邱昊天,王 媛,鞏佳琨,祁 天,張淑君

(1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098))

堤防工程是我國防洪體系的核心組成部分,是國家水安全特別是防洪安全的重要保障。然而,由于地質(zhì)條件和建設(shè)背景復(fù)雜,我國堤防工程存在諸多安全隱患,在汛期高水位作用下極易發(fā)生險情。管涌等滲透破壞是堤防工程的主要險情形式之一,在1998年長江流域大洪水中,長江干堤發(fā)生較大險情698次,其中管涌366處,占比52.4%[1]。1998年后,我國在堤防工程建設(shè)方面的投入逐年增加,汛期險情數(shù)量與規(guī)模顯著減小。盡管如此,2020年長江、淮河流域遭受強降雨襲擊,許多堤防仍舊發(fā)生了管涌險情乃至潰堤。目前全球氣候變暖問題愈發(fā)嚴重,極端氣候災(zāi)害頻發(fā),進一步加劇了堤防工程在汛期發(fā)生管涌等滲透破壞和潰堤的風險[2-5]。

堤基滲流分析對理解堤基管涌等滲透破壞發(fā)展過程以及滲透破壞控制措施的作用機制至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者圍繞堤基滲流問題開展了大量研究。試驗研究方面,倪小東等[6]采用雙層堤基砂槽模型試驗分析了土體內(nèi)部細顆粒運移引起管涌破壞的動態(tài)過程;劉杰等[7]通過模型試驗研究了砂土和兩種砂礫石互層、黏土與砂和砂礫石互層共4種堤基結(jié)構(gòu)的滲透破壞機理;陳建生等[8-9]采用3層堤基試驗?zāi)Ｐ?研究了不同顆粒級配組成的夾砂層對管涌發(fā)生和發(fā)展過程及其機理的影響,以及細砂層埋深對堤基管涌的影響;張家發(fā)等[10]通過砂槽模型試驗分析了懸掛式防滲墻在管涌險情控制方面的作用,結(jié)果表明懸掛式防滲墻可顯著控制管涌發(fā)展,但對滲流控制效果不顯著;丁留謙等[11]對設(shè)置懸掛式防滲墻的雙層堤基砂槽模型開展了管涌滲透破壞試驗,結(jié)果表明懸掛式防滲墻對是否發(fā)生堤基管涌的影響很小,但能夠有效延長滲徑,明顯提高堤基的整體抗?jié)B強度與管涌潰堤的臨界水力坡降。數(shù)值模擬方面,周紅星等[12]將試驗?zāi)Ｐ秃喕癁槎S軸對稱數(shù)值模型對堤基滲透破壞滲流場進行模擬,通過模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析驗證了數(shù)值模擬方法的可行性;王霜等[13]通過有限元方法模擬了多層堤基管涌不同發(fā)展階段堤基內(nèi)部滲流場分布,結(jié)果表明管涌動態(tài)發(fā)展時土顆粒流失與土體滲透性相互影響;Vandenboer等[14]通過管涌室內(nèi)模型試驗研究,發(fā)現(xiàn)臨界水力梯度與管涌上溯通道受模型寬度影響,并認為上溯侵蝕管涌是一種三維現(xiàn)象;Van Beek等[15]分別開展了二維和三維模型滲透破壞試驗,研究分析了臨界梯度、滲透破壞通道的形成與侵蝕破壞機制,并提出應(yīng)開發(fā)考慮滲透破壞機制的新模型;Wang等[16]基于模型試驗對堤壩內(nèi)部侵蝕進行了數(shù)值模擬,分析了有無懸掛式防滲墻情況下堤基滲透破壞的滲流場,證明了懸掛式防滲墻能夠起到延長滲流路徑與改變滲透破壞路徑的作用。在上述研究中,土體處于飽和水狀態(tài),土體中的滲流為水的單相流或水與可動固體顆粒的兩相流。

