夏兵兵 車友明 陳亮

【摘要】實(shí)際工程中可發(fā)現(xiàn)滲流場中，水壓力的變化存在有遲滯性，此過程主要與含水層性質(zhì)及水頭變化等因素有關(guān)。含水層土體孔隙壁可認(rèn)為是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻礙，由于其對(duì)水體運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，水體在土層中的運(yùn)動(dòng)存在變化，此過程為非穩(wěn)定滲流問題。目前對(duì)于滲流的分析大多基于穩(wěn)定水頭條件下，然而實(shí)際工況下非穩(wěn)定水頭下水體運(yùn)動(dòng)特性更具有實(shí)際研究意義，土體的非穩(wěn)定滲流特性復(fù)雜性。本論文將對(duì)非穩(wěn)定水頭條件下細(xì)砂中水體滲流特性進(jìn)行研究分析。

【關(guān)鍵詞】滲流；非穩(wěn)定水頭；遲滯性

1856年，法國工程師達(dá)西[1]在通過試驗(yàn)研究提出線性滲流理論，即目前得到廣泛應(yīng)用的達(dá)西定律，線性傳遞方程，認(rèn)定水壓力變化在含水層中是以極大速度傳遞的，即其同一時(shí)間傳遞到滲流場各點(diǎn)。本論文將含水層類比成多孔介質(zhì)進(jìn)行水體滲透性試驗(yàn)研究，依據(jù)滲透阻尼理論[2-6]，介質(zhì)內(nèi)孔隙壁在流體運(yùn)動(dòng)時(shí)起到阻礙影響。特別對(duì)于土石壩，滲流問題分析顯得尤為重要。國內(nèi)外土石壩占份額62%以上，高大于230m的16座大壩中，有9座位于我國[7]，己建成的八萬多座大壩中，土石壩占據(jù)很大份額[7]。滲流在引起土壩垮壩各要素中起主導(dǎo)影響，據(jù)國內(nèi)外土壩失事的140例統(tǒng)計(jì)分析，其45%事故由于滲流問題而導(dǎo)致的。

通過室內(nèi)模型槽模擬承壓含水層，水槽填裝細(xì)砂（模擬土石壩），對(duì)上游非穩(wěn)定水頭作用下細(xì)砂中水壓力傳遞規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究及分析。

1 、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)槽尺寸180×10×18.5（cm）。試驗(yàn)槽表間隔22cm置8個(gè)水壓力傳感器，在槽首尾部設(shè)置入/出水艙室，入水艙室注水，下游控制水頭及出水。

實(shí)驗(yàn)水槽填裝土樣艙室長180cm，寬10cm，高18.5cm，傳感器間距22cm，上游水頭入水口與第一個(gè)傳感器距離為22cm。傳感器在試驗(yàn)水槽布置點(diǎn)參考現(xiàn)場某水庫滲壓計(jì)的布置，室內(nèi)模型局限性，增加若干布置點(diǎn)，測點(diǎn)越多則越能反映土層整體的水壓力數(shù)據(jù)變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)土樣

實(shí)驗(yàn)土樣裝填參數(shù)如表1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

對(duì)比分析不同粒徑無粘性土層水體滲流過程中運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用自制試驗(yàn)水槽與數(shù)據(jù)采集儀，分組填裝無粘性土樣。分為四次重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

具體操作步驟如下：

1）、填裝土樣：水槽內(nèi)壁涂凡士林，防止?jié)B流側(cè)壁形成優(yōu)勢流，按預(yù)定的密實(shí)度分層填裝土樣、蓋板，四周螺絲和玻璃膠密封；槽中加水，使土樣飽和；

2）、非穩(wěn)定滲流（水頭提升）試驗(yàn)：采逐級(jí)/躍變提升方式試驗(yàn)，槽尾部水位控制口設(shè)置在固定位置。模擬非穩(wěn)定滲流過程，固定上游水頭，先采集數(shù)據(jù)至20s左右，后勻速拉升水頭，待拉升合適高度固定水頭，此階段為非穩(wěn)定滲流，同時(shí)采集整個(gè)過程的水壓力數(shù)據(jù)。提升速度：慢速及快速兩種；

3）、非穩(wěn)定滲流（水頭下降）試驗(yàn)：降水頭試驗(yàn)可看成是升水頭試驗(yàn)的逆過程。試驗(yàn)方法同上，固定上游水頭，采集數(shù)據(jù)至20s左右，勻速降低水頭，合適固定水頭，注意采集完整變化過程。水頭箱下降速度：慢速及快速兩種。

2、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)完畢數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)細(xì)砂組過程，相較于前期細(xì)礫土樣，細(xì)砂層中水壓力傳遞存在明顯的滯后性現(xiàn)象。具體數(shù)據(jù)描述如下：

1）水力梯度變化范圍0.42～0.58

圖1直觀得出測點(diǎn)1至點(diǎn)8水頭提升，即上游水頭變化過程土層中水壓力的變化情況?？傻贸錾嫌嗡^變化條件下，水壓力的啟動(dòng)及穩(wěn)定勻未同時(shí)啟動(dòng)，存在明顯滯后時(shí)間，傳遞滯后性。圖a及圖b對(duì)比得出，上游水頭提升速度對(duì)土層中水壓力變化的影響性。上游水頭變化越快，土層中水壓力變化也越快。

2）水力梯度變化范圍0.58～0.70

圖2直觀看測點(diǎn)1至點(diǎn)8在上游水頭提升過程，即上游水頭變化的過程中土層中水壓力的變化情況。得出在上游水頭變化下，水壓力啟動(dòng)以及穩(wěn)定未同時(shí)進(jìn)行，存在明顯的滯后時(shí)間，水壓傳遞存在滯后性。圖3-11a及3-11b對(duì)比得出，水頭提升對(duì)土層中水壓力的影響，上游水頭變化越快，土層中水壓力變化也越快。

3 、結(jié)論

通過室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究了非穩(wěn)定水頭作用下，細(xì)砂中非穩(wěn)定滲流特性，得出細(xì)砂中非穩(wěn)定滲流過程中水壓力的傳遞特性，即存在滯后現(xiàn)象，其傳遞規(guī)律與水頭變動(dòng)速度、水力梯度等因素有關(guān)，同時(shí)也不能忽視啟動(dòng)水力梯度因素。

結(jié)合現(xiàn)場土樣數(shù)據(jù)進(jìn)行多類別實(shí)驗(yàn)，使研究成果具有普遍參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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