曹 洪，朱東風(fēng)，范 澤，駱冠勇，潘 泓

（1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640；2. 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

1 研究背景

地下結(jié)構(gòu)采用排水減壓抗浮技術(shù)時(shí)需要利用基坑的止水帷幕截滲止水［1］，常見(jiàn)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_(kāi)挖階段，縫隙出口是臨空面，滲漏量可能隨時(shí)間而增大。當(dāng)止水帷幕后期用于排水減壓抗浮時(shí)，其縫隙出口由于回填土而沒(méi)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(wèn)題。

在以往的研究中，滲漏流量逐漸減小的現(xiàn)象被稱(chēng)為“自愈”現(xiàn)象。“自愈”概念被用于描述堤壩黏土心墻裂縫滲漏量降低的現(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(hù)［2-4］。黏土心墻裂縫“自愈”的機(jī)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(huì)被沖刷，其“自愈”機(jī)理與黏土心墻裂縫不同。

目前對(duì)剛性縫滲流問(wèn)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(gè)附加阻力長(zhǎng)度并給出了相應(yīng)的計(jì)算式；朱丹等［7］推導(dǎo)了板樁縫隙及前后區(qū)域的滲流場(chǎng)，并初步討論了縫隙內(nèi)滲透系數(shù)變化對(duì)滲流場(chǎng)的影響。由于有自愈過(guò)程存在，實(shí)際滲流量與理論計(jì)算有較大的差異，工程中常以經(jīng)驗(yàn)取值。曹洪等［8］在處理鋼板樁圍堰抗?jié)B問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)，滲入流量隨著抽水進(jìn)程逐漸降低，原因在于鋼板樁接縫在抽水過(guò)程中滯留了大量砂顆粒，縫內(nèi)逐漸被填充壓實(shí)；羅彥［9］基于這一發(fā)現(xiàn)，開(kāi)展了若干室內(nèi)模型試驗(yàn)，初步研究了鋼板樁縫隙的滲漏過(guò)程；丁留謙等［10］則對(duì)土石壩面板縫隙的滲流問(wèn)題進(jìn)行了理論和數(shù)值分析。

對(duì)于剛性縫壁的縫隙滲流問(wèn)題，以往研究以理論分析和初步試驗(yàn)為主，對(duì)常見(jiàn)的止水帷幕縫隙滲漏問(wèn)題研究也不夠深入。因此，開(kāi)展具有普遍意義的縫隙滲流試驗(yàn)研究很有必要。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置自行設(shè)計(jì)并制作滲流試驗(yàn)砂槽模型，見(jiàn)圖1。模型由供水加壓裝置、模型箱、測(cè)壓裝置等組成。模型箱采用10 mm厚的有機(jī)玻璃制成，外側(cè)使用角鋼框架加固。在砂樣進(jìn)口和出口處設(shè)置了200 目紗網(wǎng)保護(hù)。用有機(jī)玻璃黏合成上下兩個(gè)長(zhǎng)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)?？p隙沿水流方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，縫隙長(zhǎng)度按50 mm 和30 mm 設(shè)置，圖1 中為50 mm；豎直向?yàn)閷挾确较?，寬度?0 mm，見(jiàn)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(guò)升降改變模型的上游水頭。水源1兩次通過(guò)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(guò)排氣管定時(shí)排出。下游水箱用于砂顆粒沉積，并可通過(guò)底部收集閥取出觀察。

模型箱側(cè)面共布置了46根測(cè)壓管，見(jiàn)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(jìn)水端的紗網(wǎng)后，46#連接水袋。測(cè)壓管位于砂樣一端包裹200目紗網(wǎng)，伸入砂樣的長(zhǎng)度為40 mm。17a#和17b#兩管相距17 mm，在縫隙中對(duì)稱(chēng)設(shè)置。圖2中虛線表示縫隙長(zhǎng)度為30 mm的情形。

