河床透水層暴露深度對(duì)懸掛式防滲墻防滲效果的影響

劉光磊,王保田,李守德

(1.中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司,湖北武漢 430000;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

研究表明,不同的河床透水層暴露深度對(duì)二元結(jié)構(gòu)堤基的滲透變形發(fā)生、發(fā)展以及流量都有影響[1].堤基地層結(jié)構(gòu)一般不會(huì)改變,而河床透水層暴露深度卻會(huì)由于人為或自然原因而發(fā)生變化.通常在進(jìn)行懸掛式防滲墻的設(shè)計(jì)施工時(shí),不會(huì)考慮河床透水層暴露深度的影響.目前進(jìn)行的懸掛式防滲墻的模擬試驗(yàn)研究都是針對(duì)防滲墻體本身和堤基下游各影響因素的研究[2-3],并且是在上游入滲流量固定情況下進(jìn)行的.入滲方式大致可以概括為2種:(a)“點(diǎn)入滲”方式[4-6],上游臨水面位于強(qiáng)透水層頂部;(b)“平行入滲”方式[7-14],即模型入水結(jié)構(gòu)深入到設(shè)備底部,整個(gè)強(qiáng)透水層一側(cè)臨水.據(jù)堤基現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)地質(zhì)資料顯示,介于點(diǎn)入滲和平行入滲之間的情況較為普遍.

由于目前河床透水層暴露深度對(duì)滲流場(chǎng)和懸掛式防滲墻控制作用影響的研究極少,本文主要針對(duì)較為普遍的二元結(jié)構(gòu)堤基,即上、下2層分別為弱透水性的黏性土和強(qiáng)透水性的細(xì)砂土,通過模擬改變河床透水層暴露深度的室內(nèi)砂槽試驗(yàn),研究在有懸掛式防滲墻的情況下,滲透變形的發(fā)生和發(fā)展以及相關(guān)情況.

1 模型結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)操作步驟

室內(nèi)試驗(yàn)所采用的滲流模型設(shè)計(jì)如圖1所示,其長(zhǎng)、高、寬分別是200cm,100cm,10cm.在從左側(cè)起40cm處設(shè)進(jìn)水裝置,通過其上閥門的開閉來調(diào)節(jié)上游水位,調(diào)節(jié)間距為5cm.距左側(cè)100cm和198crm處分別設(shè)置有直徑2cm的圓形滲流出口,為出水口和遠(yuǎn)處溢出口.出水口是模擬堤腳附近存在的薄弱環(huán)節(jié)或管涌口,遠(yuǎn)處溢出口是模擬無窮遠(yuǎn)處的滲流出口.為了方便觀察土的滲透變形過程,試驗(yàn)儀器采用1cm厚的透明有機(jī)玻璃加工而成.在儀器一側(cè)距頂部20cm和40cm處各設(shè)一排測(cè)壓管,以監(jiān)測(cè)沿程水位的變化情況.此外,還設(shè)有飽和裝置,供試驗(yàn)前飽和土樣之用.

試驗(yàn)?zāi)M二元結(jié)構(gòu)堤基,模型下層85cm填筑具強(qiáng)透水性的細(xì)砂層,上層填筑15cm具有弱透水性的粉質(zhì)黏土.為保證室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)情況一致,上述2種土均取自于長(zhǎng)江大堤南京段.

由圖2分析可知,上層覆蓋粉質(zhì)黏土顆粒分析曲線較為平緩,說明其級(jí)配不均勻,且基本粒徑均小于0.075mm,容易形成密實(shí)土體,起到封水作用,相應(yīng)的其滲透系數(shù)也較小.細(xì)砂土的顆粒分析曲線呈臺(tái)階型,基本粒徑都大于0.075mm,級(jí)配不良而咬合力較小,容易發(fā)生滲透破壞,其滲透系數(shù)也大.

細(xì)砂土的不均勻系數(shù):

圖1 砂槽滲流模型(單位:cm)Fig.1 Schematic diagram of sand-box model(unit:cm)

圖2 試驗(yàn)用土的顆粒分析曲線Fig.2 Curves of particle sizes of tested soils

由于不均勻系數(shù)Cu＜5,根據(jù)GBJ 145—90《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》,該細(xì)砂土級(jí)配不良,屬均勻土.根據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,該細(xì)砂土的破壞類型屬于流土破壞.

