级配特征和水力梯度对堰塞坝材料渗透特性的影响研究

康永闯,朱兴华,刘邦晓,孔静雯,王梦奎

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院,西安 710054;2. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,西安 710054;3. 连云港徐圩城建工程有限公司,江苏 连云港 222000)

0 前 言

堰塞坝是高山峡谷地区由降雨或地震引发滑坡或泥石流灾害,造成一定量的固体物质堵塞或部分堵塞河道(沟道)而形成的一种具有一定蓄水能力的天然坝体[1-3]。坝体形成后,会阻止上游水流向下游运动,从而在坝前蓄积一定深度的水体,使坝体上下游产生一定的水头差,在坝体内形成渗流[2]。渗流破坏是堰塞坝较为常见的一种溃坝模式[3-5]。渗透作用使坝体材料的颗粒组成不断发生变化,从而破坏堰塞坝的长期稳定性和寿命[6-7],溃坝后所形成的溃决洪水(或泥石流)严重威胁着下游地区人民的生命财产安全[8]。

堰塞坝的渗透破坏受水力梯度和坝体材料渗透特性两大要素共同影响。其中,坝体材料的渗透特性一直是国内外研究的热点之一。张健楠等[9]探究不同颗粒级配下堰塞坝的溃决流量时发现坝体材料的颗粒越不均匀,大颗粒被小颗粒包围时越不容易发生渗流;石振明等[10]通过典型堰塞坝材料的一维渗流试验发现,细颗粒材料组与粒径缺失组试样的渗透破坏形式为流土,并根据颗粒启动流速以及粗颗粒对渗流的影响提出了临界水力梯度计算公式。另外,也有部分学者根据颗粒级配的特征参数,提出了计算渗透系数的拟合公式[11-12]。但这些公式所采用的特征参数少则仅有1个参数,多则4个参数,不能全面反映坝体材料的整体级配特征;同时,这些公式也多是针对某一特定土样提出的,用于其他土样时误差较大以至于无法应用。坝体渗透破坏是水土耦合作用的结果,渗透系数不仅与材料本身的性质有关,也受水力条件的影响[13-15]。因此,国内外诸多学者针对水力梯度对坝体渗流过程的影响也开展了广泛的研究,胡卸文等[16]使用Visual Modflow,模拟了710～740 m间隔为10 m的4种堰塞湖水位下坝体内的渗流场变化,发现当颗粒粒径较大时,坝体中的水力梯度较小,渗流场变化较稳定;王福刚等[17]分别对粗、中、细砂进行了不同水力梯度的渗透实验,发现材料的渗透系数会随水力梯度的变化而改变,其中粗砂的渗透系数受水力梯度的影响最大,中砂次之,细砂最小;王沛等[18]研究了不同水力梯度对黏质粉土渗透特性的影响,试验结果显示水力梯度造成的水压力会产生固结作用从而影响材料的渗透系数;宋林辉等[19]发现水压加载时,黏土的渗透系数随水力梯度的增加而减小;水压卸载时,黏土的渗透系数随水力梯度的减小而继续减小。综上所述,颗粒级配和水力梯度是影响堰塞坝材料渗透特性的两个主要因素,但目前有关堵塞坝材料的渗流特性研究还主要以定性为主,还缺乏渗透破坏临界条件定量研究成果;同时,有关颗粒级配和水力梯度对堰塞坝材料渗透特性影响机制还未完全阐明。

本文通过开展不同颗粒级配和不同水力梯度条件下的堰塞坝材料的渗透试验,系统研究坝体材料级配特征和水力梯度对其渗透特性的影响,并揭示堰塞坝产生渗透破坏的临界条件,从而为堰塞湖灾害的应急评估提供了科学参考。

1 堰塞坝材料的渗透实验

1.1 试验仪器

在试验仪器设计方面,参考马凌云等[20]采用组合式渗透仪、恒压供水系统水循环系统、高精度的测压系统等各部分组合方式设置了新的试验装置。由于堰塞坝坝体材料颗粒粒径变化大、级配宽,用传统内径100 mm的渗透仪器进行试验会产生较大的尺寸效应,因此本研究小组自主研发了一套内径为300 mm、高度为600 mm的渗透仪器,可极大的降低颗粒的尺寸效应对试验结果的影响,且纵横比符合土壤试验标准。该试验装置由供水装置、渗透仪、测量装置和收集装置组成,具体如图1所示。供水装置可以提供所需水流和水力梯度,渗透仪由玻璃板构成可以清晰的观察到渗流发展的全过程。试验采用水头饱和法获得饱和试样,渗流方向由下向上,渗流上方为自由溢流面,水力梯度可在0～4.0 m调整。本次试验仅探究堰塞坝材料的渗透特性,并不涉及堰塞坝渗流稳定性,可以用传统方法测量材料的水力梯度。

