曹 洪,朱東風,范 澤,駱冠勇,潘 泓
(1. 華南理工大學土木與交通學院,廣東廣州 510640;2. 亞熱帶建筑科學國家重點試驗室,廣東廣州 510640)
地下結(jié)構(gòu)采用排水減壓抗浮技術(shù)時需要利用基坑的止水帷幕截滲止水[1],常見的止水帷幕有地下連續(xù)墻、攪拌樁墻、板樁、排樁加樁間旋噴等形式。由于施工工藝和質(zhì)量缺陷,樁或墻幅連接處可能存在豎向縫隙,地下連續(xù)墻還可能存在橫向施工縫,這些縫隙是帷幕滲水的主要通道?;釉陂_挖階段,縫隙出口是臨空面,滲漏量可能隨時間而增大。當止水帷幕后期用于排水減壓抗浮時,其縫隙出口由于回填土而沒有臨空面。在這種情況下,經(jīng)縫隙的滲漏流量能否逐漸減小或保持不變,是工程界十分關(guān)注的問題。
在以往的研究中,滲漏流量逐漸減小的現(xiàn)象被稱為“自愈”現(xiàn)象?!白杂备拍畋挥糜诿枋龅虊勿ね列膲α芽p滲漏量降低的現(xiàn)象,也被用于描述鋼板樁等有剛性縫壁的止水結(jié)構(gòu)縫隙滲漏量降低的現(xiàn)象。“自愈”現(xiàn)象產(chǎn)生的條件是縫隙出口設(shè)置可靠的反濾保護[2-4]。黏土心墻裂縫“自愈”的機理是水流沖刷縫壁土體,引起縫壁顆粒流失并在出口堆積[5];而板樁縫壁為剛性,本身不會被沖刷,其“自愈”機理與黏土心墻裂縫不同。
目前對剛性縫滲流問題有一定的研究基礎(chǔ)。在不考慮縫隙自愈情況下,涅德里加、丘也加夫等[6]將帶縫隙的板樁墻假定為均質(zhì)弱透水墻,給出該墻與板樁兩側(cè)土的滲透系數(shù)關(guān)系,并賦予板樁區(qū)一個附加阻力長度并給出了相應的計算式;朱丹等[7]推導了板樁縫隙及前后區(qū)域的滲流場,并初步討論了縫隙內(nèi)滲透系數(shù)變化對滲流場的影響。由于有自愈過程存在,實際滲流量與理論計算有較大的差異,工程中常以經(jīng)驗取值。曹洪等[8]在處理鋼板樁圍堰抗?jié)B問題時發(fā)現(xiàn),滲入流量隨著抽水進程逐漸降低,原因在于鋼板樁接縫在抽水過程中滯留了大量砂顆粒,縫內(nèi)逐漸被填充壓實;羅彥[9]基于這一發(fā)現(xiàn),開展了若干室內(nèi)模型試驗,初步研究了鋼板樁縫隙的滲漏過程;丁留謙等[10]則對土石壩面板縫隙的滲流問題進行了理論和數(shù)值分析。
對于剛性縫壁的縫隙滲流問題,以往研究以理論分析和初步試驗為主,對常見的止水帷幕縫隙滲漏問題研究也不夠深入。因此,開展具有普遍意義的縫隙滲流試驗研究很有必要。
2.1 試驗裝置自行設(shè)計并制作滲流試驗砂槽模型,見圖1。模型由供水加壓裝置、模型箱、測壓裝置等組成。模型箱采用10 mm厚的有機玻璃制成,外側(cè)使用角鋼框架加固。在砂樣進口和出口處設(shè)置了200 目紗網(wǎng)保護。用有機玻璃黏合成上下兩個長方體構(gòu)成止水帷幕和縫隙,縫隙在水平向貫通,使模型呈二維流態(tài)。縫隙沿水流方向為長度方向,縫隙長度按50 mm 和30 mm 設(shè)置,圖1 中為50 mm;豎直向為寬度方向,寬度為10 mm,見圖1(b)。
圖1 砂槽模型示意圖(單位:mm)
砂樣頂部采用30 mm 厚軟黏土加水袋模擬覆蓋層。水袋用聚乙烯薄膜制成,并用頂部蓋板封閉,蓋板用螺栓與角鋼框架固定。水袋由供水箱2 供水,水頭保持固定,并始終高于供水箱1 的水頭,將軟黏土壓緊,避免頂部脫空形成集中滲流通道。供水箱1為雙桶組合,通過升降改變模型的上游水頭。水源1兩次通過供水箱,水中的絕大部分空氣被排出,剩余少量氣體集中到上游水箱頂部,通過排氣管定時排出。下游水箱用于砂顆粒沉積,并可通過底部收集閥取出觀察。
