張林華

近20多年來，各地圍海造陸和新建擴(kuò)建港口規(guī)模在不斷加大，海上筑堤新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。自2001年起，天津塘沽新港在防波堤外側(cè)進(jìn)行大規(guī)模圍海造陸工程，海擋工程直接承受海浪、風(fēng)暴潮作用，且多建于淤泥質(zhì)海涂上，斷面面積較大，施工難度大。面對(duì)上述困難，提出了由土工模袋充填砂料構(gòu)筑堤心的模袋砂堤筑堤技術(shù)。該結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：適宜在軟基上構(gòu)筑，施工快，效率高；模袋材料透水不漏砂，適合水力灌砂；模袋砂整體性較好；靠船舶、機(jī)械施工，集挖、裝、運(yùn)、卸過程于一體。

本文以天津南港東堤海擋工程為背景，為適應(yīng)軟基上筑堤特點(diǎn)，堤身采設(shè)計(jì)用大型水力充填砂袋填筑。大型充砂袋堤心適用于地基承載力較低的中、高灘部位，且易于排水固結(jié)。充砂袋厚約0.5 m，采用梯形斷面型式。每筑一層，縮進(jìn)0.75～1.2 m，其間設(shè)置袋裝碎石平整坡面。由于堤身水力沖砂袋筑堤和地基拋填砂在施工上難以按統(tǒng)一的施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，導(dǎo)致堤身和堤基拋填砂的充填物和密實(shí)度存在不均一性，這就使得堤身和堤基拋填砂的滲透系數(shù)分布是非均質(zhì)性和不均勻的，其不同部位的抗?jié)B能力也有所不同。

本文為了解決南港東堤的滲透穩(wěn)定、滲透量等滲流方面問題，開展了一系列的滲流實(shí)驗(yàn)來確定堤身和堤基土樣滲透系數(shù)與應(yīng)力狀態(tài)等影響因素之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)達(dá)西定律，通過試樣的流量大小Q與上下游水頭差（h1-h2）成正比，與過水?dāng)嗝婷娣eA和試樣高度L呈反比，即：

式中 K——滲透系數(shù)；

A——過水?dāng)嗝婷娣e；

h1，h2——上游水位和下游水位；

L——試樣高度，即滲徑長(zhǎng)度。

式中 J——滲透梯度。

1.2 試驗(yàn)儀器

天津南港東堤堤壩最大壩高約13 m左右，砂土體不同高度位置的應(yīng)力狀態(tài)不同，依據(jù)土體的上覆壓力，實(shí)驗(yàn)擬定試樣圍壓分別為0.05、0.1、0.15、0.20、0.25 MPa，對(duì)應(yīng)的軸壓（相當(dāng)于土體的側(cè)壓力）為圍壓的0.4倍，進(jìn)行堤身和堤基土樣的滲透性實(shí)驗(yàn)。

圖1為河海大學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)室研制的土體滲流－應(yīng)力耦合實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該裝置能夠模擬三向應(yīng)力狀態(tài)下土體滲流過程中土體變形、土體滲透特性變化、土體細(xì)顆粒流失等多場(chǎng)耦合作用的影響，可以密切監(jiān)測(cè)滲流過程中由于細(xì)顆粒流失而引起的土體水力、幾何性質(zhì)的變化。

1.3 試樣制備

將砂充分?jǐn)嚢杈鶆蚴沟迷嚇又胁缓蓄w粒狀，將盆、鏟及有關(guān)工具用濕布擦拭。緊接著，將熱縮管安裝在漏斗型金屬底座上，進(jìn)行試樣的分層填筑，試樣填筑高度20 cm，直徑10 cm，填筑完畢后，蓋上實(shí)驗(yàn)帽并用硅膠封閉熱縮管底部和熱縮管與蓋帽連接處，安裝后使得土樣處于豎直狀態(tài)。最后，待硅膠凝固后，緩慢地自下而上飽和試樣并保證試樣中的空氣排凈。

