陳 云，徐童可，路承斌，葛 穎，王晗悅

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

充填管袋筑堤技術(shù)依靠其就地取材、工藝簡單、工程成本較低、幾乎不受潮位和雨水影響等特點被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多數(shù)沿海地區(qū)的航線整頓、機場建設(shè)、抗洪救災(zāi)及水庫堤壩建設(shè)等工程中.針對充填管袋的技術(shù)理論，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了各種研究，發(fā)現(xiàn)充填管袋圍護(hù)是一種技藝先進(jìn)、安全可靠的保護(hù)系統(tǒng)，且土工合成材料在吹填造地項目中能發(fā)揮很好的防滲反濾作用，尤其是土工織物在土石壩構(gòu)造中，使用效果較好[1-5].

然而，充填管袋的滲透特性研究還不夠深入，尤其是對其在筑堤技術(shù)工程應(yīng)用中滲流安全的分析評價極為有限.研究充填管袋滲透特性，需要探究不同應(yīng)力狀態(tài)下充填料與管袋材料系統(tǒng)的滲透特性，并對比分析單向拉伸對其滲透特性的影響.國內(nèi)外學(xué)者對土工織物的滲透特性進(jìn)行理論研究的同時也進(jìn)行了很多試驗研究.如劉偉超等[6]在室內(nèi)進(jìn)行了土工管袋模具裝填的實踐，探究了土工織物材料形態(tài)、高矮、所受壓力、出水速率等各項因素對其滲透性能的影響；姜紅等[7]研究了編織物的垂直滲透特性，認(rèn)為編織物孔隙散布不規(guī)律及其大小形態(tài)均存在差異，這致使達(dá)西定律無法全部使用于編織布的滲透性能，特別是對于緞造型編織物；李國棟等[8]對無紡?fù)凉た椢锖筒煌讖降挠屑徔椢镞M(jìn)行梯度比試驗，分析了其保土性、防淤堵性和透水性；周旋等[9]基于土工織物的類型、層數(shù)、淤堵類型等因素進(jìn)行淤堵試驗，探究了靜水頭下土工織物的淤堵規(guī)律.

國內(nèi)外學(xué)者還對土工織物在覆土狀態(tài)下的滲透特性也進(jìn)行了試驗研究.如吳綱等[10]通過配置顆粒級配不同砂料試樣，采取獨自研發(fā)的1 組多用途的滲透試驗設(shè)備，探究了緞造型編織物與土聯(lián)合作用的滲漏原理，得到了緞造型編織物對土的滲流產(chǎn)生了些微的抑止效果的結(jié)論；滿曉磊等[11]對充填料含粉量對管袋脫水影響試驗研究，探究不同級配下吊袋脫水量、土壤滲漏量及滲土級配跟時間的改變趨勢，并分析裝填料含粉量與脫水速率兩者的聯(lián)系；程醒等[12]通過梯度比試驗得出了土工織物/赤泥系統(tǒng)的淤堵特性；魏松等[13]在考慮土樣黏粒含量等因素下進(jìn)行了滲透淤堵試驗，探討了淤堵機理.

除了考慮覆土對土工織物滲透特性的的影響，很多學(xué)者還對土工織物在拉伸狀態(tài)下的滲透性能進(jìn)行了研究.如唐琳等[14-15]利用垂直滲透儀進(jìn)行了淤堵試驗，研究了單向拉伸對土工織物反濾性能的影響，分析了拉應(yīng)變對流速V、流失土體量和梯度比GR的作用效力；詹美禮等[16]探究了在不同布置方式下覆應(yīng)力的增加對堆積體滲透性的影響；白彬等[17-18]利用自主研發(fā)的雙軸拉伸儀，采用應(yīng)變控制下的干篩法，進(jìn)行織物孔徑分布曲線測試；佘巍等[19]通過動力水篩法對不同種類的無紡編織物拉伸時的編織物孔隙大小變化進(jìn)行了測試；劉欣[20]針對單個充填管袋，考慮充填管袋材料進(jìn)行不同程度拉伸對材料性能的影響；雷國輝等[21]提出充填管袋的編織布在雙向施加拉應(yīng)力狀況下的滲透特性和未施加拉應(yīng)力狀況下的滲透特性有著顯著差異.