模型箱側(cè)面共布置了46根測壓管,見圖1和圖2。其中1#、45#分別與上、下游水箱相連,2#設(shè)置在砂樣進水端的紗網(wǎng)后,46#連接水袋。測壓管位于砂樣一端包裹200目紗網(wǎng),伸入砂樣的長度為40 mm。17a#和17b#兩管相距17 mm,在縫隙中對稱設(shè)置。圖2中虛線表示縫隙長度為30 mm的情形。
圖2 測壓管布置圖(單位:mm)
2.2 試驗砂樣試驗砂樣S1—S4采用純凈的石英砂,不含有機質(zhì)及黏粒,分為粗砂、中砂、細砂和粉砂4類,砂樣顆分曲線和參數(shù)見圖3和表1。S2級配不連續(xù),缺少0.5 ~1 mm粒級;S1、S3和S4級配連續(xù),S3 和S4 顆粒較細,最大粒徑分別為2 mm和1 mm。S1—S4均含有小于0.075 mm無黏性細顆粒,未作進一步細分。為了便于觀察縫隙附近砂顆粒運動情況,設(shè)置一組預備試驗,采用黃色河砂S5。按照Cu<10為流土類土的標準判斷,除S2 外各砂樣均屬于流土類土,但S2也位于過渡區(qū)10<Cu<20的下限附近。
2.3 填砂、排氣及加載將充分干燥、混合均勻的砂樣分層填入模型箱,分層虛鋪厚度30 mm,噴水搗實,噴水量約為每層砂樣質(zhì)量的10%。為防止填砂過程中砂顆粒把縫隙填滿,在填砂前先在縫隙中塞入粗顆粒工業(yè)鹽,試驗時鹽被溶解以形成空縫隙。
圖3 砂樣級配曲線
表1 試驗砂樣參數(shù)
模型箱封閉后開始排氣過程。首先向水袋供水,使46#管讀數(shù)高于供水箱1的預計最高水位300 mm時固定供水箱2;然后打開水源1 并升高供水箱1,使上游水箱的水位高于砂樣頂面約10 mm,同時向下游水箱內(nèi)注水,下游水箱內(nèi)水位略低于上游水箱水位;最后打開所有測壓管外露一端,使水攜氣滲出,保持該狀態(tài)24 h。
排氣完畢后,將測壓管外露一端與測壓板相連,開始加載過程。加載水頭以上下游的總水頭差ΔH控制,總水頭差ΔH為1#與45#管的差值。加載時,按升壓→穩(wěn)壓→升壓→穩(wěn)壓的順序進行。每次升壓高度60 mm,持續(xù)時間30 min,每次升壓使平均坡降升高約0.1~0.13。當砂樣平均坡降升至約0.7時,維持水頭不變一段時間;此后再次升壓,至平均坡降達到1.2左右,再次穩(wěn)壓一段時間。
2.4 試驗分組按照不同的砂樣級配和縫隙長度進行組合,共進行6次試驗(T1—T6),見表2。
表2 試驗安排
3.1 預備試驗砂顆粒運動現(xiàn)象設(shè)置一組預備試驗以觀察試驗現(xiàn)象。預備試驗上游砂樣采用黃砂S5,下游砂樣采用白色石英砂并按S5級配拌制。加載過程中可以觀察到縫隙前方有部分黃砂進入原工業(yè)鹽填充的縫隙,縫隙中的砂顆粒較疏松,縫隙下游白色石英砂部分變黃,見圖4(a)。下游水箱中有渾水流出,沉淀后可見薄層極細砂顆粒,見圖4(b)。
圖4 試驗現(xiàn)象
由上述現(xiàn)象可推測:由于縫寬(10 mm)遠大于砂顆粒直徑,縫隙進口處相當于臨空面,縫前砂樣在較小的水力坡降下即可流入縫隙,且縫隙中的砂樣較疏松,使得細顆??梢源┩钙淇紫?。雖然本試驗所用砂樣為流土型,但仍有少量細顆粒在滲流作用下啟動而流失,使得下游出現(xiàn)渾水現(xiàn)象。