圖2 測(cè)壓管布置圖（單位：mm）

2.2 試驗(yàn)砂樣試驗(yàn)砂樣S1—S4采用純凈的石英砂，不含有機(jī)質(zhì)及黏粒，分為粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂4類(lèi)，砂樣顆分曲線和參數(shù)見(jiàn)圖3和表1。S2級(jí)配不連續(xù)，缺少0.5 ～1 mm粒級(jí)；S1、S3和S4級(jí)配連續(xù)，S3 和S4 顆粒較細(xì)，最大粒徑分別為2 mm和1 mm。S1—S4均含有小于0.075 mm無(wú)黏性細(xì)顆粒，未作進(jìn)一步細(xì)分。為了便于觀察縫隙附近砂顆粒運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)置一組預(yù)備試驗(yàn)，采用黃色河砂S5。按照Cu＜10為流土類(lèi)土的標(biāo)準(zhǔn)判斷，除S2 外各砂樣均屬于流土類(lèi)土，但S2也位于過(guò)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(shí)，噴水量約為每層砂樣質(zhì)量的10%。為防止填砂過(guò)程中砂顆粒把縫隙填滿(mǎn)，在填砂前先在縫隙中塞入粗顆粒工業(yè)鹽，試驗(yàn)時(shí)鹽被溶解以形成空縫隙。

圖3 砂樣級(jí)配曲線

表1 試驗(yàn)砂樣參數(shù)

模型箱封閉后開(kāi)始排氣過(guò)程。首先向水袋供水，使46#管讀數(shù)高于供水箱1的預(yù)計(jì)最高水位300 mm時(shí)固定供水箱2；然后打開(kāi)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(shí)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(kāi)所有測(cè)壓管外露一端，使水?dāng)y氣滲出，保持該狀態(tài)24 h。

排氣完畢后，將測(cè)壓管外露一端與測(cè)壓板相連，開(kāi)始加載過(guò)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(shí)，按升壓→穩(wěn)壓→升壓→穩(wěn)壓的順序進(jìn)行。每次升壓高度60 mm，持續(xù)時(shí)間30 min，每次升壓使平均坡降升高約0.1～0.13。當(dāng)砂樣平均坡降升至約0.7時(shí)，維持水頭不變一段時(shí)間；此后再次升壓，至平均坡降達(dá)到1.2左右，再次穩(wěn)壓一段時(shí)間。

2.4 試驗(yàn)分組按照不同的砂樣級(jí)配和縫隙長(zhǎng)度進(jìn)行組合，共進(jìn)行6次試驗(yàn)（T1—T6），見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)安排

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 預(yù)備試驗(yàn)砂顆粒運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象設(shè)置一組預(yù)備試驗(yàn)以觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。預(yù)備試驗(yàn)上游砂樣采用黃砂S5，下游砂樣采用白色石英砂并按S5級(jí)配拌制。加載過(guò)程中可以觀察到縫隙前方有部分黃砂進(jìn)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(jiàn)圖4（a）。下游水箱中有渾水流出，沉淀后可見(jiàn)薄層極細(xì)砂顆粒，見(jiàn)圖4（b）。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)象

由上述現(xiàn)象可推測(cè)：由于縫寬（10 mm）遠(yuǎn)大于砂顆粒直徑，縫隙進(jìn)口處相當(dāng)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(xì)顆粒可以穿透其孔隙。雖然本試驗(yàn)所用砂樣為流土型，但仍有少量細(xì)顆粒在滲流作用下啟動(dòng)而流失，使得下游出現(xiàn)渾水現(xiàn)象。