泡沫流體是一種可壓縮的非牛頓流體,是氣體以氣泡形式分散到液體中形成的分散體系,其中表面活性劑為連續(xù)相,具有起泡和穩(wěn)泡作用,氣體為分散相。泡沫流體由于其獨特的流變特性被廣泛應(yīng)用于提高原油采收、含水層環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域[17-21]。泡沫流體在多孔介質(zhì)中具有降低流體流動性的能力[22-23],因此在調(diào)控非均勻滲流場方面能夠發(fā)揮重要作用,在堤防滲透破壞防控方面具有潛在的巨大應(yīng)用前景。Aranda等[24]研究表明,泡沫流體可通過降低出砂口附近土層滲透性、抑制土層中的顆粒運移和增大流體流動阻力等機制抑制堤基滲透破壞的發(fā)生發(fā)展。然而,由于泡沫流體由氣體和液體組成,含泡沫流體的土體滲流是氣-水兩相流問題,其土體滲透破壞發(fā)展過程中泡沫流體對土體滲流的影響機制仍不明晰。本文通過開展無泡沫流體滲透破壞試驗和泡沫流體抑制滲透破壞試驗兩類室內(nèi)模型試驗,對堤基土體滲透破壞發(fā)展過程中土體滲流特性及泡沫流體對堤基土體滲流的影響機制進行研究。

1 試驗方法

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

采用自主研發(fā)的泡沫流體抑制土體滲透破壞試驗系統(tǒng)開展試驗研究,該試驗系統(tǒng)由變水頭控制系統(tǒng)、泡沫流體注入系統(tǒng)、砂槽滲透主體系統(tǒng)、孔隙壓力實時監(jiān)測系統(tǒng)和計算機分析系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖(單位:cm)Fig.1 Schematic diagram of experiment system (unit: cm)

試驗?zāi)Ｐ筒捎眯”瘸呱安勰Ｐ?模型長50cm、寬4cm、高12cm,材質(zhì)為透明有機玻璃。砂槽一側(cè)設(shè)置進水室,進水室一端與上游水箱相連,試驗過程中通過變水頭控制系統(tǒng)控制砂槽上游水位;另一側(cè)與砂槽滲透主體相連,中間布設(shè)多孔隔板和土工濾網(wǎng),以保證水流均勻流入砂槽內(nèi),同時防止細顆粒流失而進入進水室。砂槽頂面為透明有機玻璃蓋板,蓋板與砂樣之間設(shè)置硅膠墊層,一方面模擬弱透水性的柔性覆蓋層,另一方面與模型邊壁涂抹的凡士林及緊固螺栓協(xié)同防滲,提升裝置的密封防滲效果。出砂口設(shè)置在玻璃蓋板上距離進水室35cm處,出水口直徑為5mm,模擬上覆層被沖破后形成的出砂口。出砂口設(shè)置溝槽導(dǎo)流以便收集涌水和涌砂,并通過量筒和天平測定涌水流量和涌砂量。在有機玻璃蓋板上距離出水口5、10、15、20、25cm處分別預(yù)設(shè)5個泡沫流體注入孔。在泡沫流體抑制土體滲透破壞試驗中,通過氣體流量控制器和液體平流泵分別將氣體和溶液定量注入填砂管中生成泡沫流體,然后將預(yù)制泡沫流體通過泡沫流體注入孔注入砂槽模型中。在砂槽模型側(cè)面布設(shè)3排、每排7個孔隙壓力傳感器測壓孔,相鄰測壓孔間距為5cm,每個測壓孔從側(cè)面深入試樣2mm,頂部測壓孔距離上部玻璃蓋板2cm,孔隙壓力傳感器讀數(shù)及上游水頭均以模型槽頂面為零勢面。

1.2 試驗材料

試驗選用0.075～1mm中國ISO標準砂,采用連續(xù)級配試驗砂樣。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》測得砂樣物理力學(xué)性質(zhì)如下:d60=0.25mm,d20=0.13mm,干密度ρd=1.51g/cm3,滲透系數(shù)k=1.8×10-3cm/s,孔隙率n=0.35。試驗中使用的泡沫流體是由高純度(99.999%)氮氣、氯化鈉溶液和烯基磺酸鈉(AOS)表面活性劑配制的質(zhì)量分數(shù)為0.5%的表面活性劑溶液。泡沫流體的強度可通過其表觀黏度表征,隨氣液比(氣體流量與總流量的比值)變化。試驗中氮氣與表面活性劑溶液以表觀總流量2mL/min按照氣液比0.8注入填砂管生成泡沫流體,此時泡沫流體強度接近該試驗條件下的最大泡沫流體強度。