3.2 總流量隨時間變化圖5(a)為T1—T6的總水頭差ΔH過程線,每個試驗可分為兩次升壓和兩次穩(wěn)壓過程。圖5(b)為T1—T6的總流量Q的過程線??梢娫谏龎弘A段,總流量隨總水頭同步升高;在穩(wěn)壓階段,各試驗均出現(xiàn)總流量隨時間逐漸降低現(xiàn)象,且T1、T3和T4在第二次穩(wěn)壓階段時總流量下降更明顯。上述現(xiàn)象說明在總水頭差維持不變的情況下,模型整體的透水能力隨時間而下降。
圖5 總水頭及總流量隨時間變化曲線
3.3 沿程水頭分布變化選取T1中一半填砂高度處(14#—26#管)的水頭測值計算相對水頭(圖6),相對水頭以45#管讀數(shù)為基準,原點見圖2。圖6相對水頭線中,實線為升壓階段每級測壓管值,虛線為穩(wěn)壓階段初次測值。
圖6中縫內(nèi)測壓管17a#和17b#間的水頭差很小,表明縫中砂顆粒疏松,滲透性較強。當相對水頭較低時,縫隙前后沿程水頭曲線以縫隙中心呈反對稱形態(tài),上游側(cè)上凸,下游側(cè)下凹。隨著水頭提升,特別是第一次穩(wěn)壓開始后,縫隙前、后的曲線形狀明顯分化。上游側(cè)保持上凸,接近縫口處(16#—17#)和縫隙進口附近(17#—17a#)曲線變陡。下游側(cè)曲線呈折線形狀,縫隙出口附近(17b#—21#)曲線呈陡降狀,而稍遠(21#—26#)的曲線則近似直線,且斜率隨水頭提升變化不大。這說明隨著水頭提升,部分區(qū)域的滲透能力在改變,表現(xiàn)為縫隙和緊挨縫隙前后區(qū)域的滲流阻力增大。由于止水帷幕本身透水性不可變,發(fā)生改變的原因只能是砂顆粒的移動和聚集。T2—T6沿程水頭的發(fā)展過程與T1相似。
圖6 T1沿程水頭分布
取所有試驗首次穩(wěn)壓開始5 ~8 h后的沿程水頭繪制于圖7(a),用相鄰測壓管值求出相應的水力坡降繪于圖7(b)??梢娝ζ陆底畲笾刀汲霈F(xiàn)在縫隙出入口位置;除T6外,所有試驗縫隙內(nèi)的坡降值都較低。這表明縫隙出入口處的滲流阻力最大,而縫隙內(nèi)保持暢通(T6除外)。在縫隙上游,T2和T5的坡降呈漸進式增長,而其余試驗則表現(xiàn)為跳躍式增長,這說明各試驗的砂顆粒在上游縫口的聚集程度并不一樣。
圖7 沿程水頭和水力坡降
在距下游50 mm處(26#管),T2和T4在此管的水頭分別抬高24和95 mm,水力坡降也突然增大,這是由于模型的下游出口有200目紗網(wǎng),砂顆粒在此淤積,形成一個高阻力區(qū),這也導致T2和T4在止水帷幕縫隙前后區(qū)域的實際總水頭差減小。在圖7(b)中還可看到,縫隙下游側(cè)21#—23#測壓管間水力坡降較低,比上游側(cè)對應的15#—16#測壓管間低得更多,其原因?qū)⒃?.2節(jié)解釋。
3.4 不同區(qū)域的滲透性變化由于縫隙的存在,不能簡單的按均勻流計算砂樣的滲透系數(shù)。因此將縫隙附近區(qū)域沿著流向依次劃分為上游縫口、縫隙進口、縫隙內(nèi)、縫隙出口及下游縫口五個區(qū)段,縫隙區(qū)域以外為上下游遠離區(qū)域,劃分詳見圖8。
上下游遠離縫隙區(qū)和縫隙內(nèi)的區(qū)域的過水斷面為等截面,近似按均勻流考慮,采用達西定律計算其滲透系數(shù)K:
