拉应变的递增呈现出先减后增的变化趋势。其中，拉应变在3%时该变化曲线达到极小值点，即纯土工织物的流速最低，说明土工织物此时的有效孔径最小，透水性能最差。

图3 流速与拉应变的关系

2.2 拉应变对土工织物覆砂系统保土性能影响

分析试验数据得到土工织物覆砂系统的漏砂量随拉应变变化曲线如图4所示。由图4可以看出，土工织物覆砂系统的漏砂量随经向拉应变呈先减后增的趋势，其中，拉应变在3%时该变化曲线达到极小值点，即土工织物覆砂系统的漏砂量最低，说明土工织物此时覆砂系统的保土性能最佳。

图4 漏砂量与拉应变的关系

2.3 拉应变对土工织物覆砂系统透水性能影响

分析试验数据得到土工织物覆砂系统的渗透速率随拉应变变化曲线和随时间变化曲线分别如图5、图6所示。由图5可知，土工织物覆砂系统的渗透速率随织物经向拉应变呈现先减后增的变化趋势，与纯土工织物下的流速变化趋势大体一致，但是较纯土工织物状态下的变化趋势略显平缓。其中，拉应变在3%时该变化曲线达到极小值点，即土工织物覆砂系统的渗透速率最低，说明此时土工织物覆砂系统的淤堵情况较为严重，其渗透性能较差。由图6可知，各工况的渗透速率在15 h后逐渐趋于稳定。

图5 渗透速率与拉应变的关系

图6 渗透速率与时间的关系

土工织物覆砂系统的渗透系数随拉应变变化曲线和随时间变化曲线分别如图7、图8所示。由图7可知，土工织物覆砂系统的渗透系数随着拉应变的增大呈现先减小后增大的趋势，但拉应变为9%时，渗透系数仍比未拉伸要小，拉应变为3%时接近最低值，说明土工织物此时覆砂系统的渗透能力最小。由图8可知，各工况的渗透系数在15 h后逐渐趋于稳定。