滲流方向?qū)t黏土與砂接觸流失影響的試驗(yàn)研究

鄭詠琎，陳 群，王 卓，王 琛，周 成

(1. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2. 中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

0 引 言

紅黏土廣泛分布于我國(guó)西南地區(qū)，我國(guó)利用紅黏土修建了大量的土石壩，例如云南蒙自莊寨水庫(kù)均質(zhì)土壩[1]、暮底河水庫(kù)紅黏土心墻堆石壩[2]、遵義清水河水庫(kù)大壩[3]等。紅黏土具有較好的力學(xué)性能和耐水性，可用作土石壩心墻料，并在其上下游設(shè)置反濾層。接觸流失是反濾層常見的破壞形式[4]。目前已有關(guān)于反濾層和被保護(hù)土料的顆粒級(jí)配[5]、滲透系數(shù)大小[6]和細(xì)顆粒內(nèi)部壓應(yīng)力[7]對(duì)抵抗接觸流失破壞能力影響的研究，也有不少研究揭示了水流方向?qū)ν馏w滲透特性有著不可忽視的影響[8,9]。同時(shí)，土石壩心墻的干密度對(duì)其抗?jié)B性能的影響也值得關(guān)注[10]。目前對(duì)于接觸流失臨界水力坡降還沒有較為普遍的經(jīng)驗(yàn)公式，主要通過試驗(yàn)來(lái)確定，且目前針對(duì)紅黏土作為防滲料的接觸流失破壞的研究還較少。

本文主要進(jìn)行了砂與不同干密度的紅黏土的接觸面與水流方向呈不同夾角時(shí)雙層土的接觸流失破壞試驗(yàn)，以探尋紅黏土干密度和水流方向?qū)t黏土心墻與反濾層抵抗接觸流失破壞能力的影響，為利用紅黏土筑壩提供科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)儀器和方法

本次試驗(yàn)采用ST30-3大型豎向滲透試驗(yàn)儀，其主要構(gòu)造包括儀器筒、底座、透水板、進(jìn)水口、出水孔等(如圖1所示)。ST30-3滲透儀的試樣筒壁內(nèi)徑D=30 cm，面積A=706.8 cm2，高度L=30 cm，進(jìn)水水頭為h1，出水水頭為h2，試樣的頂面為自由出水面，透水板的孔徑為5 mm，裝填土樣時(shí)在下透水底板上鋪一層透水土工布。滲透試驗(yàn)的供水設(shè)備包括吊桶和提升架。吊桶通過滑輪進(jìn)行升降以達(dá)到滲透試驗(yàn)所需要的不同水頭要求。

圖1 ST30-3滲透儀結(jié)構(gòu)示意圖

本次試驗(yàn)研究不同干密度(1.21、1.28和1.35 g/cm3)的紅黏土和砂的接觸面與水流方向呈90°，60°和45°這三種夾角情況下的雙層土接觸流失破壞，具體試驗(yàn)方案見表1，試樣編號(hào)橫線前、后的數(shù)字分別表示接觸面與水流方向的夾角(以下簡(jiǎn)稱夾角)和干密度編號(hào)。由于水流方向不便調(diào)整，因此通過調(diào)整紅黏土和砂接觸面的傾角來(lái)模擬不同的水流方向。

表1 接觸流失試驗(yàn)方案表

圖2為試樣的豎向剖面圖，將試樣筒分為上下兩部分來(lái)分別裝填兩種土料，下層為紅黏土，上層為砂。在裝填土料時(shí)，對(duì)于水流方向與接觸面垂直的情況，先將紅黏土裝入試樣筒內(nèi)，然后擊實(shí)，并使擊實(shí)后的紅黏土達(dá)到預(yù)設(shè)的高度，使其滿足干密度的要求。對(duì)于接觸面與水流方向呈60°和45°夾角的情況，為了消除土層厚度的影響，先在試樣筒底墊一層對(duì)應(yīng)接觸傾角的透水均勻礫石，然后依次裝填紅黏土和砂。紅黏土裝填完畢后，挖除一部分已裝填好的紅黏土使其滿足預(yù)設(shè)夾角，然后將砂裝填到試樣筒并擊實(shí)到預(yù)設(shè)高度。

圖2 試樣的豎向剖面圖

夾角較小時(shí)，由于儀器幾何形狀的限制，裝樣時(shí)很難保證紅黏土層貫穿整個(gè)截面，水流會(huì)直接從礫石層或砂層貫穿通過，導(dǎo)致雙層土滲透破壞形式不再是接觸流失。因此本試驗(yàn)方案設(shè)置的最小夾角為45°。