3.2 總流量隨時(shí)間變化圖5（a）為T(mén)1—T6的總水頭差ΔH過(guò)程線，每個(gè)試驗(yàn)可分為兩次升壓和兩次穩(wěn)壓過(guò)程。圖5（b）為T(mén)1—T6的總流量Q的過(guò)程線?？梢?jiàn)在升壓階段，總流量隨總水頭同步升高；在穩(wěn)壓階段，各試驗(yàn)均出現(xiàn)總流量隨時(shí)間逐漸降低現(xiàn)象，且T1、T3和T4在第二次穩(wěn)壓階段時(shí)總流量下降更明顯。上述現(xiàn)象說(shuō)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(shí)間而下降。

圖5 總水頭及總流量隨時(shí)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(cè)值計(jì)算相對(duì)水頭（圖6），相對(duì)水頭以45#管讀數(shù)為基準(zhǔn)，原點(diǎn)見(jiàn)圖2。圖6相對(duì)水頭線中，實(shí)線為升壓階段每級(jí)測(cè)壓管值，虛線為穩(wěn)壓階段初次測(cè)值。

圖6中縫內(nèi)測(cè)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(qiáng)。當(dāng)相對(duì)水頭較低時(shí)，縫隙前后沿程水頭曲線以縫隙中心呈反對(duì)稱(chēng)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(kāi)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(jìn)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(yuǎn)（21#—26#）的曲線則近似直線，且斜率隨水頭提升變化不大。這說(shuō)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(dòng)和聚集。T2—T6沿程水頭的發(fā)展過(guò)程與T1相似。

圖6 T1沿程水頭分布

取所有試驗(yàn)首次穩(wěn)壓開(kāi)始5 ～8 h后的沿程水頭繪制于圖7（a），用相鄰測(cè)壓管值求出相應(yīng)的水力坡降繪于圖7（b）?？梢?jiàn)水力坡降最大值都出現(xiàn)在縫隙出入口位置；除T6外，所有試驗(yàn)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(jìn)式增長(zhǎng)，而其余試驗(yàn)則表現(xiàn)為跳躍式增長(zhǎng)，這說(shuō)明各試驗(yàn)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(gè)高阻力區(qū)，這也導(dǎo)致T2和T4在止水帷幕縫隙前后區(qū)域的實(shí)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(cè)壓管間水力坡降較低，比上游側(cè)對(duì)應(yīng)的15#—16#測(cè)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(jiǎn)單的按均勻流計(jì)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(jìn)口、縫隙內(nèi)、縫隙出口及下游縫口五個(gè)區(qū)段，縫隙區(qū)域以外為上下游遠(yuǎn)離區(qū)域，劃分詳見(jiàn)圖8。

上下游遠(yuǎn)離縫隙區(qū)和縫隙內(nèi)的區(qū)域的過(guò)水?dāng)嗝鏋榈冉孛妫瓢淳鶆蛄骺紤]，采用達(dá)西定律計(jì)算其滲透系數(shù)K：

式中：l和Δh分別為計(jì)算所采用的兩根測(cè)壓管間的距離和水頭差，上游遠(yuǎn)離區(qū)取14#—15#管間數(shù)據(jù)，下游遠(yuǎn)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(guò)水?dāng)嗝鎸挾?，?20 mm；M為過(guò)水?dāng)嗝婧穸?，?duì)于上下游遠(yuǎn)離縫隙區(qū)域，M=160 mm，對(duì)于縫隙內(nèi)區(qū)域，M=b=10 mm，b為縫隙寬，見(jiàn)圖8。

當(dāng)縫隙長(zhǎng)度為50 mm 時(shí)（T1、T2），17#、18#管緊貼縫口，縫隙進(jìn)出口段（17#—17a#和17b#—18#間）的K值可按（1）式計(jì)算。上下游縫口段（16#—17#和18#—21#間）的滲流較復(fù)雜，在均質(zhì)滲流場(chǎng)中可近似看成中心在縫隙入口中點(diǎn)處的半個(gè)承壓完整井，井直徑為縫隙寬度b，井的濾管長(zhǎng)度即為模型箱過(guò)水?dāng)嗝鎸挾戎礏，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(gè)測(cè)壓管分別到縫隙入口中點(diǎn)的距離；Δh為這兩個(gè)測(cè)壓管的水頭差。在下游側(cè)時(shí)Q取負(fù)值。