图1 试验装置

1.2 试验材料

试验中所使用的物料取自陕西省小秦岭金矿区的大西岔沟(如图2所示)。试验所用的颗粒材料的相对密度ds=2.65,含水率ω=0.19%,自然休止角为45°。由于试验装置以及工况条件的限制,将大于50 mm的粒径全部剔除。结合本次试验研究区的矿渣物源特征,将矿渣颗粒筛分为<0.075、0.075～0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2、2～5、5～10、10～20 mm和20～50 mm等9个粒组。在进行试验材料级配配制过程中,将小于2 mm的粒径定义为细颗粒[21],将大于20 mm的颗粒定义为粗颗粒,2～20 mm颗粒定义为中等粒径,按照上述3种颗粒类别配制出不同结构特点的坝体材料。

图2 小秦岭金矿区北沟堰塞坝

1.3 试验设计工况

Zhu等[22]为探究堰塞坝结构性质对其破坏模式和过程的影响,选择该研究区的矿渣并开展了11组不同粒径分布堰塞坝的溃坝模型试验,发现坝体材料的颗粒级配对堰塞坝溃决模式和过程影响显著。为了进一步探索坝体材料级配特征和水力梯度对其渗透特性的影响,本项研究设计了5种不同类型的坝体颗粒级配组成,并探索了变水头条件下的坝体材料渗透破坏过程。坝体材料的级配曲线如图3所示。渗透装置中,试样横截面积为706.86 cm2,高度40 cm,试样密度、不均匀系数、曲率系数和孔隙率详见表1。

表1 各工况数据表

图3 颗粒级配曲线

1.4 试验过程

本次试验采用水头饱和法进行,为减少填筑过程中颗粒析出,用分层填筑直至达到预定高度,且每次分层填筑时放入孔隙水压力传感器(从下往上依次布设5个传感器,编号1～5)。具体的试验步骤如下:

(1) 试验前将初始水力梯度设定为0.5,水力梯度递增值设定为0.5,升高水头的间隔时间设定为30 min,本试验装置的水力梯度可在0～4调节;

(2) 按照图3所示颗粒级配曲线,制备各组试验所需试样;

(3) 采用分层填筑法装样,每次填筑层厚5 cm,直至填筑到预定高度;

(4) 试验材料填筑完成后供水系统开始供水,试验中水头分多次加载,以便能观察到试样从渗流开始到变形破坏的全过程;

(5) 每一级水力梯度下的渗流过程稳定时,根据测压管旁的水位刻度尺读出两对测压管中的水位高度,以准确计算该阶段的实际水力梯度i,并使用量筒在渗流量收集孔处量取一定时段的渗流量,分3次测量每次时间间隔为5 min,最终取3次渗流量的平均值为水力梯度i下的渗流量Q;

(6) 当试样出现管涌通道时,认为试样开始破坏,继续升水头,直至管涌通道的数量不在增加,管涌通道的直径不再扩展,结束试验;

(7) 试验完毕后,整理仪器,并按照上述试验步骤继续开展下一组模型试验。

2 试验结果分析

2.1 试验现象

试验发现,粗颗粒含量占25%的工况均产生了大范围管涌通道,以T1和T4两组实验为例,对其实验现象进行分析。T1(25-40-35)组模型试验粗颗粒较多,当水力梯度在0～1.5时并未出现明显的渗流现象,当水力梯度调整到1.5,在3 100 s左右时(如图4所示),5个监测点的孔隙水压力均有不同范围的降低,此时试样内部结构产生了瞬时的变形,但此时通过观察并无明显迹象发生。水力梯度达到2.5时,水体开始变浑浊,大量细颗粒的溢出并且可在圆筒边壁及试样顶部观察到细颗粒在通道中移动,试样内部的细颗粒迁移导致土体内部结构的改变。在此级水力梯度试验进行到540 s时,材料突然隆起并且可以看到大量气泡涌出,此时试样内部变形较为明显,待试验现象并无变化可认为试验结束,在此期间共产生多出管涌通道,且有4处持续存在(如图5所示)。渗透作用从底部向顶部发展,根据孔隙水压力的变化,说明试样内部的变形一直在积累且不断扩大,在水力梯度i=2.5时试样内部结构发生破坏。