1.3 試驗步驟

試驗過程中通過壓力傳感器實時監(jiān)測試驗土體中不同位置的孔隙壓力,反映土體內(nèi)部的滲流特性,并通過高清攝像裝置實時記錄模型頂面和側(cè)面的試驗現(xiàn)象,同時測定涌水量和涌砂量輔助解釋土體滲流特征。

泡沫流體抑制滲透破壞試驗步驟如下:

a.砂槽模型裝樣并飽和。按照預(yù)設(shè)級配配制試驗砂樣并充分拌和,依據(jù)預(yù)設(shè)的密實度水下分層拋填,每層厚度約為2cm,保證填筑砂層的均勻性,擊實至預(yù)定密實度后填筑下一層,直至設(shè)計高度。抹平壓實后依次放置硅膠墊層和玻璃蓋板,用螺栓固定擰緊,讓砂樣飽和24h以上。

b.連接傳感器并調(diào)零。將飽和的砂槽模型連接零勢面的上游水箱(起始上游水位以砂樣頂面為零勢面)并打開進水室閥門,逐個打開孔隙壓力監(jiān)測孔并連接孔隙壓力傳感器,待傳感器顯示數(shù)值穩(wěn)定后以零勢面的上游水位為基準將所有傳感器調(diào)零。

c.泡沫流體制備及注入。按照預(yù)設(shè)氣液比與流速將氮氣與表面活性劑溶液注入填砂管預(yù)生成泡沫,待泡沫流體達到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后(壓力曲線穩(wěn)定),將一定量的預(yù)制泡沫流體通過選定的泡沫流體注入孔注入砂槽模型,觀察并記錄泡沫流體在砂樣中的擴散過程以及孔隙壓力變化。

d.滲透破壞試驗。待孔隙壓力曲線趨于穩(wěn)定后(穩(wěn)定時長5～10min),開始滲透破壞試驗,提升上游水頭(水力梯度隨之提升),待滲流穩(wěn)定后進行下一級水頭試驗(每級水頭1～2cm)。滲流穩(wěn)定的判定標準為:孔隙壓力曲線趨于穩(wěn)定,多次測量滲流量基本穩(wěn)定,出砂口附近無明顯砂粒移動且無砂粒涌出,水流清澈。試驗開始后記錄每級水頭下相應(yīng)的涌水量、涌砂量;拍攝記錄土樣頂面的滲透破壞區(qū)域上溯過程及泡沫流體賦存范圍變化;實時監(jiān)測試驗過程中不同位置處的孔隙壓力。

e.試驗結(jié)束之后清洗砂樣并烘干,試驗裝置復(fù)位。

無泡沫流體滲透破壞試驗依據(jù)上述步驟a、b、d、e開展。

為了保證壓力傳感器能夠準確反映不同試驗條件下試樣中的孔隙壓力分布,采用不同量程的壓力傳感器布置方式:在無泡沫流體滲透破壞試驗中,采用21個量程為0～20kPa的壓力傳感器(圖2);在泡沫流體抑制滲透破壞試驗中,采用12個量程為0～20kPa、9個量程為0～200kPa的孔隙壓力傳感器,其中量程為0～200kPa的傳感器以泡沫流體注入孔為中心水平對稱布設(shè)(紅色虛框)。本文主要通過距離模型頂面最近的傳感器(1～7號)分析泡沫流體在土體滲透破壞發(fā)展過程中對土體滲流的影響。

圖2 傳感器布設(shè)示意圖(單位:cm)Fig.2 Schematic diagram of pressure transducer arrangement (unit: cm)