綜上所述，在往復(fù)水流領(lǐng)域，研究大多集中在土工織物及其在覆土狀態(tài)下的滲透特性，主要包括土工織物拉伸狀態(tài)下的材料性能、孔隙大小變化等.并沒有考慮在往復(fù)水流作用下單向拉伸對土工織物覆砂滲透特性的影響.因此，本文采用非連續(xù)級配砂土組裝土工織物垂直梯度比滲透儀，進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗來模擬土工織物覆砂在往復(fù)水流作用下的滲流情況，并以此來研究其滲透特性.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用砂經(jīng)篩分按表1 和表2 所示的顆分系數(shù)及顆粒級配參數(shù)進(jìn)行裝砂.砂的顆粒級配曲線如圖1 所示.試驗所用土工織物呈圓形，直徑為180 mm，如圖2 所示.

表1 土樣的顆分參數(shù)

表2 土樣的顆粒級配

圖1 充填砂料粒度級配曲線

圖2 土工織物

1.2 試驗儀器

試驗采用非連續(xù)級配砂土組裝的土工織物梯度比滲透儀(見圖3 和圖4)；砂樣烘干采用101-3型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(見圖5)；土工織物拉伸用YG082HS 型高低溫拉伸試驗機(見圖6).

圖3 梯度比滲透儀裝置示意

圖4 梯度比滲透儀實物

圖5 恒溫干燥箱

圖6 拉伸試驗機

1.3 試驗方法

針對充填管袋滲透特性，室內(nèi)試驗通過控制變量法研究單向拉伸對土工織物覆砂在往復(fù)水流作用下滲透特性的影響.試驗共設(shè)置2 組對照試驗工況，1 組為土工織物拉伸應(yīng)變?yōu)?%狀態(tài)下進(jìn)行的滲透試驗；另1 組為土工織物拉伸至應(yīng)變?yōu)?%狀態(tài)下進(jìn)行的滲透試驗.

首先，把土工織物放到Y(jié)G082HS 型高低溫拉伸試驗機上拉伸至試驗所需的變形，滿足要求后與梯度比滲透儀進(jìn)行固定；其次，按照設(shè)計的顆分系數(shù)及顆粒級配參數(shù)把試驗砂裝入梯度比滲透儀中(見圖7)；最后，與自制的往復(fù)水流供水裝置進(jìn)行組裝(見圖8)，儀器組裝完成后進(jìn)行滲透試驗，測量滲流量并計算滲透系數(shù).

圖7 砂料填充壓實及滲透

圖8 往復(fù)水流滲透試驗裝置

試驗結(jié)束后將滲透儀中的砂料取出(見圖9)，采用環(huán)刀取樣法，分別在砂料的上部、中部及下部區(qū)域中心位置取樣并放在烘盒內(nèi)放入烘箱烘干，如圖10 所示.

圖9 取出砂料

圖10 烘干砂料

3 試驗結(jié)果及分析

分析在相同級配下拉伸應(yīng)變?yōu)?%組和拉伸應(yīng)變?yōu)?%組土工織物的滲流流速V與時間T 關(guān)系曲線圖(見圖11)，發(fā)現(xiàn)隨著時間推移，拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%的2 組土工織物滲流流速基本呈正弦函數(shù)趨勢變化，且在2 個周期內(nèi)各階段變化幅度基本相似；在相同級配下的土工織物，拉伸應(yīng)變?yōu)?%組的滲流流速略小于拉伸應(yīng)變?yōu)?%組.這主要是因為土工織物自身存在孔隙，在滲流過程中，單向拉伸使其原有孔隙變大，并結(jié)合周期性變換水頭產(chǎn)生的水頭差，使得水流增多，滲流流速增加.

圖11 2 組工況下流速V 與時間T 關(guān)系曲線

圖12～圖14 為在相同級配下拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%土工織物的各階段滲透系數(shù)與時間關(guān)系曲線.K1-2、K3-4、K1-4分別為與時間T的關(guān)系曲線，其中K1-2為1號測壓管與2 號測壓管之間的滲透系數(shù)，K2-3、K3-4、K1-4以此類推.由圖12～圖14 可知，各階段K變化規(guī)律較為一致，不同部位取樣結(jié)果存在略微不同，即經(jīng)拉伸后，K1-2減小，而K3-4和K1-4增大.這說明單向拉伸增大了往復(fù)水流作用下編織布覆砂系統(tǒng)整體的滲透特性，其間細(xì)顆粒也更容易發(fā)生運移，從而導(dǎo)致了土工織物-砂邊界反濾層的形成.