為了便于觀察接觸流失的發(fā)生和發(fā)展過程，記錄滲流出口處的破壞現(xiàn)象，本次試驗(yàn)采用自下而上的水流方向。

本次試驗(yàn)采用常水頭飽和法進(jìn)行飽和。試樣飽和后，測(cè)定并記錄一段時(shí)間內(nèi)的滲透流量Q、滲出水的溫度T、進(jìn)出口的測(cè)壓管讀數(shù)h1和h2。提高水頭(每次增加2～3的水力坡降來(lái)提高水頭，接近破壞時(shí)適當(dāng)減小水力坡降的增加值)，讓試樣在該級(jí)水頭下滲流，當(dāng)相鄰幾次測(cè)得的單位時(shí)間流量相同時(shí)，說明試樣中滲流達(dá)到穩(wěn)定，采取同樣的方法測(cè)量滲透流量Q、進(jìn)出口的測(cè)壓管讀數(shù)h1和h2，然后加下一級(jí)水頭測(cè)定同樣的數(shù)據(jù)，當(dāng)流量突然增大且無(wú)穩(wěn)定趨勢(shì)或進(jìn)口水頭已經(jīng)達(dá)到吊桶的最大水頭值時(shí)，則停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)停止后，用排水孔排盡試樣中的水，觀察試樣頂部破壞情況并記錄，隨后自上而下逐漸挖出試樣，觀察并記錄試樣的破壞情況。

2 土料特性

試驗(yàn)采用的反濾料制樣干密度取1.70 g/cm3，用篩分法獲得的級(jí)配曲線如圖3所示，土樣的不均勻系數(shù)Cu=2.19，曲率系數(shù)Cc=1.19，砂粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量的50%，細(xì)粒組質(zhì)量小于5%，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1999)[11]，將其定名為級(jí)配不良砂(SP)。采用南70型滲透儀進(jìn)行砂的室內(nèi)常水頭試驗(yàn)測(cè)定其滲透系數(shù)。用流量穩(wěn)定后3次讀數(shù)的平均值計(jì)算滲透流速，測(cè)得砂的滲透系數(shù)k=8.52×10-3cm/s。紅黏土取自四川省攀枝花市鹽邊縣某黏土料場(chǎng)重塑樣，該料場(chǎng)主要以殘坡積層粉質(zhì)黏土為主。紅黏土中細(xì)粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量的50%，粗粒組質(zhì)量小于總質(zhì)量的25%，級(jí)配曲線如圖4，物理性質(zhì)指標(biāo)如表2，根據(jù)其液限和塑性指數(shù)的大小，按《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1999)[11]定名為高液限粉土(MH)。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)[12]，砂和紅黏土的級(jí)配滿足反濾和排水要求。

圖3 試驗(yàn)用砂的級(jí)配曲線

圖4 試驗(yàn)用紅黏土的級(jí)配曲線

表2 試驗(yàn)用紅黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 接觸流失的發(fā)生和發(fā)展過程

滲透流速與水力坡降的雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線如圖5。按照?qǐng)D5中曲線的變化過程并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，可以將紅黏土與砂的接觸流失破壞劃分為4個(gè)階段。

第一階段：穩(wěn)定階段，以圖5中的曲線1-1為例，對(duì)應(yīng)AB段。在此階段，滲透流速和水力坡降在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈45°的直線關(guān)系，滲透流速隨水力坡降線性增長(zhǎng)，符合達(dá)西定律。此時(shí)液面保持澄清，沒有細(xì)顆粒被帶出。說明水力坡降較小，未達(dá)到使紅黏土顆粒移動(dòng)的水力坡降。

第二階段：過渡階段，對(duì)應(yīng)圖5中的BC段。此時(shí)滲透流速隨坡降的增大比穩(wěn)定階段更快，說明紅黏土中的細(xì)顆粒發(fā)生了移動(dòng)，土體中形成了更多的滲流通道。但此時(shí)液面依然保持澄清，說明紅黏土顆粒還未穿過砂層。過渡階段是紅黏土中的細(xì)顆粒開始移動(dòng)的階段，亦即接觸流失的開始階段。B點(diǎn)為滲透流速增長(zhǎng)速率加快的起始點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的坡降為啟動(dòng)坡降。

第三階段：次生反濾層形成階段，對(duì)應(yīng)圖5中的CD段，當(dāng)滲透流速增長(zhǎng)速率開始減慢時(shí)即進(jìn)入該階段。該階段滲透流速隨水力坡降增大而增大的速率有所減小，且液面仍未出現(xiàn)渾濁，說明細(xì)顆粒的移動(dòng)造成某些滲流通道的堵塞，細(xì)顆粒與砂共同形成了次生反濾層，阻止了細(xì)顆粒的繼續(xù)移動(dòng)。