2 試驗過程

2.1 無泡沫流體滲透破壞試驗

無泡沫流體滲透破壞發(fā)展過程與姚秋玲等[25]觀察到的現(xiàn)象相似,主要經(jīng)歷以下幾個階段:

a.試驗初期,出砂口水流清澈,無砂沸現(xiàn)象,流量隨上下游水力梯度(以下簡稱“水力梯度”)的提升而增大,大致呈線性關(guān)系。

b.當水力梯度提升至0.18時,出砂口出現(xiàn)輕微砂沸。繼續(xù)逐步提升水力梯度至0.57的過程中,出砂口涌砂量較小,未觀察到明顯滲透破壞區(qū)域發(fā)展。當水力梯度提升至0.6時,出砂口附近出現(xiàn)明顯滲透破壞。保持水力梯度不變,滲透破壞區(qū)域發(fā)展至距出砂口約3cm處停止發(fā)展,繼續(xù)提升水力梯度,滲透破壞區(qū)域未出現(xiàn)明顯上溯發(fā)展。當水力梯度提升至0.69時,滲透破壞區(qū)域重新上溯發(fā)展至距出砂口5cm處。當水力梯度繼續(xù)提升時,滲透破壞區(qū)域在深度方向侵蝕加劇,并隨之出現(xiàn)橫向擴展,但侵蝕破壞區(qū)域未出現(xiàn)上溯發(fā)展。水力梯度提升至0.98時,滲透破壞區(qū)域最終上溯至距出砂口8cm處穩(wěn)定,停止發(fā)展。

c.水力梯度提升至1.05時,滲透破壞區(qū)域重新向上游發(fā)展,直至與進水室貫通,達到滲透破壞臨界水力梯度。

2.2 泡沫流體抑制滲透破壞試驗

在無泡沫流體滲透破壞試驗的基礎(chǔ)之上開展泡沫流體抑制滲透破壞試驗,選取距出砂口15cm處的泡沫流體注入孔注入泡沫流體,持續(xù)時間60min,泡沫流體賦存區(qū)域大致范圍是以泡沫流體注入孔為中心擴散的半球形,砂層頂面擴散半徑約5.5cm,側(cè)面至約7cm(圖3)。

圖3 試驗砂層側(cè)面對比Fig.3 Side-shot comparison of sand layer in experiments

在泡沫流體抑制滲透破壞試驗中,當水力梯度為0.05時,出砂口開始有水流出;當水力梯度提升至0.1時,出砂口出現(xiàn)局部砂沸現(xiàn)象;當水力梯度提升至0.24時,出砂口下方出現(xiàn)明顯侵蝕;當水力梯度提升至0.3時,砂沸劇烈,滲透破壞區(qū)域發(fā)展至1.5cm(以出砂口為起點);隨后滲透破壞區(qū)域隨著水力梯度提升緩慢上溯,當提升至0.92時,滲透破壞區(qū)域發(fā)展至9cm,接近泡沫賦存區(qū)域前緣;繼續(xù)提升水力梯度,滲透破壞區(qū)域停止發(fā)展,直至水力梯度提升至1.32時,滲透破壞區(qū)域才繼續(xù)上溯發(fā)展,最終發(fā)展至距出砂口約10cm后停止發(fā)展,直至水力梯度提升到1.84時,達到滲透破壞臨界水力梯度,滲透破壞區(qū)域開始迅速發(fā)展,并貫通至進水室。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土體滲透破壞滲流分析

圖4為無泡沫流體滲透破壞試驗中各孔隙壓力傳感器的壓力隨時間的變化,可以明顯看出,孔隙壓力首先隨水力梯度的提升而逐漸增大,隨著試驗的進行,距離出砂口最近的6號孔隙壓力傳感器首先響應(yīng),在近似保持穩(wěn)定一段時間后壓力發(fā)生突降;這一變化趨勢隨后依次擴展至距出砂口更遠的5號和4號孔隙壓力傳感器。值得注意的是,與出砂口距離越近,孔隙壓力響應(yīng)越顯著。

圖4 無泡沫流體滲透破壞試驗孔隙壓力Fig.4 Pore pressure in seepage failure experiment without foam fluid