試驗(yàn)用土物理力學(xué)性質(zhì)如下:粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)為6.16×10-6cm/s,干密度為1.6g/cm3;細(xì)砂土滲透系數(shù)為1.28×10-2cm/s,干密度為1.42g/cm3;孔隙率為42%.土層振搗時(shí),為能很好地模擬實(shí)際情況,均對(duì)砂槽內(nèi)粉質(zhì)黏土層和細(xì)砂層的分層厚度和振搗力量有相應(yīng)要求[6].

模型上層粉質(zhì)黏土滲透性與懸掛式防滲墻滲透性一致,因此防滲墻采用粉質(zhì)黏土制作.墻厚5 cm,設(shè)計(jì)深度20cm,位于上游入水口和出水口之間,見圖1.

上游進(jìn)水裝置下方設(shè)置了塑料排水板,通過調(diào)節(jié)排水板深入細(xì)砂層的深度,完成河床透水層暴露深度改變的模擬.該試驗(yàn)預(yù)定為5組,排水板深入細(xì)砂層深度h分別為0cm,10cm,20cm,30cm,40cm,再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果決定是否再增加試驗(yàn).在進(jìn)行每組試驗(yàn)時(shí),上游水位從7cm起,待每級(jí)水位下滲流場(chǎng)穩(wěn)定后再加下一個(gè)水頭,以5cm為一級(jí)增加.

定義:河床透水層暴露深度與整個(gè)透水層厚度之比為下切度;發(fā)生滲透變形時(shí)的上游水頭為臨界水頭;臨界水頭除以表觀滲徑為表觀臨界水力梯度(本文表觀滲徑為進(jìn)、出水口之間水平距離60cm);沖刷通道發(fā)展并繞過防滲墻,防滲墻失去效用時(shí)的上游水頭為破壞水頭.

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

如表1所示,隨著排水板深入透水層深度增加,代表滲透變形發(fā)生和發(fā)展的臨界水頭和破壞水頭均有降低.第1組到第5組的臨界水頭在數(shù)值上有2次變化,由37cm降為32cm,由32cm降為27cm;破壞水頭同樣也是有2次變化,由67cm降為62cm,由62cm降為57cm.結(jié)合李向鳳等[7]在相同試驗(yàn)條件下所得試驗(yàn)數(shù)據(jù),塑料排水板深入細(xì)砂層深度為85cm,所得臨界水頭為28cm,近似于第5組的臨界水頭27cm,其模擬下切度和表觀臨界水力梯度分別為0.47和0.45,與表1中第5組試驗(yàn)結(jié)果相同.

表1 各方案試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of experimental schemes

由表1所示數(shù)據(jù)變化可以看出,滲流場(chǎng)中研究區(qū)域內(nèi)的臨界水頭和破壞水頭受排水板深入砂層的深度影響,隨著下切度增加,其影響幅度在減小.影響幅度的變化僅在一定范圍之內(nèi),即下切度位于0～0.47之間.當(dāng)下切度大于0.47時(shí),排水板深入透水層深度對(duì)于滲流場(chǎng)的影響基本沒有變化.臨界水頭和破壞水頭的降低也說明,隨著排水板深入細(xì)砂層深度的增加,懸掛式防滲墻抵抗?jié)B透變形的能力也隨之下降.

2.2 測(cè)壓管沿程變化

圖3是以上游水位H=22cm時(shí)為例,建立排水板深入細(xì)砂層不同深度時(shí)的測(cè)壓管沿程水位變化曲線.由圖3可以看出,在研究區(qū)域內(nèi)(進(jìn)、出水口之間60cm),隨著排水板進(jìn)入細(xì)砂層深度的逐步增加,相同位置的水頭也在依次增加.說明河床透水層暴露深度變化會(huì)影響滲流場(chǎng)研究區(qū)域內(nèi)的水頭值,河床透水層暴露深度越深,研究區(qū)域內(nèi)某一位置的水頭值也越高.塑料排水板等距增加,而相鄰曲線間水頭增加值有減小趨勢(shì),說明隨著河床透水層暴露深度的增加,其對(duì)滲流場(chǎng)的影響幅度在逐漸減小.

