梁 越,喻金桃,張 強,許 彬,張宏杰, 龔勝勇

(1.重慶交通大學國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074;2.重慶交通大學河海學院,重慶 400074; 3.內(nèi)江市建設(shè)工程質(zhì)量檢測試驗中心,四川 內(nèi)江 641100)

管涌本質(zhì)上是土體內(nèi)部細顆粒在水流拖曳力的作用下隨著水體被沖刷帶走,在土體內(nèi)部形成滲流通道,導致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變從而整個土體失穩(wěn)、發(fā)生坍塌的現(xiàn)象。管涌破壞造成失事的事件約占堤防失事總量的一半,其中堤基以及堤身位置處的滲流對堤壩的破壞最嚴重,若不及時排除,會使堤基發(fā)生不均勻沉陷并導致崩堤的嚴重后果,因此堤壩滲漏的探測和修補尤為重要。仉文崗等[1-2]將高密度電阻法用于滲漏隱患探測;梁越等[3]試驗研究表明,在土石壩壩面滲漏進口鋪設(shè)希德拉頓顆粒材料防滲性能較好,這對開展管涌的預防治理工作具有一定的意義。但是管涌發(fā)展過程受到諸多因素的影響,具有很強的隨機性、隱蔽性,且難以監(jiān)測,基于此,宗梓煦等[4-5]將透明土引入到管涌侵蝕研究中,為管涌侵蝕可視化研究提供了方向,但其治理依然具有相當大的難度。

國內(nèi)外學者利用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等方法對管涌問題進行了廣泛深入的研究。沙金煊[6]通過計算臨界細顆粒含量來判斷滲透破壞類型,此外還可采用顆粒級配曲線判別法[7]、不均勻系數(shù)判別法、細顆粒含量法[8]等來判斷滲透破壞類型。Liang等[9-12]分別采用室內(nèi)滲透破壞試驗和數(shù)值模擬等方法建立了臨界水力梯度公式,并通過與試驗結(jié)果的比較驗證了公式的準確性。倪小東等[13]為研究管涌的細觀機理,開展了不同顆粒級配、細料含量等方面管涌的數(shù)值模擬,揭示了不同因素條件下對管涌發(fā)生發(fā)展的影響。Nguyen等[14]通過數(shù)值方法研究了土體孔隙度、顆粒均勻性等對內(nèi)部侵蝕和水力臨界狀態(tài)的影響。常東升等[15-18]從水力條件(滲流方向、水頭形式等)出發(fā),結(jié)合物理條件(孔隙率或者孔隙比、密實度等)和幾何條件(粒徑比、顆粒級配等),對管涌問題做了大量的研究。陳亮等[19-20]通過管涌試驗以及管涌后的排水剪切試驗,分析了3種不同細顆粒含量對臨界水力梯度、累積涌砂總量、涌砂速率的影響,在此基礎(chǔ)上,以常水頭下管涌規(guī)律作為對照,得到變水頭下土體內(nèi)部細顆粒運動及遷出規(guī)律。張改玲等[21-22]研究了不同應(yīng)力、不同水力梯度條件下土料滲透系數(shù)隨圍壓、應(yīng)力水平等因素的變化規(guī)律,建立了土體滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式。賀林林等[23]從不同砂土顆粒排列角度入手,揭示了不同砂土顆粒排列角度對砂土剪切特性的影響規(guī)律。

目前不同細顆粒含量對管涌規(guī)律的影響研究已取得了大量的成果,但對不同骨架顆粒含量的研究較少。本文采用自制滲透試驗系統(tǒng)進行管涌試驗,通過在不同骨架顆粒含量條件下試樣發(fā)生管涌時的臨界水力梯度、滲流速度、細顆粒流失量等數(shù)據(jù)來分析骨架顆粒1～2、2～3、3～5mm 3個粒徑段對管涌規(guī)律的影響。