根據(jù)試驗過程中觀察到的試驗現(xiàn)象,結(jié)合局部孔隙壓力梯度與出砂口流量曲線分析可知,土體滲透破壞的發(fā)展會引起局部孔隙壓力梯度的突變。圖5為無泡沫流體滲透破壞試驗中相鄰傳感器之間的局部孔隙壓力梯度Δi隨上下游水力梯度的變化(Δi的正向為自進水室向出砂口的滲流方向,當Δi為負值時,表明該區(qū)間內(nèi)流體流動方向為自出砂口向上游進水室方向;下標數(shù)字為相鄰傳感器的編號)。如圖5所示,Δi6-7始終為負值,故該區(qū)域中水流自出砂口下游向出砂口流動,并且其絕對值隨著水力梯度的提升而增大,在水力梯度達到破壞臨界梯度時絕對值達到最大值。

圖5 無泡沫流體滲透破壞試驗局部孔隙壓力梯度Fig.5 Local hydraulic gradient in seepage failure experiment without foam fluid

在試驗過程中,各區(qū)域土體中的局部孔隙壓力梯度首先隨水力梯度的提升而增大,并保持穩(wěn)定直至上游水頭提升至下一級水頭,整體呈現(xiàn)非線性增長,反映土體內(nèi)部滲流穩(wěn)定,滲透破壞尚未發(fā)生。這與出砂口流量曲線(圖6)所反映的滲流過程和所觀察到的試驗現(xiàn)象一致:試驗初期,出砂口流量隨水力梯度的升高而增大,且變化率隨著滲透破壞的發(fā)展逐漸增大,呈現(xiàn)明顯非線性變化。在水力梯度達到0.15之前,流量-水力梯度曲線切線斜率約為28.47,出砂口未出現(xiàn)砂沸;當水力梯度提升至0.57時,流量-水力梯度曲線切線斜率增大至約40.10,出砂口觀察到砂沸,但未出現(xiàn)滲透破壞區(qū)域。隨著試驗的進行,局部孔隙壓力梯度先后發(fā)生變化,其中,距出砂口最近的Δi5-6最先響應(yīng)。在水力梯度提升至0.6之前,Δi5-6隨時間增大,當水力梯度提升至0.6時,Δi5-6開始下降。觀察試樣頂面發(fā)現(xiàn),此時出砂口附近出現(xiàn)明顯滲透破壞,流量-水力梯度曲線切線斜率增大至75.20。繼續(xù)提升水力梯度至0.64,Δi5-6與水力梯度為0.6時相比無明顯變化,保持相對穩(wěn)定。觀察試樣頂面發(fā)現(xiàn),滲透破壞區(qū)域在此時間段內(nèi)未繼續(xù)上溯發(fā)展。圖7中土體滲透破壞試驗的出砂口累積涌砂量曲線顯示,在水力梯度達到0.64時,累積涌砂量未出現(xiàn)明顯變化,佐證了滲透破壞區(qū)域在此時間段內(nèi)停止上溯發(fā)展。由此可見,土體滲透破壞的發(fā)展與局部孔隙壓力梯度和出砂口流量的變化密切相關(guān)。其主要原因是:隨著土體滲透破壞的加劇,顆粒流失造成局部土體特別是滲透破壞區(qū)域尖端滲透性發(fā)生改變,產(chǎn)生的滲流高度集中[26],因此引發(fā)局部孔隙壓力梯度與出砂口流量的突變。

圖6 出砂口流量隨水力梯度變化曲線Fig.6 Variation curves of flow rate with hydraulic gradient at the sand outlet

圖7 累積涌砂量與滲透破壞區(qū)域長度對比Fig.7 Comparison of cumulative amount of sand boil and seepage failure area