當(dāng)模型的縫隙長(zhǎng)度為30 mm 時(shí)（T3—T6），16#—17#管和18#—21#管間砂樣的K 值仍按（2）式計(jì)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(cè)壓管17#—17a#和17b#—18#間的區(qū)域跨過(guò)縫口，可按半個(gè)承壓井流與縫隙內(nèi)的一小段均勻流串聯(lián)計(jì)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(zhǎng)度見(jiàn)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(gè)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(jí)時(shí)的計(jì)算值，最終滲透系數(shù)為第二次穩(wěn)壓后期三次計(jì)算結(jié)果的平均值。

由表3的結(jié)果可知，在上下游遠(yuǎn)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(gè)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(jí)配砂樣S2，該砂樣裝填不易密實(shí)且細(xì)顆粒較容易移動(dòng)。T5和T6縫隙上游裝填了較細(xì)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(lèi)似趨勢(shì)，僅T4 和T5 有所增加。而縫隙進(jìn)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(shì)，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(cè)應(yīng)是砂樣大量進(jìn)入縫隙，而其余試驗(yàn)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(lái)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(shì)，其原因可能在于該區(qū)域砂顆粒聚集導(dǎo)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(shí)間的變化將各試驗(yàn)滲透系數(shù)隨時(shí)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(guò)程。圖中三條豎直虛線從左到右表示三個(gè)時(shí)間點(diǎn)：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(shí)，滲透系數(shù)在下游縫口下降，上游縫口有所上升，在縫隙進(jìn)出口處略高。第一次穩(wěn)壓時(shí)，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(shí)，縫隙進(jìn)口段滲透系數(shù)開(kāi)始有所下降，然后再上升，其余3個(gè)區(qū)域均上升。第二次穩(wěn)壓時(shí)，開(kāi)始時(shí)各段滲透系數(shù)都有所上升，上游縫口及縫隙進(jìn)口上升持續(xù)時(shí)間短（1 ～2h），縫隙出口及下游縫口持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（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(jìn)出口段及縫隙內(nèi)滲透系數(shù)遠(yuǎn)比T1高；除縫隙出口區(qū)的滲透系數(shù)在二次穩(wěn)壓時(shí)略有下降外，其他各區(qū)域未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，縫隙進(jìn)口處略有上升。

在T3和T4中，與T1和T2相比，縫隙長(zhǎng)度縮短為30 mm。由于縫隙較短，砂粒較易進(jìn)入并被壓實(shí)。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(jìn)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(shì)，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(shí)均有下降趨勢(shì)；T4則與T2相似，各段下降趨勢(shì)并不顯著。

在T5 和T6 中，縫隙上游都采用了較細(xì)的砂樣S3 和S4（S4 更細(xì)），下游則為砂樣S1。不同的是，S3裝填更密實(shí)，因此T5上游縫口滲透系數(shù)更低。第一次升壓后，二試驗(yàn)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(dá)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(mǎn)上游涌入的砂樣。此后，T6縫隙內(nèi)滲透性再無(wú)顯著下降，表明封內(nèi)砂樣已逐步密實(shí)。因?yàn)榭p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(shí)顯著下降。

3.6 縫隙及前后區(qū)域的等水頭線由于試驗(yàn)為二維模型，水頭分布也應(yīng)該是二維的，為此取靠近縫隙的測(cè)壓管數(shù)據(jù)，繪制等水頭線圖。各測(cè)壓管之間區(qū)域的等水頭線按等間距插值得到。