1 散粒土管涌試驗

1.1 試驗材料

采用石英砂散粒土配制不同間斷級配試樣,骨架顆粒粒徑2～10mm,細顆粒粒徑為0.075～0.25mm,主要研究1～5mm粒徑段顆粒組成含量(質(zhì)量分數(shù),下同)不同對試樣的滲透破壞影響。按照不同粒徑段顆粒含量,配制J1～J5共5組試樣,其細顆粒含量均為20%,各粒徑段顆粒如圖1所示,骨架顆粒級配曲線如圖2所示。

圖1 各粒徑段顆粒Fig.1 Particles of each particle size range

圖2 骨架顆粒級配曲線Fig.2 Particle size distribution curve of skeleton

1.2 試驗裝置

試驗采用自行研制的滲流試驗系統(tǒng),主要由供水系統(tǒng)(調(diào)節(jié)上游水位)、軸壓施加系統(tǒng)、裝樣室和砂水分離收集系統(tǒng)組成,如圖3所示。上游恒定水位水箱為可升降的供水箱,水箱內(nèi)分別連接3支水管,由下而上依次為入水管、出水管與泄流水管。入水管與自來水管連接向水箱注水,出水管向試樣提供恒定的水位,泄流水管則可以排出水箱內(nèi)多余水量。

圖3 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system

軸壓施加系統(tǒng)主要由移動式空壓機、氣缸以及氣缸控制器組成。鋼板通過連接氣缸的活塞桿向裝樣室底部施加軸向壓力。通過調(diào)節(jié)空壓機調(diào)節(jié)閥向氣缸輸出穩(wěn)定的空氣壓力,再由氣缸向試樣提供恒定的軸向壓力。

裝樣室由PMMA管制成,管徑10cm,管厚1cm,管長50cm,試驗前完整土樣長32cm,由裝樣室底部的鋼板支撐,該鋼板厚度為0.5cm,散布著間隔為6mm、直徑為5mm的圓孔,這些圓孔在試驗中為裝樣室底部提供均勻的水流,為防止細顆粒脫落,鋼板上帶有一個75μm孔徑的鋼絲篩。裝樣室頂部的網(wǎng)格可以防止粗顆粒的流失,但允許水和被侵蝕的細顆粒通過。

砂水分離收集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器DH3821、拉壓傳感器、細砂收集桶和出水量收集桶組成。細砂收集桶底部由孔徑小于細砂粒徑的紗網(wǎng)構(gòu)成,當挾砂水流通過管道流入收集桶后,細砂在重力作用下落在細砂收集桶內(nèi),多余的水量則通過上部泄水管流出。拉壓傳感器用來測量細砂累積量與滲流流量。為了有效防止細砂向四周飄散,對涌出細顆粒的收集過程在水下完成。數(shù)據(jù)采集器記錄試驗過程中的數(shù)據(jù),包括傳感器檢測到的涌出細砂的質(zhì)量、裝樣室兩端的水頭、施加于試樣底部的應(yīng)力以及試樣的變形。

1.3 試驗步驟

為得到3個粒徑段骨架顆粒對管涌的影響規(guī)律,將5組試樣分為3組試驗,試樣J1、J2和J3為A組試驗,試樣J1與J4為B組試驗,試樣J3與J5為C組試驗。試驗發(fā)現(xiàn)試樣干密度為1.92g/cm3時,在高低兩種軸壓應(yīng)力作用下試樣不會發(fā)生能夠影響整體滲透系數(shù)的變形,初始變形僅在2cm以下。因此將3組試驗試樣干密度均設(shè)置為1.92g/cm3,滲流方向均為豎直向上,軸向壓力均控制在80kPa。具體試驗步驟如下:

a.按照5組試樣的顆粒級配將不同范圍粒徑的土料進行拌和,然后摻入4%干土質(zhì)量的水至接近最優(yōu)含水率[24],攪拌均勻,利用欠壓實法[25]將混合均勻的土樣分成16層裝填,每層厚度為2cm。