當水力梯度提升至0.69時,Δi5-6再次發(fā)生突降(圖5),此時,滲透破壞區(qū)域上溯發(fā)展至距出砂口約5cm處,即5號測壓孔處,并伴隨著涌砂量的突然增大(圖7)。此后,隨著水力梯度的提升,Δi5-6保持相對穩(wěn)定,其他區(qū)域局部孔隙壓力梯度則隨水力梯度的提升而增大,在此時間段內(nèi)滲透破壞區(qū)域前緣停留于距出砂口約5cm處,未繼續(xù)上溯發(fā)展,累積涌砂量亦沒有明顯變化(圖7)。當水力梯度提升至0.9時,滲透破壞區(qū)域發(fā)生橫向侵蝕擴展,累積涌砂量出現(xiàn)驟增,Δi5-6因此再次發(fā)生突降(圖5)。當水力梯度達到0.98時,滲透破壞區(qū)域再次上溯發(fā)展至距出砂口約8cm處,累積涌砂量繼續(xù)增大,此時Δi4-5相應(yīng)地發(fā)生突降,而Δi5-6則未發(fā)生明顯變化。如圖5所示,在試驗后期,隨著水力梯度的提升,Δi4-5、Δi3-4、Δi2-3依次迅速發(fā)生突降,其發(fā)生順序與滲透破壞區(qū)域的上溯發(fā)展方向一致,反映了當水力梯度達到臨界水力梯度后,滲透破壞區(qū)域的迅速發(fā)展。因此,當滲透破壞發(fā)展至某一土體區(qū)段時,該段的平均孔隙壓力梯度即產(chǎn)生變化,局部孔隙壓力梯度的突變可反映土體滲透破壞的發(fā)展過程。

3.2 泡沫流體抑制滲透破壞滲流分析

圖8為泡沫流體抑制滲透破壞試驗中各孔隙壓力傳感器測得的壓力變化曲線,3號孔隙壓力顯著高于其他位置,且隨著試驗的開展逐漸降低,其原因是3號孔隙壓力傳感器位于泡沫流體注入孔下方2cm處,處于泡沫流體賦存區(qū)域內(nèi),泡沫流體的存在極大地提升了孔隙壓力。圖8中4號孔隙壓力出現(xiàn)了先上升后下降的變化,與無泡沫流體滲透破壞試驗中的孔隙壓力變化趨勢顯著不同。

圖8 泡沫流體抑制滲透破壞試驗孔隙壓力Fig.8 Pore pressure in seepage failure experiment restrained by foam fluid

泡沫流體顯著提升了其賦存區(qū)域內(nèi)的孔隙壓力,在土體滲透破壞發(fā)生發(fā)展過程中,泡沫流體會緩慢流失,但其賦存區(qū)域內(nèi)幾乎無水流動。如圖9所示,泡沫流體抑制滲透破壞試驗和無泡沫流體滲透破壞試驗中的局部孔隙壓力梯度變化特征顯著不同,泡沫流體對土體滲流產(chǎn)生了顯著影響。在泡沫流體抑制滲透破壞試驗中,泡沫流體注入孔設(shè)置于距出砂口15cm處,3號孔隙壓力傳感器位于泡沫流體注入孔下方2cm處,2號和4號孔隙壓力傳感器位于泡沫流體賦存區(qū)域邊緣。由于泡沫流體的注入和擴散,土體中泡沫流體賦存區(qū)域內(nèi)的孔隙壓力顯著高于無泡沫賦存的區(qū)域。泡沫流體在土體內(nèi)以泡沫流體注入孔為中心呈半球形擴散,泡沫流體賦存區(qū)域內(nèi)的初始壓力梯度以3測號壓孔為中心近乎對稱分布(Δi2-3和Δi3-4)。如圖9所示,在含泡沫流體的土體滲透破壞試驗過程中,Δi2-3、Δi3-4呈正負對稱分布,并隨水力梯度的提升而逐漸下降。Δi2-3、Δi3-4的下降一方面反映了泡沫流體的消散;另一方面,該泡沫流體賦存區(qū)域內(nèi)局部孔隙壓力梯度的絕對值在試驗過程中始終呈下降趨勢,從側(cè)面反映了該區(qū)域內(nèi)泡沫流體強度高,極大地提升了流體流動阻力,使得該區(qū)域內(nèi)幾乎無水流動,未出現(xiàn)水驅(qū)泡沫的復(fù)雜流動現(xiàn)象。

