付長生,趙 堅,沈振中,杭學(xué)軍,張 松

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,江蘇 南京 210005;3.揚(yáng)州市勘測設(shè)計研究院有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225009)

工程實例表明,作為反濾材料的土工織物若選擇不當(dāng),使用過程中容易產(chǎn)生淤堵,影響反濾效果。為保證土工織物的反濾效果穩(wěn)定、持續(xù)、有效,可以通過土工織物與被保護(hù)土的淤堵試驗對土工織物進(jìn)行選型。筆者通過分析多組土工織物淤堵試驗所獲得的滲透系數(shù)(k)與時間(t)的關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn),在淤堵試驗初始階段,存在明顯的 “駝峰”形k～t關(guān)系(圖1),即包含被保護(hù)土和土工織物的透水體的滲透系數(shù)在試驗初期隨時間逐漸增大,經(jīng)過一段時間到達(dá)峰值后逐漸減小并趨于某一固定值。文獻(xiàn)[1-2]對淤堵試驗的“駝峰”現(xiàn)象有過描述,但只作了簡單解釋,未見深入分析。筆者將以試驗為基礎(chǔ),通過多因素綜合分析,探討“駝峰”產(chǎn)生的原因,分析影響k～t曲線峰值kmax、峰值出現(xiàn)時間T1和持續(xù)時間T2的主要因素及其敏感性。

圖1 k～t曲線

1 試驗?zāi)Ｐ图霸囼灧桨?/h2>

1.1 試驗原理

淤堵的過程是滲透系數(shù)逐漸變化并最終趨于某一定值的過程,本質(zhì)上是滲透變形的一種特殊情況。因此,可以參照達(dá)西滲透試驗原理設(shè)計土柱模型進(jìn)行室內(nèi)淤堵試驗。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

土柱模型試驗是土工織物淤堵試驗研究中最常用的方法,也是最簡單有效的方法。筆者采用此方法,利用循環(huán)水測試系統(tǒng)分別采用短筒及改進(jìn)的長筒模型進(jìn)行室內(nèi)模型試驗。

短筒模型參照SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》中常水頭70型滲透儀的原理制作而成,一般試驗土樣高度為8cm。改進(jìn)長筒模型是在文獻(xiàn)[3]推薦的長筒模型基礎(chǔ)上,針對本文研究需要加長試驗筒柱并沿筒柱增設(shè)測壓管口(間隔25mm)。改進(jìn)的模型筒由模型筒身、有機(jī)玻璃蓋、鋼筋吊緊螺栓等部分組成,筒身直徑為10 cm,高度為80 cm,模型筒身選用有機(jī)玻璃制作。改進(jìn)的長筒模型示意圖見圖2。

圖2 改進(jìn)的長筒模型示意圖

1.3 試驗流程

試驗時,按不同干密度、顆粒級配及細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)拌制土樣,并裝填到模型筒中,在土樣出水端鋪墊選定的土工織物。模型筒試樣從上到下分別為礫石層、粗砂層、土樣(改進(jìn)長筒模型中土樣高度為20cm,分別標(biāo)記Ⅰ～Ⅷ層)、土工織物、粗砂層、礫石層。進(jìn)水方式自上而下。裝樣完成后,進(jìn)行土樣飽和及排氣程序。飽和排氣時由模型筒下部進(jìn)水,需控制水頭緩慢增加,直至飽和排氣完成。此過程一般耗時較長,約24h以上,飽和過程中氣泡由下至上冒出,經(jīng)上部排氣閥排出。隨后,逐步增加水頭至合適值,觀察測壓管水頭高度,維持穩(wěn)定后開始測試,主要測量各觀察點(diǎn)測壓管水頭高度和試樣過水流量,并計算對應(yīng)的滲透系數(shù)。當(dāng)所測試樣滲透系數(shù)隨時間趨于一個穩(wěn)定值時,試驗結(jié)束。

1.4 試驗方案

初期試驗及相關(guān)文獻(xiàn)表明,影響淤堵試驗滲透系數(shù)“駝峰”形態(tài)的因素主要是外荷載、土工織物及土體三大類,本文據(jù)此選用水頭、土工織物單位面積質(zhì)量、細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒級配和干密度5個因素。用正交試驗方法,選擇 L18(21×37)正交表,設(shè)計了18組典型試驗工況來研究多因素對k～t曲線“駝峰”形態(tài)的影響。各試驗工況考慮了各個因素的不同水平值,以及土工織物單位面積質(zhì)量分別與水頭和細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用(表1)。

表1 正交試驗因素及水平

改進(jìn)長筒模型試驗分別選擇了300 g/m2和500g/m2的土工無紡布對同一土樣進(jìn)行對比試驗,主要研究土樣各層土體顆粒及不同規(guī)格土工織物對滲透系數(shù)的影響。