式中:l和Δh分別為計算所采用的兩根測壓管間的距離和水頭差,上游遠離區(qū)取14#—15#管間數(shù)據(jù),下游遠離區(qū)取24#—25#管間數(shù)據(jù),縫隙內(nèi)取17a#—17b#管間數(shù)據(jù);B為過水斷面寬度,取120 mm;M為過水斷面厚度,對于上下游遠離縫隙區(qū)域,M=160 mm,對于縫隙內(nèi)區(qū)域,M=b=10 mm,b為縫隙寬,見圖8。
當縫隙長度為50 mm 時(T1、T2),17#、18#管緊貼縫口,縫隙進出口段(17#—17a#和17b#—18#間)的K值可按(1)式計算。上下游縫口段(16#—17#和18#—21#間)的滲流較復雜,在均質(zhì)滲流場中可近似看成中心在縫隙入口中點處的半個承壓完整井,井直徑為縫隙寬度b,井的濾管長度即為模型箱過水斷面寬度值B,取120 mm。參考單井流公式,可按式(2)近似換算上下游縫口段K值:
式中:r1、r2為選用的兩個測壓管分別到縫隙入口中點的距離;Δh為這兩個測壓管的水頭差。在下游側(cè)時Q取負值。
當模型的縫隙長度為30 mm 時(T3—T6),16#—17#管和18#—21#管間砂樣的K 值仍按(2)式計算;17#、18#管位于縫隙入口以外,距縫口距離s=10 mm。縫隙兩端的測壓管17#—17a#和17b#—18#間的區(qū)域跨過縫口,可按半個承壓井流與縫隙內(nèi)的一小段均勻流串聯(lián)計算,若承壓井流段和均勻流段的水頭損失分別為Δh1和Δh2,則有下兩式成立:
式中:L 和s 的長度見圖8 所示。若Δh 為17 ~17a#管或17b ~18#管間的水頭差,則有Δh=Δh1+Δh2成立,將其代入式(3)和式(4)可得砂樣滲透系數(shù):
表3 給出沿流向的五個區(qū)段初始和最終滲透系數(shù),其中初始滲透系數(shù)為加壓到第三級時的計算值,最終滲透系數(shù)為第二次穩(wěn)壓后期三次計算結(jié)果的平均值。
由表3的結(jié)果可知,在上下游遠離縫隙區(qū)域,與初值比較,T2和T4的滲透系數(shù)大幅增大,表明這兩個區(qū)域的砂樣被疏通。原因在于,T2與T4都采用了較粗的不連續(xù)級配砂樣S2,該砂樣裝填不易密實且細顆粒較容易移動。T5和T6縫隙上游裝填了較細的砂樣,因此滲透系數(shù)較小,變化也較小。
在上游縫口段,除T2 外,滲透系數(shù)都有所下降;下游縫口也有類似趨勢,僅T4 和T5 有所增加。而縫隙進出口段由于含有一小段空縫隙,因此滲透系數(shù)均大于砂樣,但其滲透性后期也都表現(xiàn)出下降趨勢,僅采用粗砂的T2例外。T6縫隙內(nèi)的滲透系數(shù)顯著下降,推測應是砂樣大量進入縫隙,而其余試驗縫隙內(nèi)仍保持較好的透水性,表明縫隙內(nèi)水流暢通。
總體來看,在滲流作用下,在縫隙前后一定區(qū)域的砂樣及縫隙內(nèi)的滲透能力有所改變,且大多表現(xiàn)為下降趨勢,其原因可能在于該區(qū)域砂顆粒聚集導致淤堵產(chǎn)生,或是砂樣發(fā)生流土破壞,大量涌入縫隙所致。
3.5 縫隙前后區(qū)域滲透性隨時間的變化將各試驗滲透系數(shù)隨時間變化曲線繪于圖9,觀察縫隙前后區(qū)域及縫內(nèi)的滲透性變化過程。圖中三條豎直虛線從左到右表示三個時間點:第一次升壓結(jié)束、第一次穩(wěn)壓結(jié)束和第二次升壓結(jié)束。
表3 各區(qū)域初始和最終滲透系數(shù)(單位:10-3cm/s)