圖10為T(mén)1第一次維持壓力開(kāi)始（t=4.1 h）及結(jié)束時(shí)（t=23.2h）縫隙附近區(qū)域的等水頭線，圖中圓圈位置表示測(cè)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(jiàn)，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(duì)應(yīng)，因?yàn)?1#—23#管位于流速相對(duì)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(guò)水?dāng)嗝婕眲U(kuò)大，導(dǎo)致滲流速度急劇降低，上游帶來(lái)的細(xì)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。縫隙上游區(qū)域等水頭線開(kāi)始時(shí)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(jìn)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(jìn)、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(shí)縫隙附近的等水頭線，對(duì)應(yīng)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(duì)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(xì)，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(wú)等水頭線分布，說(shuō)明縫隙內(nèi)未被填充密實(shí)，等水頭線密集區(qū)在上游縫口。T6縫隙內(nèi)則被填滿(mǎn)，等水頭線集中于縫隙進(jìn)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）

4 縫隙滲漏變化過(guò)程的影響因素

在試驗(yàn)中，砂樣裝填的密實(shí)程度可用孔隙率n表征，砂樣的粗細(xì)可用有效粒徑d10值表征。各試驗(yàn)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(yuǎn)離區(qū)砂樣的初始滲透系數(shù)（見(jiàn)表3）；C為Carman常數(shù)，對(duì)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(dòng)力黏度，根據(jù)試驗(yàn)水溫取值；e為孔隙比；n為孔隙率。

為評(píng)估各試驗(yàn)透水性變化程度，計(jì)算各試驗(yàn)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(jìn)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(fù)值時(shí)表示單位流量上升，縫隙滲漏量增加，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果匯總

從表4的結(jié)果來(lái)看，第一次穩(wěn)壓時(shí)，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(shí)，所有試驗(yàn)的滲漏量都降低?？傮w來(lái)看，上游砂樣越細(xì)，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(lái)看，止水帷幕縫隙滲漏量下降的實(shí)質(zhì)是由于砂樣顆粒移動(dòng)和聚集導(dǎo)致了淤堵的產(chǎn)生，淤堵位置可能在上下游縫口、縫隙進(jìn)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(guò)程伴隨著砂樣局部滲透破壞的發(fā)生，滲透破壞過(guò)程與級(jí)配、粒徑、密實(shí)程度及水力條件密切相關(guān)。以下分析這些因素對(duì)滲漏過(guò)程的影響。

4.1 砂樣特征砂樣特征包含砂樣級(jí)配、粒徑和密實(shí)程度幾個(gè)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(duì)值b/d85來(lái)表征。Valdes等開(kāi)展了模擬試驗(yàn)，認(rèn)為此值小于5時(shí)，在縫隙進(jìn)口處可由粗顆粒相互接觸頂托而產(chǎn)生“拱”效應(yīng)，對(duì)后續(xù)的砂顆粒產(chǎn)生保護(hù)作用，避免砂樣大量涌入縫中；而當(dāng)此值大于5 時(shí)，“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(yīng)，砂樣未大量進(jìn)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(yīng)，砂樣可以大量進(jìn)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(shí)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(rèn)為，在級(jí)配穩(wěn)定的砂樣中，粗細(xì)顆粒逐級(jí)接觸，使得細(xì)顆粒不易在滲流作用下移動(dòng)，已經(jīng)發(fā)生移動(dòng)的細(xì)顆粒也容易被粗一級(jí)的顆粒攔截，而級(jí)配不穩(wěn)定的砂樣（包括不連續(xù)級(jí)配、寬級(jí)配等）細(xì)顆粒容易移動(dòng)，且由于級(jí)配缺陷細(xì)顆粒難以被攔截［15］。由圖3級(jí)配曲線判斷，S1的穩(wěn)定性要優(yōu)于S2，S2中的細(xì)顆粒更容易移動(dòng)，但對(duì)于細(xì)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(xì)顆粒由于不能被下游砂樣攔截，大量移動(dòng)到下游紗網(wǎng)處，見(jiàn)圖7（b）。這里可以推測(cè)，若T2和T4中下游砂樣采用級(jí)配穩(wěn)定砂，則縫隙滲漏量的降低效果更顯著。此外，對(duì)比T2和T4，二者均采用S2，但T2的砂樣更密實(shí)（砂樣孔隙更細(xì)），對(duì)細(xì)顆粒的攔截能力稍強(qiáng)，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(lái)看，上下游縫口和縫隙進(jìn)出口處的坡降急劇增大，而水流經(jīng)過(guò)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(guò)水?dāng)嗝鏈p小導(dǎo)致坡降增加，為顆粒運(yùn)動(dòng)提供了驅(qū)動(dòng)力，顆粒運(yùn)動(dòng)到下游縫口時(shí)，由于過(guò)水?dāng)嗝嬖黾佣魉傧陆?，顆粒在此處淤積導(dǎo)致坡降上升，此后的過(guò)水?dāng)嗝嬖龃笄冶３植蛔?，坡降迅速下降，直至下游出口處紗網(wǎng)的攔截導(dǎo)致坡降又有所增加。