第四階段：破壞階段，對(duì)應(yīng)圖5中D點(diǎn)之后的階段。當(dāng)滲透流速突然增大且無(wú)穩(wěn)定趨勢(shì)時(shí)進(jìn)入該階段，此時(shí)液面出現(xiàn)大面積渾濁。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)大量的紅黏土細(xì)顆粒堆積在試樣頂面，說明試驗(yàn)過程中有大量紅黏土細(xì)顆粒通過砂層的孔隙被沖出，發(fā)生了接觸流失破壞。D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坡降為破壞坡降。如果進(jìn)口水頭已經(jīng)達(dá)到吊桶的最大水頭值，液面依然保持澄清，無(wú)細(xì)顆粒被帶出，說明未發(fā)生破壞，可終止試驗(yàn)。

圖5 滲透流速隨水力坡降的變化曲線

3.2 滲透系數(shù)的變化規(guī)律

滲透系數(shù)隨水力坡降的關(guān)系曲線如圖6，圖例表示試樣編號(hào)。由圖6可知，干密度越大，試樣的滲透系數(shù)越小。開始時(shí)，試樣滲透系數(shù)略微增大或保持恒定。此時(shí)紅黏土細(xì)顆粒幾乎未發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)水力坡降達(dá)到啟動(dòng)坡降時(shí)，滲透系數(shù)明顯增大。此時(shí)部分紅黏土細(xì)顆粒在滲流作用下發(fā)生了移動(dòng)，紅黏土層的抗?jié)B性能被削弱。當(dāng)水力坡降增大到一定程度時(shí)，滲透系數(shù)又趨于穩(wěn)定，說明發(fā)生移動(dòng)的紅黏土細(xì)顆粒有一部分進(jìn)入到砂層中，與砂層形成了次生反濾層，阻礙了接觸流失的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)水力坡降達(dá)到破壞坡降時(shí)，滲透系數(shù)突然增大，試樣發(fā)生了接觸流失破壞。

圖6 滲透系數(shù)隨水力坡降的變化曲線

3.3 抗?jié)B坡降的變化規(guī)律

砂與紅黏土的接觸流失破壞過程的滲透系數(shù)在整個(gè)變化曲線上有兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其橫坐標(biāo)分別為紅黏土細(xì)顆粒開始移動(dòng)的啟動(dòng)坡降和發(fā)生接觸流失的破壞坡降。不同干密度的紅黏土與砂在接觸面與水流方向呈不同夾角時(shí)的接觸流失破壞試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象相似，不同的是細(xì)顆粒開始移動(dòng)和發(fā)生接觸流失破壞的水力坡降不同。啟動(dòng)坡降和破壞坡降隨夾角的變化曲線見圖7。由圖7可知，當(dāng)水流方向與接觸面方向垂直時(shí)，啟動(dòng)坡降和破壞坡降均最小，最容易發(fā)生接觸流失破壞。隨著水流方向與接觸面的夾角逐漸減小，啟動(dòng)坡降和破壞坡降有所增大。因此，在進(jìn)行紅黏土心墻壩接觸流失破壞驗(yàn)算時(shí)，要特別注意接觸面與水流方向垂直的情況。

圖7 抗?jié)B坡降隨夾角的變化

啟動(dòng)坡降和破壞坡降隨紅黏土干密度的變化關(guān)系如圖8?？梢钥闯?，砂與紅黏土接觸流失的啟動(dòng)坡降和破壞坡降都隨紅黏土干密度的增大而增大。由于紅黏土干密度增大會(huì)使紅黏土顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，更難被沖蝕，砂和紅黏土發(fā)生接觸流失破壞的坡降增大。

圖8 抗?jié)B坡降隨紅黏土干密度的變化

4 結(jié) 論

根據(jù)雙層土的接觸流失試驗(yàn)，研究了不同干密度的紅黏土與砂在接觸面與水流方向呈不同夾角時(shí)的接觸流失破壞，所得如下結(jié)論。

(1)接觸流失的發(fā)生和發(fā)展可分為4個(gè)階段：穩(wěn)定階段、過渡階段、次生反濾層形成階段和破壞階段。滲透系數(shù)隨著水力坡降的增大，剛開始幾乎保持恒定，到達(dá)啟動(dòng)坡降后顯著增大，形成次生反濾層后又趨于穩(wěn)定，到達(dá)破壞坡降后突然增大。

(2)隨著紅黏土干密度的增大，接觸流失破壞越難發(fā)生。當(dāng)紅黏土和砂的接觸面與水流方向垂直時(shí)，最容易發(fā)生接觸流失破壞，隨著接觸面與水流方向夾角的減小，啟動(dòng)坡降和破壞坡降都有所增大。

(3)當(dāng)主要水流方向垂直于接觸面時(shí)，應(yīng)注意考慮接觸流失破壞，采取相應(yīng)防治措施，如增大心墻料的干密度，增大反濾層厚度，優(yōu)化反濾料級(jí)配等等。

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