圖9 泡沫流體抑制滲透破壞試驗局部孔隙壓力梯度Fig.9 Local hydraulic gradient in seepage failure experiment restrained by foam fluid

泡沫流體對土體滲流具有調(diào)控作用,一方面滯留在孔隙中的氣泡極大地提升了其賦存區(qū)域內(nèi)的滲流阻力;另一方面,在泡沫流體作用下土體滲流呈現(xiàn)顯著的多相流特征,泡沫流體賦存區(qū)域內(nèi)的土體處于非飽和狀態(tài),降低了水的滲透率。為更好顯示局部孔隙壓力梯度變化,圖10分別給出了Δi1-2、Δi4-5與Δi5-6、Δi6-7局部區(qū)域的放大效果。如圖10(a)所示,Δi4-5在水力梯度達到0.72之前,隨水力梯度的提升而增大,其變化規(guī)律與無泡沫流體滲透破壞試驗類似。當水力梯度達到0.72時,滲透破壞區(qū)域前緣從距出砂口約5cm處上溯發(fā)展至約6.5cm,此時Δi4-5突然大幅提升,并維持相對穩(wěn)定。其主要原因是該區(qū)域內(nèi)存留有一定量的泡沫流體,氣泡滯留在土體孔隙中,當滲透破壞區(qū)域上溯發(fā)展至該區(qū)域時,水流在孔隙中流動遇到滯留在孔隙中的氣體,滯留氣體一方面增大了孔隙中的滲流阻力,另一方面流體在該區(qū)域內(nèi)的流動不再是只有水的單相流,而是水和氣體同時流動的多相流,滯留氣體降低了該區(qū)域土體的含水率,使得其處于非飽和狀態(tài),進而降低了水在該區(qū)域內(nèi)的滲透率,使得水流動過程中孔隙壓力梯度大幅提升。在160～225min試驗時間段內(nèi)(水力梯度由1.32提升至1.84),Δi4-5發(fā)生了兩次下降,并在下降后維持一段時間的穩(wěn)定。第一次下降發(fā)生在水力梯度達到1.32時(試驗時間約160min),此時滲透破壞區(qū)域發(fā)展至出砂口約10cm處,到達泡沫賦存區(qū)域邊緣,Δi4-5的下降反映了該區(qū)域內(nèi)滲透破壞的發(fā)生。隨后在泡沫流體的抑制作用下,滲透破壞區(qū)域停止上溯,Δi4-5保持一段時間的穩(wěn)定。在約190min時,Δi4-5再次下降,但下降較為緩慢。在此過程中,滲透破壞區(qū)域的長度并未增長(圖7),依然停留在泡沫破壞區(qū)域邊緣(圖11)。據(jù)此分析,此階段Δi4-5下降的主要原因不是滲透破壞區(qū)域的發(fā)展,而是該區(qū)域內(nèi)滯留氣體溶解進入非飽和液體,導(dǎo)致含水率上升、液體滲透率增大所致。Δi4-5的變化規(guī)律反映了泡沫流體對滲流的調(diào)控作用,泡沫流體可極大地提升其賦存區(qū)域內(nèi)的滲流阻力,且能提升土體抵抗?jié)B透破壞的能力,延阻滲透破壞的發(fā)展。泡沫流體對土體滲透性的改變也反映在涌水量中(圖6),在泡沫流體抑制滲透破壞試驗中,出砂口流量亦隨水力梯度呈非線性增長;但與無泡沫流體滲透破壞試驗相比,流量-水力梯度曲線切線斜率整體偏小,其主要原因為泡沫流體降低了其賦存區(qū)域土體的滲透性,導(dǎo)致出砂口涌水量降低。

圖10 泡沫流體抑制滲透破壞試驗局部孔隙壓力梯度局部放大Fig.10 Partial enlarged image of local hydraulic gradient in seepage failure experiment restrained by foam fluid