2 “駝峰”現(xiàn)象及其影響因素分析

2.1 短筒試驗k～t曲線上的“駝峰”現(xiàn)象

在試驗過程中,內(nèi)部土體未發(fā)生滲透變形,只是試樣的滲透系數(shù)發(fā)生了一定幅度的變化。圖3、圖4描繪了18組典型試驗工況所獲得的短筒試樣淤堵試驗k～t曲線,其中圖 3為相對低水頭(水頭差1m)的1～9工況的k～t曲線,圖4為相對高水頭(水頭差2m)的10～18工況的k～t曲線。由這2幅圖可見:①各工況組試驗k～t曲線均具有“駝峰”特征,且“駝峰”現(xiàn)象持續(xù)時間都在200h以上,說明在整個淤堵過程中材料存在相當(dāng)長一段時間的高滲透性階段。②各工況的駝峰峰值點(diǎn)左側(cè)曲線斜率比右側(cè)曲線斜率大,說明在淤堵初期材料的滲透系數(shù)會較快增大。k隨t變化的宏觀趨勢為先升后降,但在各時段內(nèi)呈現(xiàn)階段性凸凹起伏變化,這一點(diǎn)在1～9工況中更顯突出,10～18工況的較高水頭削弱了階段性的凹凸變化。③各工況的“駝峰”峰值出現(xiàn)時間有差異,持續(xù)時間約為峰值前的1.3倍。峰值出現(xiàn)時間最長的84h和最短的53h分別發(fā)生在水頭相對低的工況4和相對高的工況10。④各工況的“駝峰”峰值比滲透系數(shù)初始值及最終穩(wěn)定值大,不同水頭情況存在差異,1～9工況峰值約為初始值的5～10倍,是最終值的10～20倍;10～18工況峰值分別為初始值和最終值的10～20倍及 20～50倍,其中較大的峰值區(qū)在工況10～18下出現(xiàn),說明高水頭對峰值影響較大。⑤1～9工況的“駝峰”平均持續(xù)時間比工況10～18的長,說明低水頭更易延長“駝峰”的出現(xiàn)時間及持續(xù)時間。

2.2 “駝峰”現(xiàn)象影響因素分析

圖3 淤堵試驗 k～t曲線(工況1～9)

圖4 淤堵試驗 k～t曲線(工況10～18)

由圖3和圖4可見,各典型工況試驗都出現(xiàn)了“駝峰”形k～t關(guān)系曲線,且各工況“駝峰”曲線的峰值kmax、峰值出現(xiàn)時間T1及峰值持續(xù)時間T2存在差異。下面將以此三要素作為考察指標(biāo),對試驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

2.2.1 單指標(biāo)方差分析

按照正交試驗方差分析方法,求得考察指標(biāo)kmax,T1及T2的偏差平方和,進(jìn)行F值檢驗,判斷各因素的顯著性,并通過顯著性檢驗得到各因素的敏感性關(guān)系。

由單指標(biāo)kmax方差分析結(jié)果可知,除細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不顯著外,其他因素都是顯著或者高度顯著因素,說明除細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)外,其他因素都或多或少地對峰值產(chǎn)生影響。F值確定顯著性由大到小的排列順序為:X1,X4,X2,X2×X3,X1×X2,X5,X3。

指標(biāo)T1的方差分析結(jié)果表明,水頭因素為高度顯著因素,細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及顆粒級配因素均為不顯著因素,其他因素均為顯著因素。各因素的 F值差異較大,高度顯著因素的F值為顯著因素的3倍多,說明在T1單指標(biāo)考察中,水頭影響占據(jù)絕對地位。F值確定由大到小的顯著性排列為:X1,X5,X2×X3,X1×X2,X2,X4,X3。

各因素對T2指標(biāo)的影響中,水頭為高度顯著因素,水頭與土工織物單位面積質(zhì)量的交互作用和干密度為顯著因素,細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒級配為不顯著因素,F值確定由大到小的顯著性排列為:X1,X5,X1×X2,X2×X3,X2,X4,X3。除一般顯著因素外,最顯著和不顯著因素與T1指標(biāo)的方差分析結(jié)果相近。

2.2.2 多指標(biāo)方差分析

多指標(biāo)分析的思路是“化多為單”,由于本試驗的3個指標(biāo)的影響權(quán)重不確定,宜采用回歸評分法“化多為單”。首先進(jìn)行經(jīng)驗打分,再利用 Excel的linest函數(shù)計算三元函數(shù)回歸分析,得到回歸系數(shù)及相應(yīng)統(tǒng)計量,根據(jù)回歸方程獲得回歸得分。

經(jīng)計算,得回歸方程為

根據(jù)此方程計算回歸得分,即綜合指標(biāo),對綜合指標(biāo)進(jìn)行方差分析。由方差分析結(jié)果(表2)可知,水頭與土工織物單位面積質(zhì)量的交互作用對綜合指標(biāo)的影響最大,為高度顯著因素;土樣干密度、水頭、細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土工織物單位面積質(zhì)量的交互作用為顯著因素;影響最小的是細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顆粒級配,為不顯著因素。