圖3 排水板深入細(xì)砂層不同深度測(cè)壓管沿程水位變化曲線(H=22cm)Fig.3 Curves of spatial variation of water levels in piezometric tubes with drainage plate placed at different depths into fine sand layer(H=22cm)

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)上游水頭達(dá)到臨界水頭時(shí),出水口流出的水比較渾濁,見圖4(a).通過有機(jī)玻璃板壁可以看到在出水口下方有蜂窩狀流土破壞現(xiàn)象,圖4(b)為出水口黏土層與細(xì)砂層界面位置的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象屬于流土破壞,表明滲透變形已經(jīng)開始.當(dāng)上游水頭繼續(xù)增加,2層土料接觸位置會(huì)出現(xiàn)水平方向的接觸沖刷.在水平?jīng)_刷的發(fā)展過程中,已沖刷部分下方一定范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)砂體塊狀脫離現(xiàn)象,圖4(c)為黏土層與細(xì)砂層界面沖刷的現(xiàn)象.滲流通道發(fā)展后,在黏土層和細(xì)砂層之間存在空隙,下層砂體在較強(qiáng)水力托動(dòng)下出現(xiàn)脫離,這在沒有防滲墻的試驗(yàn)中是沒有的.由于水平方向的接觸沖刷優(yōu)先于豎向破壞,脫離的砂體不至于被整體沖走.在水平向沖刷發(fā)展至防滲墻后就會(huì)向下發(fā)展,開始防滲墻與砂體接觸部位的接觸沖刷.沖刷通道沿著防滲墻向下發(fā)展時(shí),通道時(shí)堵時(shí)通,水流時(shí)慢時(shí)快.

圖4 滲透變形發(fā)展記錄Fig.4 Generation and development of seepage deformation

水平?jīng)_刷向豎直沖刷發(fā)展后,由于豎直沖刷較水平?jīng)_刷困難,有一定能量的流水沖起的細(xì)砂會(huì)在防滲墻上方速度降低而下沉,如此反復(fù)沖起、沉淀,在緊貼防滲墻中上部形成循環(huán)現(xiàn)象.一般認(rèn)為,當(dāng)接觸沖刷發(fā)展至防滲墻上游后,防滲墻已經(jīng)失去了作用,故當(dāng)沖刷通道發(fā)展至防滲墻下方時(shí),試驗(yàn)結(jié)束.

2.4 出水口滲流量變化

圖5為試驗(yàn)過程中每級(jí)上游水頭下滲流場(chǎng)穩(wěn)定后的滲流量和相應(yīng)的上游水位關(guān)系曲線.各曲線最后1個(gè)滲流量為通道發(fā)展至防滲墻下方時(shí)記錄的沒有穩(wěn)定情況下的滲流量.如圖5所示,各曲線在穩(wěn)定滲流和滲透變形中前期形狀類似于直線,說明是相對(duì)穩(wěn)定的;但滲透變形發(fā)展到一定程度,各曲線起伏較大,并出現(xiàn)相互交叉現(xiàn)象,此時(shí)滲流量受到了較大影響.圖中曲線距離相差不大,部分部位還時(shí)有交叉,說明排水板的下切深度對(duì)于滲流量的影響不大.

圖5 出水口滲流量與上游水位關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between seepage discharge in outlet and upstream water level

3 結(jié) 論

a.試驗(yàn)表明,隨著河床透水層暴露深度的增加,研究區(qū)域滲流場(chǎng)變化明顯,使臨界水頭和破壞水頭均有降低.透水層下切度的增加,降低了懸掛式防滲墻對(duì)滲透變形的發(fā)生和發(fā)展的控制能力.

b.等距增加的河床透水層暴露深度對(duì)滲流場(chǎng)影響幅度在逐漸減小,當(dāng)透水層下切度達(dá)到某一數(shù)值繼續(xù)增加時(shí),臨界水頭和破壞水頭趨于穩(wěn)定,滲流場(chǎng)受到的影響也基本穩(wěn)定.

c.河床透水層暴露深度和局部滲透變形的發(fā)生對(duì)滲流出口滲流量的影響都不大.滲透變形發(fā)展前期的滲流量基本隨著上游水頭的變化而變化,比較穩(wěn)定,后期由于滲漏通道的發(fā)展而出現(xiàn)滲流量起伏現(xiàn)象.

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