b.將氣缸調(diào)為垂直方向,連接試驗系統(tǒng)。

c.打開數(shù)據(jù)采集器,并標定傳感器。

d.保持上游水位略高于下游水位,通過逐漸抬高上游水箱直至水位達到試樣頂部,靜置4h讓試樣飽和。

e.觀察并確定試樣內(nèi)無氣泡之后,調(diào)節(jié)空壓機,給試樣施加預設(shè)軸壓至80kPa。

f.抬高上游水箱,初始階段以0.2cm/min的速度緩慢抬升上游水頭,后期以0.1cm/min的速度抬升上游水頭直至獲得臨界水力梯度后保持穩(wěn)定。通過質(zhì)量傳感器采集涌砂量以及滲流流量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

土體顆粒級配直接影響滲透破壞發(fā)展的可能性、發(fā)展速度以及最終發(fā)展狀態(tài),是管涌發(fā)展過程的主要影響因素。試驗中5組試樣均為豎直向上滲流,在相同的軸向壓力條件下均發(fā)生滲流破壞現(xiàn)象。5組試樣在滲透破壞前,均未發(fā)生較大的軸向壓縮變形,軸向壓縮變形僅為1mm左右,隨著水力梯度的上升,試樣內(nèi)部有細顆粒開始在滲透力作用下向上移動,試樣內(nèi)部局部出現(xiàn)較小的坍塌,并伴隨著細顆粒的涌出,直至試樣破壞,試樣J2在后期發(fā)生較大的軸向壓縮變形。

2.2 滲流速度和臨界水力梯度

圖4為試樣水力梯度與滲流速度關(guān)系曲線。試樣在水力梯度較小時,滲流速度均與水力梯度呈線性關(guān)系,基本符合達西定律,而隨著水力梯度的上升,每組試樣滲流速度的變化各有不同。

圖4 不同試樣滲流速度隨水力梯度變化曲線Fig.4 Variation curve of seepage velocity with hydraulic gradient in different samples

A組試驗試樣的差別在于2～3mm與3～5mm粒徑段顆粒相對含量不同。J1與J3兩組試樣滲流速度隨水力梯度變化關(guān)系一致,初始滲透系數(shù)(圖中斜率)分別為0.12、0.11cm/s,J1曲線斜率更大(圖4(a)),而試樣J2的初始滲透系數(shù)為0.4cm/s,遠大于前兩組。

B組試驗試樣顆粒含量組成區(qū)別在于J1試樣不含1～2mm粒徑段顆粒,J4試樣不含2～3mm粒徑段顆粒,其余顆粒組成相同。從圖4(b)可得J1和J4試樣初始滲透系數(shù)分別為0.12、0.08cm/s。C組試樣的差異在于J5試樣含有1～5mm粒徑段顆粒,而J3試樣不含有1～2mm粒徑段顆粒,從圖4(c)可以看出C組試樣的初始滲透系數(shù)基本一致,但后續(xù)管涌發(fā)展過程中,J5試樣的滲流速度小于J3試樣。

將試樣內(nèi)部細顆粒出現(xiàn)局部性運動時對應(yīng)的水力梯度作為下限臨界水力梯度(iL),而將試樣細顆粒達到穩(wěn)定出流出現(xiàn)整體運動時對應(yīng)的水力梯度作為上限臨界水力梯度(iH)[26],相應(yīng)的臨界水力梯度值及位置如圖4所示。