泡沫流體賦存區(qū)域重塑了土體內(nèi)水的滲流路徑,降低了水力梯度,進而抑制了土體滲透破壞的發(fā)展。如圖10(a)所示,盡管1號和2號孔隙壓力傳感器位于出砂口上游,但是Δi1-2始終為負值,其原因是2號孔隙壓力傳感器位于泡沫賦存區(qū)域邊緣,其孔隙壓力遠高于上游水箱,使得Δi1-2為負值,泡沫流體賦存區(qū)域的高孔隙壓力使得水流幾乎無法穿過該區(qū)域,需要在泡沫流體賦存區(qū)域外形成繞滲,滲流路徑被泡沫流體賦存區(qū)域改變,延長了滲流路徑。滲流路徑的延長降低了局部水力梯度,也在一定程度上延緩了土體滲透破壞的發(fā)生和發(fā)展。Δi5-6整體變化趨勢與無泡沫流體滲透破壞試驗類似,隨著水力梯度的提升,Δi5-6逐漸增大,當水力梯度提升至0.72時,滲透破壞區(qū)域發(fā)展至距出砂口約6.5cm,Δi5-6隨之達到峰值(圖10(b))。

泡沫流體減少了其賦存區(qū)域內(nèi)的顆粒流失,抑制了滲透破壞區(qū)域上溯發(fā)展,提高了滲透破壞臨界水力梯度。無泡沫流體滲透破壞試驗的累積涌砂量在水力梯度達到滲透破壞臨界水力梯度前與泡沫流體抑制滲透破壞試驗的累積涌砂量十分接近,其主要原因是,試驗中泡沫流體賦存區(qū)域距出砂口較遠,滲透破壞區(qū)域尚未發(fā)展至泡沫流體賦存區(qū)域,泡沫流體尚未發(fā)揮其抑制顆粒流失的作用,這與觀察到的試驗現(xiàn)象一致(圖11(a)(b))。如圖11(a)(b)所示,在滲透破壞區(qū)域(紅色實線)未發(fā)展至泡沫流體賦存區(qū)域(藍色虛線)時,在相似的水力梯度作用下,兩組試驗中滲透破壞區(qū)域長度幾乎一致。在無泡沫流體滲透破壞試驗中,累積涌砂量和滲透破壞區(qū)域長度隨水力梯度變化趨勢基本一致;然而,在泡沫流體抑制滲透破壞試驗中,水力梯度提升至.32之后滲透破壞區(qū)域幾乎無發(fā)展,直至滲透破壞臨界水力梯度,但是累積涌砂量依然在增長,這反映了泡沫賦存區(qū)域顯著抑制了滲透破壞區(qū)域的上溯發(fā)展,使得其橫向擴展,這由試驗中觀察到的現(xiàn)象得以驗證(圖11(c))。

在泡沫流體調(diào)控土體滲流、延長滲流路徑等機制的作用下,泡沫流體的注入有效抑制了滲透破壞區(qū)域的上溯發(fā)展,提升了土體滲透破壞臨界水力梯度。無泡沫流體滲透破壞試驗的滲透破壞臨界水力梯度約為1.05,泡沫流體抑制滲透破壞試驗的滲透破壞臨界水力梯度約為1.84,提升約75%。

4 結(jié) 論

a.泡沫流體對堤基土體滲流具有調(diào)控作用。泡沫流體作用下,土體滲流呈現(xiàn)多相流特征,一方面滯留在孔隙中的氣泡增大了滲流阻力,另一方面泡沫流體賦存區(qū)域內(nèi)的土體處于非飽和狀態(tài),降低了水的滲透率,增強了土體抗?jié)B性能。

b.泡沫流體可改變土體內(nèi)水的滲流路徑。在泡沫流體注入孔附近區(qū)域內(nèi),由于泡沫流體強度較大,孔隙中滯留的氣泡極大地增加了滲流阻力,使得該區(qū)域內(nèi)幾乎無水流動,水需要在該區(qū)域外繞滲,延長了水的滲流路徑,降低了水力梯度,進而抑制滲透破壞的發(fā)展。

c.泡沫流體能夠減少其賦存區(qū)域內(nèi)的顆粒流失,迫使?jié)B透破壞區(qū)域橫向擴展,抑制滲透破壞區(qū)域上溯, 提升滲透破壞臨界水力梯度。