在T1中(圖9(a)),第一次升壓時,滲透系數(shù)在下游縫口下降,上游縫口有所上升,在縫隙進出口處略高。第一次穩(wěn)壓時,各段滲透系數(shù)都下降,縫隙出口處下降最顯著,下游縫口在后期略有上升。第二次升壓時,縫隙進口段滲透系數(shù)開始有所下降,然后再上升,其余3個區(qū)域均上升。第二次穩(wěn)壓時,開始時各段滲透系數(shù)都有所上升,上游縫口及縫隙進口上升持續(xù)時間短(1 ~2h),縫隙出口及下游縫口持續(xù)時間長(7 ~8 h),此后各段均下降。在T2中(圖9(b)),與T1模型相同,但由于使用了更粗的砂樣S2,縫隙進出口段及縫隙內(nèi)滲透系數(shù)遠比T1高;除縫隙出口區(qū)的滲透系數(shù)在二次穩(wěn)壓時略有下降外,其他各區(qū)域未出現(xiàn)下降趨勢,縫隙進口處略有上升。
在T3和T4中,與T1和T2相比,縫隙長度縮短為30 mm。由于縫隙較短,砂粒較易進入并被壓實。由T3和T4縫隙內(nèi)的滲透系數(shù)都比T1和T2小可以得到證明。在T4中,縫隙進口的滲透系數(shù)很早就與上游縫口處相近(圖9(d)),而后呈下降趨勢,也表明T4縫隙內(nèi)較容易被砂充填。T3其余各段的變化規(guī)律與T1相似,在二次穩(wěn)壓時均有下降趨勢;T4則與T2相似,各段下降趨勢并不顯著。
在T5 和T6 中,縫隙上游都采用了較細的砂樣S3 和S4(S4 更細),下游則為砂樣S1。不同的是,S3裝填更密實,因此T5上游縫口滲透系數(shù)更低。第一次升壓后,二試驗的表現(xiàn)完全不同,T5縫隙內(nèi)滲透性基本維持不變,而T6縫隙內(nèi)顯著下降,達到與下游砂樣相近,這表明T5上游砂樣保持穩(wěn)定,縫隙內(nèi)仍暢通,而T6縫隙內(nèi)則填滿上游涌入的砂樣。此后,T6縫隙內(nèi)滲透性再無顯著下降,表明封內(nèi)砂樣已逐步密實。因為縫隙內(nèi)有砂顆粒涌入的影響,T6下游縫口的滲透性也在首次穩(wěn)壓時顯著下降。
3.6 縫隙及前后區(qū)域的等水頭線由于試驗為二維模型,水頭分布也應該是二維的,為此取靠近縫隙的測壓管數(shù)據(jù),繪制等水頭線圖。各測壓管之間區(qū)域的等水頭線按等間距插值得到。
圖10為T1第一次維持壓力開始(t=4.1 h)及結(jié)束時(t=23.2h)縫隙附近區(qū)域的等水頭線,圖中圓圈位置表示測壓管,數(shù)字表示水頭值。上游、下游水箱水位讀數(shù)分別為562 mm、150 mm。由圖可見,縫隙下游出口區(qū)域等水頭線最密集。等水頭線凸向縫后斜上方和斜下方,呈“蝶形”。這與圖7(b)中21#—23#管間水力坡降低的現(xiàn)象對應,因為21#—23#管位于流速相對較低的區(qū)域。等水頭線呈“蝶形”的原因可解釋為:縫隙下游出口后方過水斷面急劇擴大,導致滲流速度急劇降低,上游帶來的細顆粒易于停留。在縫隙出口正前方產(chǎn)生淤堵,迫使水流向斜上方或斜下方滲流??p隙上游區(qū)域等水頭線開始時近似同心半圓,與半井的等水頭線形狀相近,到后期稍有變化,縫隙進口的斜上方和斜下方等水頭線變稀疏,接近矩形??p隙內(nèi)部在進、出口附近等水頭線較密,中部稀疏,表明縫隙中部仍暢通。
與T1相似,圖11列出了T3、T5和T6第一次穩(wěn)壓結(jié)束時縫隙附近的等水頭線,對應上游水箱水位分別為662 mm、660 mm 和780 mm,下游水箱水位為249 ~252 mm。T3縫隙附近的水頭損失相對較小,等水頭線較稀疏,但形狀與T1相似。T5、T6上游砂樣比下游細,上游等水頭線比下游密集,但形狀也與T1相似。T5縫隙內(nèi)幾乎無等水頭線分布,說明縫隙內(nèi)未被填充密實,等水頭線密集區(qū)在上游縫口。T6縫隙內(nèi)則被填滿,等水頭線集中于縫隙進口段及上游縫口處。