根據(jù)骨架顆粒級配曲線,可確定出5組試樣的特征粒徑d10、d30、d60(在骨架顆粒中分別占10%、30%、60%的粒徑),由此可算出骨架顆粒不均勻系數(shù)(Cu)和曲率系數(shù)(Cc)。如表1所示,5組試樣的上限臨界水力梯度均在1.5左右,而下限臨界水力梯度有一定差距,說明骨架顆粒組成的不同對細顆粒起動條件有著較大影響,而對試樣發(fā)生滲透破壞臨界條件影響不大,且J1～J4試樣的下限臨界水力梯度與骨架顆粒不均勻系數(shù)基本成正比關(guān)系。因為不均勻系數(shù)大于5且曲率系數(shù)等于1～3代表級配良好,5組試樣的不均勻系數(shù)均小于5,且曲率系數(shù)均在1左右,所以不均勻系數(shù)越接近5,即越大,代表級配越良好。從表1可以看出,J4試樣的下限臨界水力梯度最高,不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)均為最大,在5組試樣中級配最好,故發(fā)生管涌的時間最晚,細顆粒最不易起動。J2試樣的下限臨界水力梯度最低,不均勻系數(shù)最小,故發(fā)生管涌的時間最早?？偟膩碚f,J1～J4試樣的下限臨界水力梯度隨著骨架顆粒不均勻系數(shù)的增大而增大。J5試樣由于有1～3mm粒徑段顆粒的堵塞作用,下限臨界水力梯度為0.96,相比完全不含1～2mm粒徑段顆粒的J1與J2試樣來說,下限臨界水力梯度更高,細顆粒更不容易起動;但J5與J3試樣相比,J3試樣雖不含1～2mm粒徑段顆粒,但有足夠含量的2～3mm粒徑段顆粒,所以兩者的下限臨界水力梯度相當。

表1 試樣骨架顆粒級配特征及臨界水力梯度Table 1 Gradation characteristics of skeleton particles and critical hydraulic gradient for soil sample

2.3 累積涌砂量和涌砂速率

通過砂水分離收集系統(tǒng)實時收集涌出的細顆粒,采用以下公式可以計算出試樣管涌過程中的累積涌砂干質(zhì)量:

ms=mbγs/(γs-γw)

(1)

式中:ms為累積涌砂干質(zhì)量;mb為累積涌砂浮質(zhì)量;γs為土顆粒容重;γw為水容重。

A組試驗3組試樣2～3mm粒徑段含量與3～5mm粒徑段顆粒含量比值分別為1∶1、1∶2、2∶1,對比其累積涌砂量隨時間變化曲線(圖5(a))可以發(fā)現(xiàn),隨著2～3mm粒徑段顆粒含量的增加,累積涌砂量呈現(xiàn)減少趨勢,J2試樣累積涌砂量約752g,占細顆?？偭康?7.3%。而J3試樣累積涌砂量則僅為515g,占細顆?？偭康?2.9%。從圖5 (b)可以發(fā)現(xiàn),兩者的累積涌砂量差異逐漸增大,J1試樣累積涌砂量約為420g,占細顆?？偭康?3%,而J4累積涌砂量僅為115g,占細顆粒總量的11.8%,兩者累積涌砂量差異較大(305g)。如圖5 (c)所示,C組試驗試樣的管涌發(fā)展程度很接近,在80min以后開始出現(xiàn)較小的差異,J5試樣在100min后管涌發(fā)展趨于穩(wěn)定,最終累積涌砂量保持在414g左右,約占細顆?？偭康?2.5%。同一時期,J3試樣累積涌砂量仍在緩慢增加,管涌發(fā)展到233min時J3累積涌砂量從463g較快增加至506g,此時發(fā)生了約8mm的軸向滲透破壞變形,出現(xiàn)了陡增現(xiàn)象,最終穩(wěn)定在530g。