圖12 2 種拉伸狀態(tài)下滲透系數(shù)K1-2與時間T 關(guān)系曲線

圖13 2 種拉伸狀態(tài)下滲透系數(shù)K3-4與時間T 關(guān)系曲線

圖14 2 種拉伸狀態(tài)下滲透系數(shù)K1-4與時間T 關(guān)系曲線

圖15 為在相同級配下拉伸應(yīng)變?yōu)?%組和3%組土工織物的梯度比GR與時間T的關(guān)系曲線.由圖15 可知，隨著時間的增加，2 組梯度比均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，且最高處峰值基本無變化，最低點峰值不斷減小，最終趨于平穩(wěn)；拉伸應(yīng)變?yōu)?%的土工織物梯度比大于拉伸應(yīng)變?yōu)?%組的梯度比.這主要是由于土工織物具有反濾性能，砂土隨水流進(jìn)入土工織物后，無法隨水流流出而堆積在土工織物內(nèi)部，造成淤堵后造成的.但是經(jīng)過長時間的往復(fù)水流作用，細(xì)砂受到水流不斷沖刷又致使淤堵現(xiàn)象減弱.

圖15 2 種拉伸狀態(tài)下梯度比GR 與時間T 的關(guān)系曲線

通過對試驗結(jié)束后處理的砂料進(jìn)行分析，繪制拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%組的砂料顆粒級配曲線，結(jié)果如圖16～圖20 所示.其中，A 組表示土工織物單向拉伸應(yīng)變?yōu)?%組；B 組表示土工織物單向拉伸應(yīng)變?yōu)?%組；上部級配為試驗結(jié)束后充填砂料最上部的砂料顆粒級配；依此類推，分別設(shè)有中部級配和下部級配.

圖16 拉伸0%組各部分顆粒級配曲線

圖20 拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%組下部級配曲線

由圖16 和圖17 可知，拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%組中砂料上部級配均發(fā)生較大變化，較細(xì)粒徑砂料在水流的不斷沖刷下被沖至上部；中部及下部級配較原始級配未發(fā)生較大變化.

圖17 拉伸3%組各部分顆粒級配曲線

圖19 拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%組中部級配曲線

由圖18～圖20 可知，在往復(fù)水流沖刷作用下，拉伸應(yīng)變?yōu)?%和3%組的土工織物上部級配較細(xì)粒徑和原始級配均有所增加；中部級配未發(fā)生較大變化；下部級配較細(xì)粒徑均有一定程度減少，且拉伸應(yīng)變?yōu)?%組的顆粒損失程度比未拉伸組略大.由圖16～圖20 還可知，在往復(fù)水流作用下，砂料會隨著水流運動而流出.由于拉伸應(yīng)變3%后的土工織物其孔隙增大，因此，整體裝置漏砂量及其顆粒粒徑均大于拉伸應(yīng)變?yōu)?%的織物.

圖18 拉伸應(yīng)變?yōu)?%與3%組上部級配曲線

4 結(jié)論

1)在往復(fù)水流作用下，土工織物覆砂滲透特性在一定程度上受單向拉伸的影響.這是因為單向拉伸后，土工織物孔隙增大導(dǎo)致拉伸后的土工織物滲透系數(shù)大于拉伸應(yīng)變?yōu)?%的土工織物，這也說明單向拉伸在一定程度上增大了土工織物覆砂在往復(fù)水流作用下的滲透特性，同單向水流所得結(jié)論一致.

2)在往復(fù)水流作用下，由于土工織物覆砂具有反濾性能，拉伸應(yīng)變?yōu)?%組與拉伸應(yīng)變?yōu)?%組在試驗中都存在淤堵現(xiàn)象.

3)往復(fù)水流作用可將梯度比滲透儀內(nèi)部細(xì)砂料帶出.隨著水流運動周期的增加，土工織物覆砂系統(tǒng)的淤堵現(xiàn)象逐漸減弱.