圖10 T1縫隙前后區(qū)域等水頭線(單位:mm)
圖11 T3、T5和T6縫隙前后區(qū)域等水頭線(單位:mm)
在試驗中,砂樣裝填的密實程度可用孔隙率n表征,砂樣的粗細可用有效粒徑d10值表征。各試驗砂樣的孔隙率n可采用以下Kozeny-Carman公式反算[11]。砂樣d10值及算得的n值匯總于表4。
式中:K為上下游遠離區(qū)砂樣的初始滲透系數(shù)(見表3);C為Carman常數(shù),對于球形砂顆粒,該常數(shù)為4.8±0.3,這里取值為5[12-13];D為砂顆粒有效粒徑,這里取d10值[11];γw為水重度;η為水的動力黏度,根據(jù)試驗水溫取值;e為孔隙比;n為孔隙率。
為評估各試驗透水性變化程度,計算各試驗的單位流量qr:
式中:hu為距止水帷幕中線上游185 mm處的水頭值;hd為距止水帷幕中線下游185 mm處的水頭值。這里不采用上下游水箱的水頭差值是為了排除模型進出口處紗網(wǎng)的影響。
若單位流量的變化率μ=(穩(wěn)壓初始單位流量-穩(wěn)壓最小或最大單位流量)/穩(wěn)壓初始單位流量,其值越大表明縫隙滲漏量降低越多,為負值時表示單位流量上升,縫隙滲漏量增加,其結(jié)果見表4。
表4 試驗結(jié)果匯總
從表4的結(jié)果來看,第一次穩(wěn)壓時,T1、T5和T6的縫隙滲漏量逐漸降低,T2、T3和T4滲漏量增加;第二次穩(wěn)壓時,所有試驗的滲漏量都降低??傮w來看,上游砂樣越細,縫隙和砂樣尺寸比b/d85值越大,滲漏量降低越顯著。
從3.5和3.6節(jié)的結(jié)果來看,止水帷幕縫隙滲漏量下降的實質(zhì)是由于砂樣顆粒移動和聚集導致了淤堵的產(chǎn)生,淤堵位置可能在上下游縫口、縫隙進出口或縫隙內(nèi),滲漏量增加則是淤堵的位置被疏通了。淤堵或疏通的過程伴隨著砂樣局部滲透破壞的發(fā)生,滲透破壞過程與級配、粒徑、密實程度及水力條件密切相關(guān)。以下分析這些因素對滲漏過程的影響。
4.1 砂樣特征砂樣特征包含砂樣級配、粒徑和密實程度幾個方面,這些因素決定了砂樣在滲流作用下的穩(wěn)定性。
砂樣的粒徑可用相對值b/d85來表征。Valdes等開展了模擬試驗,認為此值小于5時,在縫隙進口處可由粗顆粒相互接觸頂托而產(chǎn)生“拱”效應,對后續(xù)的砂顆粒產(chǎn)生保護作用,避免砂樣大量涌入縫中;而當此值大于5 時,“拱”不能形成,保土作用消失[14]。從表4 結(jié)果判斷,T1—T4 的縫口可產(chǎn)生“拱”效應,砂樣未大量進入縫隙,淤堵主要上下游縫口的砂樣中產(chǎn)生;而T5 和T6 則不產(chǎn)生“拱”效應,砂樣可以大量進入縫隙。但T5縫隙內(nèi)并未涌入大量砂樣,可能是由于T5上游砂樣密實程度較好(上游砂樣孔隙率最低),砂樣未發(fā)生流土破壞。