圖5 累積涌砂量隨時間變化曲線Fig.5 Variation curve of cumulative sand gushing with time

為進一步研究土體顆粒級配對管涌發(fā)展規(guī)律的影響,根據(jù)試驗結(jié)果制作出涌砂速率隨時間變化的散點關(guān)系圖,并擬合5組試樣的涌砂速率隨時間變化關(guān)系曲線,結(jié)果如圖6所示。A、B、C 3組試驗試樣的涌砂速率隨時間變化關(guān)系曲線均有降低且逐漸趨于零的趨勢。從圖6(b)可以看出,J1試樣在試驗前50min平均涌砂速率穩(wěn)定在8g/min,而J4試樣平均涌砂速率穩(wěn)定在5g/min,要遠小于J1。與此同時,J1試樣涌砂速率的峰值能達到32g/min,也遠大于J4的12g/min。J4試樣整體管涌發(fā)展過程較為平緩,涌砂速率波動較小,J1試樣整個管涌發(fā)展過程有明顯的變緩趨勢,涌砂速率從32g/min降低至后期的1.7g/min,波動性較大。如圖6(c)所示,J5試樣在管涌整體發(fā)展過程中涌砂速率較為平緩,峰值不超過3g/min,而J3試樣的涌砂速率波動性較大,峰值可達20g/min,遠大于J5。

圖6 涌砂速率隨時間變化曲線Fig.6 Variation curve of sand gushing rate with time

3 討 論

在發(fā)生滲流時,細顆粒乃至骨架中較細顆粒會隨著滲流涌出,較粗顆粒之間的孔隙沒有粒徑較小的骨架顆粒去填充,容易形成穩(wěn)定的滲流通道,且試樣的較細顆粒含量越小,其初始滲透系數(shù)以及累積涌砂量就會越大。對比J1、J2和J3這3組試樣發(fā)現(xiàn),2～3mm粒徑段顆粒分別占了骨架顆粒的18.75%、12.5%、25%,3～5mm粒徑段顆粒分別占了骨架顆粒的18.75%、25%、12.5%,而這3組試樣的初始滲透系數(shù)(圖4(a)中曲線斜率)分別為0.12、0.4、0.11。相較于J2組試樣,J1和J3組試樣的滲透系數(shù)相差不大,這可能是因為J1和J3組試樣2～3mm與3～5mm粒徑段含量差距不大,反觀J2組試樣,其2～3mm粒徑段顆粒比其余兩組少得多,但其3～5mm粒徑段顆粒又更多,所以其滲透系數(shù)會更大,這說明了2～3mm粒徑段對于降低滲透系數(shù)效果要比3～5mm粒徑段更好,這一結(jié)論也可以從圖5(a)中的累積涌砂量與涌砂時間關(guān)系得到證明,從圖4(b)(c)和圖5(b)(c)也能得到佐證。

4 結(jié) 論

a.不同顆粒級配的試樣,在管涌發(fā)生前,水力梯度與滲流速度呈線性關(guān)系,基本符合達西定律。

b.骨架顆粒組成的不同對細顆粒起動條件有著較大影響,而對試樣發(fā)生滲透破壞臨界條件影響不大。完全不含1～2mm或2～3mm粒徑段顆粒的試樣,其下限臨界水力梯度與骨架顆粒不均勻系數(shù)基本成正比關(guān)系。

c.骨架顆粒組成的不同對管涌發(fā)展過程也有較大的影響,其中1～2mm粒徑段顆粒的堵塞作用最強,相比完全不含1～2mm粒徑段顆粒的試樣,細顆粒最不易起動;2～3mm粒徑段顆粒的堵塞作用要強于3～5mm粒徑段顆粒,在無1～2mm粒徑段顆粒的情況下,2～3mm粒徑段顆粒相對更多的試樣,細顆粒更不易起動。

本文試驗僅設(shè)置了1組同時含有1～2mm、2～3mm和3～5mm 3種粒徑段的試樣,且其骨架顆粒不均勻系數(shù)與下限臨界水力梯度的變化規(guī)律和其余4組試樣不一致,因此本文試驗試樣組成上缺少多樣性,故在不同骨架顆粒級配對管涌發(fā)生規(guī)律影響的討論上存在局限性,需要進行更深入的研究。