T4(15-45-40)组测试的粗颗粒减小,而细颗粒有所增加。当水力梯度达到2.5时,试样内部结构开始调整,顶部仅仅出现了几处小型管涌通道且存在时间不长,细颗粒集中堵塞到某孔隙节点且无法克服摩擦力涌出,产生了间歇性管涌的现象。随着水力梯度的增大,当水力梯度达到3时,管涌现象比较明显,较前一级水头强烈,管涌现象逐渐由间断发生变得稳定,但仅仅只在一处发生,此级水力梯度后期,管涌现象逐渐稳定,在小范围细小孔隙内,连续不断有细颗粒随着水流涌出。结合孔隙水压力传感器(见图6),孔隙水压力1和孔隙水压力2这两个监测点在水力梯度为3时,随着试验进行试样底部的孔隙水压力增长率急剧性增大,表明上部的试样内部颗粒发生显著的调整。结合试验现象在试样顶部出现的不断通过管涌出来的细颗粒,推测内部细颗粒在之前堵塞的孔隙内,在足够大的水力梯度下持续涌出,与试验所观察到的现象相对应。在水力梯度达到3.5时,堵塞的细颗粒被冲出,管涌现象仅仅表现为通道直径增大,并无新的管涌通道出现(见图7),到后期偶尔有大量细颗粒同时涌出,形成较大范围的浊状物弥散开。

图6 T4组测试的孔隙水压力变化曲线

图7 T4管涌现象位置图

图8为T1、T4的I-V对比曲线。由图8可知,在任意水力梯度下1号的渗透流速始终大于T4,在整个渗透过程中,T1中较多的粗颗粒更容易形成的骨架孔隙,试样对水的抗渗强度即水流对颗粒的拖曳力降低,在同一梯度下T1的渗透系数越大,渗透流速越快。从I-V曲线整体发展趋势看,在较小的水力梯度下,渗透流速变化率随着水力梯度的增加而减小。因为随着内部侵蚀的进行,当试样内部达到临界水力梯度后,渗透系数的增加量会减缓,直至最终破坏后渗透系数k不再增加。

图8 T1和T4组测试过程中的I-V曲线

2.2 级配特征对堰塞坝材料渗透特性的影响

水在试样中流动时,由于试样的孔隙通道很小,且很曲折,渗流过程中黏滞阻力很大,所以在多数情况下,水在试样中的流速十分缓慢,可认为相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混掺,即水流状态属于层流,符合达西定律。在初始水力梯度i=1.5的条件下使用量筒收集一段时间内的渗流量Q,然后按照达西定律计算不同组次的渗透系数,具体计算公式见式(1):

Q=kAi

(1)

式中:Q为单位时间内的渗流量,m3/s;k为试样的渗透系数;A为试样的横截面面积,m2;i为水力梯度。

图9为不同颗粒级配试样干密度与渗透系数的关系曲线。由图9可以看出随着干密度的增大,试样的渗透系数在逐渐减少,且减缓趋势下降明显,且从图中可知,渗透系数与干密度可用二次线性方程表示。结合表1, T1与T2这两组的渗透系数变化比其余3组粗颗粒占变化幅度大,且粗颗粒含量由25%下降15%之间,渗透系数变化最大。因为较多的粗颗粒形成了更大的渗透空间,渗透水流可以更容易将细颗粒拖移,当粗颗粒骨架形成的孔隙小时,细颗粒含量的变化对试样的渗透性影响降低。可以说,干密度的变化对渗透性的影响实质是孔隙比变化影响试样渗透特性,孔隙比增加,引起试样的渗透系数k增大。渗透水流主要是通过试样内的孔隙通道流动,孔隙比越大,形成的孔隙通道越多,真实的过水面积越大。因为式(1)中A采用的是试样的整个横截面面积,其中也包含了土粒所占的面积,土粒本身是不透水的,所以真实的过水面积是小于式(1)中采用的横截面面积,此时过水面积越大,渗流量Q越大,相应的渗透系数k也就越大。

图9 渗透系数与试样密度变化关系曲线

从图10中可知,在本次试验中,随着不均匀系数的增大,渗透系数整体变化趋势也在增加,Cu从17增加到47.24,渗透系数从0.27增加到0.32,增加量较小。粗细颗粒含量相差越悬殊且大颗粒粒径逐渐增多,孔隙量也会相对增加,意味着填充的细颗粒减少和孔隙间流通性变大,渗透性增强。虽然作为颗粒级配表征参数的不均匀系数Cu难以对宽级配的堰塞坝材料的渗透特性进行精确描述,但在一定的级配范围内,不均匀系数与渗透系数也可以呈二次多项式关系,具有很强的相关性。堰塞坝的渗透特性主要取决于其材料的密实度与骨架形成的孔隙和细颗粒填充度之间的相对关系,密实度随着细颗粒填充度的增大而增大,颗粒之间排列越密实,试样的抗渗性能就越强。