表2 綜合指標(biāo)的方差分析結(jié)果

綜上所述:①“峰值”現(xiàn)象反映的是滲透系數(shù)波動變化過程,滲透系數(shù)波動主要由顆粒移動導(dǎo)致的土樣結(jié)構(gòu)變化引起,這種結(jié)構(gòu)變化會隨著時間推移并在無新的外力作用下趨于平衡狀態(tài),使?jié)B透系數(shù)波動較小直至穩(wěn)定;②水頭是單因素分析中影響最顯著的因素,水頭作為滲透水流的直接驅(qū)動力是導(dǎo)致土顆粒移動的主要因素;③土樣干密度、顆粒級配等為顆粒移動提供了客觀條件,但如果缺少外加荷載的作用,不論顆粒級配如何,不論干密度如何變化,顆粒也不會產(chǎn)生運(yùn)動;④指標(biāo)T1,T2受各個影響因素的影響幾乎是一致的,說明峰值的出現(xiàn)時間越遲,峰值持續(xù)時間也越長。

3 “駝峰”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

3.1 長筒試驗各層的“駝峰”現(xiàn)象

圖5為300g/m2和500g/m2土工織物長筒試驗土柱各段的k～t曲線。由圖5可見,土樣最上2層(Ⅶ層、Ⅷ層)的滲透系數(shù)最大,達(dá)到5.0×10-5cm/s左右,為整體滲透系數(shù)的2倍左右。土樣中部Ⅳ層、Ⅴ層、Ⅵ層的滲透系數(shù)最小,與上部Ⅶ層、Ⅷ層的滲透系數(shù)相差近1個數(shù)量級。其他分段土層的滲透系數(shù)較接近,這在500g/m2的試驗組中反映較明顯?？梢?組試驗土樣中都出現(xiàn)了3個滲透系數(shù)分層化區(qū)域。滲透系數(shù)變化的總體規(guī)律是兩端最大、中間最小。

選擇500g/m2土工織物試驗組的數(shù)據(jù),將3個分層化區(qū)域的滲透系數(shù)變化情況繪成曲線,見圖6,可見,每個分層化區(qū)域的滲透系數(shù)也都存在“駝峰”現(xiàn)象,且以土樣上下2端區(qū)域最明顯。

圖5 土樣各土層 k～t曲線

圖6 土層上、中、下各部分及整體k～t曲線

3.2 原因分析

通過上述對試驗數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為引起“駝峰”現(xiàn)象的主要原因是試樣兩端進(jìn)出水口附近的土體受到水體流動引起的不平衡力及不平衡力矩較大,其中較細(xì)的土顆粒在滲透力拖曳下容易發(fā)生不規(guī)則移動,甚至隨水流流出土體,從而改變了該區(qū)域土層的結(jié)構(gòu),使得滲透系數(shù)發(fā)生變化。而這種現(xiàn)象也在土樣內(nèi)部發(fā)生,只是這里的土樣結(jié)構(gòu)在兩端土體的“制約”下受到的不平衡外力較小,引起的顆粒移動也較少,土層結(jié)構(gòu)變化波動幅度相對較小。每一層土樣或多或少地發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變,表現(xiàn)為滲透系數(shù)變化,最后集中表現(xiàn)為土樣整體滲透系數(shù)的“駝峰”現(xiàn)象?？梢?土工織物淤堵試驗過程中形成的滲透系數(shù)與時間的“駝峰”現(xiàn)象來自土樣細(xì)顆粒移動引起的土樣和土工織物內(nèi)部過水通道結(jié)構(gòu)變化,且這種變化經(jīng)過一定時間調(diào)整后會逐漸趨于穩(wěn)定。

長筒試驗相對短筒試驗而言是一種“放大”,目的是探明究竟是哪一層土性質(zhì)的變化引起了“駝峰”現(xiàn)象,兩者試驗結(jié)果是一致的。試驗結(jié)果分析表明:對特定的試驗土樣,試驗時為減小“駝峰”現(xiàn)象的影響,可以降低試驗水頭,在實際工程中,特別是新建初次使用的防滲工程,需要注意蓄水過程及防滲體的顆粒級配、干密度等。

4 結(jié) 語

土工織物淤堵試驗過程中形成的滲透系數(shù)與時間的“駝峰”現(xiàn)象受到水頭、土工織物單位面積質(zhì)量、細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒級配、干密度等因素的影響。其中,水頭、顆粒級配及干密度影響最大。顯然本文討論的現(xiàn)象在實際工程中亦可能發(fā)生,特別是新建的反濾工程。從防止?jié)B透變形和減少淤堵的角度看,應(yīng)在設(shè)計和施工等環(huán)節(jié)考慮避免出現(xiàn)“駝峰”高峰值和縮短其出現(xiàn)期的措施。

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