Raut認為,在級配穩(wěn)定的砂樣中,粗細顆粒逐級接觸,使得細顆粒不易在滲流作用下移動,已經(jīng)發(fā)生移動的細顆粒也容易被粗一級的顆粒攔截,而級配不穩(wěn)定的砂樣(包括不連續(xù)級配、寬級配等)細顆粒容易移動,且由于級配缺陷細顆粒難以被攔截[15]。由圖3級配曲線判斷,S1的穩(wěn)定性要優(yōu)于S2,S2中的細顆粒更容易移動,但對于細顆粒的攔截能力弱于S1。因此,T1和T3的淤堵程度高于T2和T4,縫隙滲漏量下降更多。T2和T4中的細顆粒由于不能被下游砂樣攔截,大量移動到下游紗網(wǎng)處,見圖7(b)。這里可以推測,若T2和T4中下游砂樣采用級配穩(wěn)定砂,則縫隙滲漏量的降低效果更顯著。此外,對比T2和T4,二者均采用S2,但T2的砂樣更密實(砂樣孔隙更細),對細顆粒的攔截能力稍強,因此滲漏量下降較T4顯著。
4.2 水力條件由圖7(b)坡降曲線來看,上下游縫口和縫隙進出口處的坡降急劇增大,而水流經(jīng)過下游縫口以后坡降急劇減小。其原因在于,上游縫口處由于過水斷面減小導致坡降增加,為顆粒運動提供了驅(qū)動力,顆粒運動到下游縫口時,由于過水斷面增加而流速下降,顆粒在此處淤積導致坡降上升,此后的過水斷面增大且保持不變,坡降迅速下降,直至下游出口處紗網(wǎng)的攔截導致坡降又有所增加。
一般而言,在水平方向上,無黏性土局部發(fā)生滲透破壞需要的坡降值較小。因此,在預備試驗加載初期,可以觀察到下游出渾水現(xiàn)象。這個過程中砂樣細顆粒被水流攜帶向下游移動,但粗顆粒保持穩(wěn)定,使得砂樣整體仍穩(wěn)定。當上游縫口有“拱”效應保護時,進入縫隙內(nèi)的粗顆粒不多,縫隙內(nèi)可以保持暢通,僅細顆粒向下游運動。另外,由于較大的滲透力作用,使下游縫口處的砂樣承受了較大的水平推力,從而使縫隙出口斜上、斜下方的砂樣因開裂而變疏松,產(chǎn)生“蝶形”等水頭線,并使過水能力增加。但這個過程是短暫的,當壓力穩(wěn)定后會逐步停止。
從圖9中觀察,幾乎所有試驗在水頭增加時,各區(qū)段滲透性增強;當水頭穩(wěn)定時,滲透性逐漸降低。這表明止水帷幕縫隙的滲漏量下降需要相對穩(wěn)定的水力條件,水頭增加的擾動因素是不利的。
4.3 縫隙幾何形態(tài)縫隙寬度影響b/d85值,從表面上看,縫隙越寬,砂樣涌入縫隙的可能性越大,縫隙越可能發(fā)生淤堵,但會導致總滲漏量增加[10]。對比T2和T4可知,縫隙較短時縫隙內(nèi)的滲透系數(shù)較低,這是因為較短的縫隙容納能力更低,更容易被砂顆粒填充。縫隙彎折變化在本文試驗中未明確體現(xiàn),但可以推測,除非縫隙中大量涌入細砂,所有試驗的縫隙內(nèi)較為疏松,水流通暢,其形態(tài)變化產(chǎn)生的水頭損失幾乎可以忽略,彎曲縫隙可與等長直縫隙等效。
本文采用自行設(shè)計制作的砂槽模型,開展了止水帷幕縫隙滲漏的試驗研究?;谠囼灲Y(jié)果,得到以下幾點結(jié)論:(1)止水帷幕在縫隙后方回填時,通過其縫隙的滲漏量在水力條件穩(wěn)定時可以逐漸降低,產(chǎn)生類似于“自愈”的效果,這為止水帷幕維持長期有效的截水能力提供了支持,但水頭升高則會破壞這一過程。(2)止水帷幕縫隙滲漏量下降的實質(zhì)是砂顆粒移動和聚集導致淤堵的產(chǎn)生,淤堵的位置可能在上下游縫口、縫隙進出口或縫隙內(nèi)。(3)粒徑較細的砂樣,淤堵的位置在縫隙內(nèi),縫隙滲漏量下降的效果最顯著;粒徑較粗、級配連續(xù)的砂樣由于上游縫口的粗顆粒保土作用,淤堵的位置在上下游縫口和縫隙進出口處,縫隙內(nèi)保持暢通;下游回填級配不連續(xù)的砂樣時,縫隙滲漏量下降效果不佳。(4)下游縫口處淤積的砂顆粒分布不均勻,中部淤積較多,斜上方和斜下方較少,成為滲流通道。