图10 渗透系数与不均匀系数变化关系曲线

2.3 水力梯度对堰塞坝材料渗透特性的影响

根据达西定律可知,若不考虑渗透水流对颗粒的重排列作用,渗透系数k并不会随水力梯度i的变化而改变。但在本次渗透试验中,渗透系数随水力梯度的增加发生了一定的变化。本文5组试验渗透系数k与水力梯度i的关系如图11所示。根据图11可知,渗透系数k随水力梯度i的增加呈现出逐渐减小的变化趋势。造成这一变化的原因是随着水力梯度的增加,渗透水流所产生的渗透力逐渐增加,试样中的细颗粒在渗透力的作用下发生移动或产生微小的调整,细颗粒的这种运动会进一步堵塞孔隙通道,导致真实的过水面积减小,渗流量Q减小,相应的渗透系数k也就减小。

图11 水力梯度与渗透系数变化曲线

2.4 渗透破坏临界梯度计算

上述分析了金矿区北沟的堰塞坝的孔隙特性对临界水力梯度的影响机理,渗透作用的发生在坝体内部具有隐蔽性,一旦发生就会影响其稳定性,因此探究堰塞坝临界水力梯度计算公式对研究堰塞坝渗流稳定性具有重要作用。堰塞坝具有宽级配特征,本文参考相关文献并考虑整个土体级配提出一种新的管涌破坏的临界水力梯度计算公式[22-23]。取单个可被冲刷移动的填料研究,水流为层流,假定直径为d的球形颗粒在实际水流速度超过一定值时在渗透水流的拖曳力下在孔隙直径d0通道中移动,具体受力分析如图12所示。

图12 颗粒在通道中的受力分析

研究过程中取单个颗粒,其水下重力:

(2)

Happel[25]根据stokes定律推导出管道中水流对颗粒的拖曳力:

Fd=3πμwdv

(3)

颗粒运移中摩擦阻力:

R=(fcosα+sinα)G=Gsinα

(4)

当G=Fd时可得颗粒启动临界流度:

(5)

(6)

颗粒与水流有相对运动时阻力对水力梯度的计算产生影响,为此在计算临界水力梯度计算时添加阻力系数Cd[10],得到坝体物质发生渗透破坏时的临界水力梯度计算公式:

(7)

毛昶旭[24]在分析大量试验资料,认为可将d5作为发生管涌启动颗粒的计算粒径。仅当颗粒直径小于孔隙通道直径时才可以自由在孔隙中运移时,坝体时潜在不稳定的,孔隙通道直径可在最小直径与最大直径之间选择:

(8)

d0max=1.86d0min

(9)

(10)

式(2)～(10):G为颗粒水下重力,N;d为可启动颗粒直径,mm;d0为孔道直径,mm;γw为水重度取1,kN/m3;γs为颗粒重度取2.65,kN/m3;Fd为拖曳力,N;μw为水粘滞度;v为水流速度,m/s;R为摩擦阻力,N;f为摩擦系数;α为孔隙倾斜角,(°);n为孔隙率;Cd阻力系数取4.24;Dh骨架颗粒有效粒径,mm;β为形状系数球形取6;ΔSi为骨架重第i组质量含量;Di为第i粒组的代表粒径值。

为了验证文本所推导公式的准确性及适用性,除了将其与本次试验结果对比,同时以毛昶旭[24]研究中的试验数据(表2中的6*、7*组数据)带入,发现计算值与试验值比较吻合(见表2)。

表2 试样管涌临界水力梯度的实验值与计算值

3 结 论

本文开展了不同级配特征的堰塞坝材料,在不同水力梯度条件下的渗透试验,分析了不同级配特征和不同水力梯度对堰塞坝材料渗透特性的影响,形成结论如下:

(1) 矿渣型堰塞坝材料的渗透系数随着干密度的增加而减少,其实质是受孔隙比的影响,孔隙比越大,真实过水面积增加,相应的渗透系数越大。此外,从整体看渗透系数随着不均匀系数的增加而增大。

(2) 发生渗透破坏的条件是粗细颗粒含量维持到一定比例关系。细颗粒含量的增加,试样的抗侵蚀能力增强,但试样中细颗粒含量超过一定值时,材料结构强度下降,容易在较低的水流下发生破坏。

(3) 在水力梯度的加载过程中,渗透力压缩试样导致其颗粒重新排列,使得有效孔隙减小,试样的渗透系数降低。根据前人的对临界水力梯度的研究分析,提出了临界水力梯度计算公式,该公式可用于连续级配材料的管涌计算,但对于材料中某一粒组占比较多表现为级配不均匀时,计算结果准确率较差,还有待进一步验证。

本研究通过埋设传感器来监测内部渗流的发展,然而在矿渣型堰塞坝宽级配和非恒定流的影响下,渗透破坏出现的时间和空间具有不确定性,仅通过局部的传感器并不能真实反映材料内部的渗透破坏过程,且接触式传感器埋设之后,对堰塞坝材料自身的渗透特性也会产生一定的影响。因此,在今后的研究中,将开展更大规模的渗透试验,以尽可能的降低小尺度模型的边界效应。