单向拉伸对土工织物覆砂在往复水流作用下渗透特性的影响

陈 云，徐童可，路承斌，葛 颖，王晗悦

(滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000)

充填管袋筑堤技术依靠其就地取材、工艺简单、工程成本较低、几乎不受潮位和雨水影响等特点被广泛应用于国内多数沿海地区的航线整顿、机场建设、抗洪救灾及水库堤坝建设等工程中.针对充填管袋的技术理论，国内外专家学者进行了各种研究，发现充填管袋围护是一种技艺先进、安全可靠的保护系统，且土工合成材料在吹填造地项目中能发挥很好的防渗反滤作用，尤其是土工织物在土石坝构造中，使用效果较好[1-5].

然而，充填管袋的渗透特性研究还不够深入，尤其是对其在筑堤技术工程应用中渗流安全的分析评价极为有限.研究充填管袋渗透特性，需要探究不同应力状态下充填料与管袋材料系统的渗透特性，并对比分析单向拉伸对其渗透特性的影响.国内外学者对土工织物的渗透特性进行理论研究的同时也进行了很多试验研究.如刘伟超等[6]在室内进行了土工管袋模具装填的实践，探究了土工织物材料形态、高矮、所受压力、出水速率等各项因素对其渗透性能的影响；姜红等[7]研究了编织物的垂直渗透特性，认为编织物孔隙散布不规律及其大小形态均存在差异，这致使达西定律无法全部使用于编织布的渗透性能，特别是对于缎造型编织物；李国栋等[8]对无纺土工织物和不同孔径的有纺织物进行梯度比试验，分析了其保土性、防淤堵性和透水性；周旋等[9]基于土工织物的类型、层数、淤堵类型等因素进行淤堵试验，探究了静水头下土工织物的淤堵规律.

国内外学者还对土工织物在覆土状态下的渗透特性也进行了试验研究.如吴纲等[10]通过配置颗粒级配不同砂料试样，采取独自研发的1 组多用途的渗透试验设备，探究了缎造型编织物与土联合作用的渗漏原理，得到了缎造型编织物对土的渗流产生了些微的抑止效果的结论；满晓磊等[11]对充填料含粉量对管袋脱水影响试验研究，探究不同级配下吊袋脱水量、土壤渗漏量及渗土级配跟时间的改变趋势，并分析装填料含粉量与脱水速率两者的联系；程醒等[12]通过梯度比试验得出了土工织物/赤泥系统的淤堵特性；魏松等[13]在考虑土样黏粒含量等因素下进行了渗透淤堵试验，探讨了淤堵机理.

除了考虑覆土对土工织物渗透特性的的影响，很多学者还对土工织物在拉伸状态下的渗透性能进行了研究.如唐琳等[14-15]利用垂直渗透仪进行了淤堵试验，研究了单向拉伸对土工织物反滤性能的影响，分析了拉应变对流速V、流失土体量和梯度比GR的作用效力；詹美礼等[16]探究了在不同布置方式下覆应力的增加对堆积体渗透性的影响；白彬等[17-18]利用自主研发的双轴拉伸仪，采用应变控制下的干筛法，进行织物孔径分布曲线测试；佘巍等[19]通过动力水筛法对不同种类的无纺编织物拉伸时的编织物孔隙大小变化进行了测试；刘欣[20]针对单个充填管袋，考虑充填管袋材料进行不同程度拉伸对材料性能的影响；雷国辉等[21]提出充填管袋的编织布在双向施加拉应力状况下的渗透特性和未施加拉应力状况下的渗透特性有着显著差异.

综上所述，在往复水流领域，研究大多集中在土工织物及其在覆土状态下的渗透特性，主要包括土工织物拉伸状态下的材料性能、孔隙大小变化等.并没有考虑在往复水流作用下单向拉伸对土工织物覆砂渗透特性的影响.因此，本文采用非连续级配砂土组装土工织物垂直梯度比渗透仪，进行室内渗透试验来模拟土工织物覆砂在往复水流作用下的渗流情况，并以此来研究其渗透特性.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用砂经筛分按表1 和表2 所示的颗分系数及颗粒级配参数进行装砂.砂的颗粒级配曲线如图1 所示.试验所用土工织物呈圆形，直径为180 mm，如图2 所示.

表1 土样的颗分参数

表2 土样的颗粒级配

图1 充填砂料粒度级配曲线

图2 土工织物

1.2 试验仪器

试验采用非连续级配砂土组装的土工织物梯度比渗透仪(见图3 和图4)；砂样烘干采用101-3型电热鼓风恒温干燥箱(见图5)；土工织物拉伸用YG082HS 型高低温拉伸试验机(见图6).

图3 梯度比渗透仪装置示意

图4 梯度比渗透仪实物

图5 恒温干燥箱

图6 拉伸试验机

1.3 试验方法

针对充填管袋渗透特性，室内试验通过控制变量法研究单向拉伸对土工织物覆砂在往复水流作用下渗透特性的影响.试验共设置2 组对照试验工况，1 组为土工织物拉伸应变为0%状态下进行的渗透试验；另1 组为土工织物拉伸至应变为3%状态下进行的渗透试验.

