劉光磊,王保田,李守德

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

研究表明,不同的河床透水層暴露深度對二元結構堤基的滲透變形發(fā)生、發(fā)展以及流量都有影響[1].堤基地層結構一般不會改變,而河床透水層暴露深度卻會由于人為或自然原因而發(fā)生變化.通常在進行懸掛式防滲墻的設計施工時,不會考慮河床透水層暴露深度的影響.目前進行的懸掛式防滲墻的模擬試驗研究都是針對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行的.入滲方式大致可以概括為2種:(a)“點入滲”方式[4-6],上游臨水面位于強透水層頂部;(b)“平行入滲”方式[7-14],即模型入水結構深入到設備底部,整個強透水層一側臨水.據(jù)堤基現(xiàn)場探測地質資料顯示,介于點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滲流場和懸掛式防滲墻控制作用影響的研究極少,本文主要針對較為普遍的二元結構堤基,即上、下2層分別為弱透水性的黏性土和強透水性的細砂土,通過模擬改變河床透水層暴露深度的室內砂槽試驗,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)展以及相關情況.

1 模型結構及試驗操作步驟

室內試驗所采用的滲流模型設計如圖1所示,其長、高、寬分別是200cm,100cm,10cm.在從左側起40cm處設進水裝置,通過其上閥門的開閉來調節(jié)上游水位,調節(jié)間距為5cm.距左側100cm和198crm處分別設置有直徑2cm的圓形滲流出口,為出水口和遠處溢出口.出水口是模擬堤腳附近存在的薄弱環(huán)節(jié)或管涌口,遠處溢出口是模擬無窮遠處的滲流出口.為了方便觀察土的滲透變形過程,試驗儀器采用1cm厚的透明有機玻璃加工而成.在儀器一側距頂部20cm和40cm處各設一排測壓管,以監(jiān)測沿程水位的變化情況.此外,還設有飽和裝置,供試驗前飽和土樣之用.

試驗模擬二元結構堤基,模型下層85cm填筑具強透水性的細砂層,上層填筑15cm具有弱透水性的粉質黏土.為保證室內試驗和現(xiàn)場情況一致,上述2種土均取自于長江大堤南京段.

由圖2分析可知,上層覆蓋粉質黏土顆粒分析曲線較為平緩,說明其級配不均勻,且基本粒徑均小于0.075mm,容易形成密實土體,起到封水作用,相應的其滲透系數(shù)也較小.細砂土的顆粒分析曲線呈臺階型,基本粒徑都大于0.075mm,級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《土的分類標準》,該細砂土級配不良,屬均勻土.根據(jù)GB50286—98《堤防工程設計規(guī)范》,該細砂土的破壞類型屬于流土破壞.

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

模型上層粉質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黏土制作.墻厚5 cm,設計深度20cm,位于上游入水口和出水口之間,見圖1.

上游進水裝置下方設置了塑料排水板,通過調節(jié)排水板深入細砂層的深度,完成河床透水層暴露深度改變的模擬.該試驗預定為5組,排水板深入細砂層深度h分別為0cm,10cm,20cm,30cm,40cm,再根據(jù)試驗結果決定是否再增加試驗.在進行每組試驗時,上游水位從7cm起,待每級水位下滲流場穩(wěn)定后再加下一個水頭,以5cm為一級增加.

定義:河床透水層暴露深度與整個透水層厚度之比為下切度;發(fā)生滲透變形時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、出水口之間水平距離60cm);沖刷通道發(fā)展并繞過防滲墻,防滲墻失去效用時的上游水頭為破壞水頭.

2 試驗成果及分析

2.1 試驗數(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.結合李向鳳等[7]在相同試驗條件下所得試驗數(shù)據(jù),塑料排水板深入細砂層深度為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組試驗結果相同.

表1 各方案試驗結果Table 1 Results of experimental schemes

由表1所示數(shù)據(jù)變化可以看出,滲流場中研究區(qū)域內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,即下切度位于0～0.47之間.當下切度大于0.47時,排水板深入透水層深度對于滲流場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 測壓管沿程變化

圖3是以上游水位H=22cm時為例,建立排水板深入細砂層不同深度時的測壓管沿程水位變化曲線.由圖3可以看出,在研究區(qū)域內(進、出水口之間60cm),隨著排水板進入細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影響滲流場研究區(qū)域內的水頭值,河床透水層暴露深度越深,研究區(qū)域內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,說明隨著河床透水層暴露深度的增加,其對滲流場的影響幅度在逐漸減小.

圖3 排水板深入細砂層不同深度測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 試驗現(xiàn)象

試驗過程中發(fā)現(xiàn),當上游水頭達到臨界水頭時,出水口流出的水比較渾濁,見圖4(a).通過有機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,表明滲透變形已經開始.當上游水頭繼續(xù)增加,2層土料接觸位置會出現(xiàn)水平方向的接觸沖刷.在水平沖刷的發(fā)展過程中,已沖刷部分下方一定范圍內會出現(xiàn)砂體塊狀脫離現(xiàn)象,圖4(c)為黏土層與細砂層界面沖刷的現(xiàn)象.滲流通道發(fā)展后,在黏土層和細砂層之間存在空隙,下層砂體在較強水力托動下出現(xiàn)脫離,這在沒有防滲墻的試驗中是沒有的.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,通道時堵時通,水流時慢時快.

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

水平沖刷向豎直沖刷發(fā)展后,由于豎直沖刷較水平沖刷困難,有一定能量的流水沖起的細砂會在防滲墻上方速度降低而下沉,如此反復沖起、沉淀,在緊貼防滲墻中上部形成循環(huán)現(xiàn)象.一般認為,當接觸沖刷發(fā)展至防滲墻上游后,防滲墻已經失去了作用,故當沖刷通道發(fā)展至防滲墻下方時,試驗結束.

2.4 出水口滲流量變化

圖5為試驗過程中每級上游水頭下滲流場穩(wěn)定后的滲流量和相應的上游水位關系曲線.各曲線最后1個滲流量為通道發(fā)展至防滲墻下方時記錄的沒有穩(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,部分部位還時有交叉,說明排水板的下切深度對于滲流量的影響不大.

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

3 結 論

a.試驗表明,隨著河床透水層暴露深度的增加,研究區(qū)域滲流場變化明顯,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滲流場影響幅度在逐漸減小,當透水層下切度達到某一數(shù)值繼續(xù)增加時,臨界水頭和破壞水頭趨于穩(wěn)定,滲流場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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