一般而言，在水平方向上，無(wú)黏性土局部發(fā)生滲透破壞需要的坡降值較小。因此，在預(yù)備試驗(yàn)加載初期，可以觀察到下游出渾水現(xiàn)象。這個(gè)過(guò)程中砂樣細(xì)顆粒被水流攜帶向下游移動(dòng)，但粗顆粒保持穩(wěn)定，使得砂樣整體仍穩(wěn)定。當(dāng)上游縫口有“拱”效應(yīng)保護(hù)時(shí)，進(jìn)入縫隙內(nèi)的粗顆粒不多，縫隙內(nèi)可以保持暢通，僅細(xì)顆粒向下游運(yùn)動(dòng)。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(kāi)裂而變疏松，產(chǎn)生“蝶形”等水頭線，并使過(guò)水能力增加。但這個(gè)過(guò)程是短暫的，當(dāng)壓力穩(wěn)定后會(huì)逐步停止。

從圖9中觀察，幾乎所有試驗(yàn)在水頭增加時(shí)，各區(qū)段滲透性增強(qiáng)；當(dāng)水頭穩(wěn)定時(shí)，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(duì)穩(wěn)定的水力條件，水頭增加的擾動(dòng)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(huì)導(dǎo)致總滲漏量增加［10］。對(duì)比T2和T4可知，縫隙較短時(shí)縫隙內(nèi)的滲透系數(shù)較低，這是因?yàn)檩^短的縫隙容納能力更低，更容易被砂顆粒填充?？p隙彎折變化在本文試驗(yàn)中未明確體現(xiàn)，但可以推測(cè)，除非縫隙中大量涌入細(xì)砂，所有試驗(yàn)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(zhǎng)直縫隙等效。

5 結(jié)論

本文采用自行設(shè)計(jì)制作的砂槽模型，開(kāi)展了止水帷幕縫隙滲漏的試驗(yàn)研究。基于試驗(yàn)結(jié)果，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）止水帷幕在縫隙后方回填時(shí)，通過(guò)其縫隙的滲漏量在水力條件穩(wěn)定時(shí)可以逐漸降低，產(chǎn)生類(lèi)似于“自愈”的效果，這為止水帷幕維持長(zhǎng)期有效的截水能力提供了支持，但水頭升高則會(huì)破壞這一過(guò)程。（2）止水帷幕縫隙滲漏量下降的實(shí)質(zhì)是砂顆粒移動(dòng)和聚集導(dǎo)致淤堵的產(chǎn)生，淤堵的位置可能在上下游縫口、縫隙進(jìn)出口或縫隙內(nèi)。（3）粒徑較細(xì)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(jí)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(jìn)出口處，縫隙內(nèi)保持暢通；下游回填級(jí)配不連續(xù)的砂樣時(shí)，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。