首先，把土工织物放到YG082HS 型高低温拉伸试验机上拉伸至试验所需的变形，满足要求后与梯度比渗透仪进行固定；其次，按照设计的颗分系数及颗粒级配参数把试验砂装入梯度比渗透仪中(见图7)；最后，与自制的往复水流供水装置进行组装(见图8)，仪器组装完成后进行渗透试验，测量渗流量并计算渗透系数.

图7 砂料填充压实及渗透

图8 往复水流渗透试验装置

试验结束后将渗透仪中的砂料取出(见图9)，采用环刀取样法，分别在砂料的上部、中部及下部区域中心位置取样并放在烘盒内放入烘箱烘干，如图10 所示.

图9 取出砂料

图10 烘干砂料

3 试验结果及分析

分析在相同级配下拉伸应变为0%组和拉伸应变为3%组土工织物的渗流流速V与时间T 关系曲线图(见图11)，发现随着时间推移，拉伸应变为0%与3%的2 组土工织物渗流流速基本呈正弦函数趋势变化，且在2 个周期内各阶段变化幅度基本相似；在相同级配下的土工织物，拉伸应变为0%组的渗流流速略小于拉伸应变为3%组.这主要是因为土工织物自身存在孔隙，在渗流过程中，单向拉伸使其原有孔隙变大，并结合周期性变换水头产生的水头差，使得水流增多，渗流流速增加.

图11 2 组工况下流速V 与时间T 关系曲线

图12～图14 为在相同级配下拉伸应变为0%和3%土工织物的各阶段渗透系数与时间关系曲线.K1-2、K3-4、K1-4分别为与时间T的关系曲线，其中K1-2为1号测压管与2 号测压管之间的渗透系数，K2-3、K3-4、K1-4以此类推.由图12～图14 可知，各阶段K变化规律较为一致，不同部位取样结果存在略微不同，即经拉伸后，K1-2减小，而K3-4和K1-4增大.这说明单向拉伸增大了往复水流作用下编织布覆砂系统整体的渗透特性，其间细颗粒也更容易发生运移，从而导致了土工织物-砂边界反滤层的形成.

图12 2 种拉伸状态下渗透系数K1-2与时间T 关系曲线

图13 2 种拉伸状态下渗透系数K3-4与时间T 关系曲线

图14 2 种拉伸状态下渗透系数K1-4与时间T 关系曲线

图15 为在相同级配下拉伸应变为0%组和3%组土工织物的梯度比GR与时间T的关系曲线.由图15 可知，随着时间的增加，2 组梯度比均呈现先增大后减小趋势，且最高处峰值基本无变化，最低点峰值不断减小，最终趋于平稳；拉伸应变为3%的土工织物梯度比大于拉伸应变为0%组的梯度比.这主要是由于土工织物具有反滤性能，砂土随水流进入土工织物后，无法随水流流出而堆积在土工织物内部，造成淤堵后造成的.但是经过长时间的往复水流作用，细砂受到水流不断冲刷又致使淤堵现象减弱.

图15 2 种拉伸状态下梯度比GR 与时间T 的关系曲线

通过对试验结束后处理的砂料进行分析，绘制拉伸应变为0%和3%组的砂料颗粒级配曲线，结果如图16～图20 所示.其中，A 组表示土工织物单向拉伸应变为0%组；B 组表示土工织物单向拉伸应变为3%组；上部级配为试验结束后充填砂料最上部的砂料颗粒级配；依此类推，分别设有中部级配和下部级配.

图16 拉伸0%组各部分颗粒级配曲线

图20 拉伸应变为0%与3%组下部级配曲线

由图16 和图17 可知，拉伸应变为0%和3%组中砂料上部级配均发生较大变化，较细粒径砂料在水流的不断冲刷下被冲至上部；中部及下部级配较原始级配未发生较大变化.

图17 拉伸3%组各部分颗粒级配曲线

图19 拉伸应变为0%与3%组中部级配曲线

由图18～图20 可知，在往复水流冲刷作用下，拉伸应变为0%和3%组的土工织物上部级配较细粒径和原始级配均有所增加；中部级配未发生较大变化；下部级配较细粒径均有一定程度减少，且拉伸应变为3%组的颗粒损失程度比未拉伸组略大.由图16～图20 还可知，在往复水流作用下，砂料会随着水流运动而流出.由于拉伸应变3%后的土工织物其孔隙增大，因此，整体装置漏砂量及其颗粒粒径均大于拉伸应变为0%的织物.

图18 拉伸应变为0%与3%组上部级配曲线

4 结论

1)在往复水流作用下，土工织物覆砂渗透特性在一定程度上受单向拉伸的影响.这是因为单向拉伸后，土工织物孔隙增大导致拉伸后的土工织物渗透系数大于拉伸应变为0%的土工织物，这也说明单向拉伸在一定程度上增大了土工织物覆砂在往复水流作用下的渗透特性，同单向水流所得结论一致.

2)在往复水流作用下，由于土工织物覆砂具有反滤性能，拉伸应变为3%组与拉伸应变为0%组在试验中都存在淤堵现象.

3)往复水流作用可将梯度比渗透仪内部细砂料带出.随着水流运动周期的增加，土工织物覆砂系统的淤堵现象逐渐减弱.