圖1 土體滲流—應(yīng)力耦合滲透實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖

2 試驗(yàn)過程和結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過程

通過試驗(yàn)儀器，分別對(duì)堤基拋填砂、堤身充填砂做滲透性試驗(yàn)。每種砂都在的不同對(duì)的圍壓下進(jìn)行試驗(yàn)，圍壓分別為0.05、0.1、0.15、0.20、0.25 MPa。待試樣飽和后將圍壓室安裝在金屬底座上。將圍壓室頂部的放氣閥打開，用移動(dòng)水箱給圍壓室加水，待圍壓室內(nèi)的水從放氣閥溢出時(shí)，同時(shí)關(guān)閉放氣閥和進(jìn)水閥；然后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)試樣施加軸向壓力；最后，同時(shí)打開下游測(cè)壓管和圍壓控制閥，利用圍壓輸出控制盤開始對(duì)試樣分級(jí)施加圍壓，施加圍壓過程中需等到下游測(cè)壓管內(nèi)水位保持靜止（需要約20 min）后方能繼續(xù)施加下一級(jí)圍壓，直到按照實(shí)驗(yàn)工況要求完成對(duì)圍壓的加載，施加圍壓過程中每提高0.05 MPa間歇20 min左右，以保證圍壓均勻。

試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)加載一級(jí)滲透壓力后，待上下游測(cè)壓管內(nèi)水位保持穩(wěn)定（需要約30 min），方可量測(cè)此滲壓下的試樣滲流量。當(dāng)滲透壓力較小時(shí)，即水頭低于2 m時(shí)，則利用移動(dòng)水箱對(duì)土樣分級(jí)施加滲透壓力。滲透水流通過進(jìn)水管進(jìn)入試樣，通過出水管，進(jìn)入量杯。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄滲流量與滲透梯度之間的關(guān)系。

2.2 結(jié)果分析

記錄水頭差、時(shí)間、水的質(zhì)量，分別計(jì)算出流量、流速、水力梯度。如圖2所示，從堤基拋填砂滲流流速與水力梯度的關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)，在圍壓相同的條件下，堤基拋填砂土樣的水力梯度與滲流速度具有很好的線性關(guān)系，結(jié)果符合達(dá)西定律。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在相同的水力梯度下，圍壓0.05 MPa下的流速較大，而其它圍壓下流速幾乎相同。這說明滲流速度和圍壓有關(guān)系，隨著圍壓的增加，滲流速度會(huì)減慢并趨于穩(wěn)定。如圖2所示，從堤身充填砂滲流流速與水力梯度的關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)，在圍壓相同的條件下，堤身充填砂土樣的水力梯度與滲流速度具有很好的線性關(guān)系，結(jié)果符合達(dá)西定律。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在相同的水力梯度下，隨著圍壓的增加，滲流速度會(huì)減慢。對(duì)比分析，在相同圍壓下，充填砂滲流流速明顯小于拋填砂的滲流流速，這是由于兩者的顆粒級(jí)配不同所造成的。

圖2 不同水力梯度下的滲流流速

圖3反映了2種砂滲透系數(shù)隨應(yīng)力狀態(tài)變化情況。拋填砂和充填砂的滲透系數(shù)都是隨著圍壓的增大而緩慢下降，其中拋填砂由圍壓0.05 MPa至0.25 MPa滲透系數(shù)減小21%，充填砂減小14%，二者減小幅度不明顯。在相同應(yīng)力狀態(tài)下，充填砂的滲透系數(shù)小于拋填砂的滲透系數(shù)。

圖3 不同應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)

堤基拋填砂、堤身充填砂的滲透特性和抗?jié)B指標(biāo)平行樣實(shí)驗(yàn)裝置采用河海大學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)室常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)小筒，用以測(cè)定無圍壓下堤基拋填砂、堤身充填砂的滲透系數(shù)和抗?jié)B坡降，試樣有堤基拋填砂、堤身充填砂兩種，每種試樣做3組平行樣，試樣高度10 cm，直徑11 cm。當(dāng)繼續(xù)增加水頭，上游測(cè)壓管緩慢下降，流量突然增大，試樣破壞，這時(shí)的水力梯度為臨界抗?jié)B坡降。試驗(yàn)結(jié)果見表1、2。

表1 堤基拋填砂常規(guī)滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在以上3組平行樣實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得的堤基拋填砂、堤身充填砂的滲透系數(shù)、抗?jié)B坡降值非常接近，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較可靠。可以得出：堤基拋填砂的平均滲透系數(shù)是0.042 cm/s，平均臨界抗?jié)B坡降為1.10；堤身充填砂的平均滲透系數(shù)是0.004 5 cm/s，平均臨界抗?jié)B為2.54。與圖2對(duì)比分析可知道，在圍壓0.05 MPa下，拋填砂的滲透系數(shù)是0.005 8 cm/s，充填砂的滲透系數(shù)是0.003 4 cm/s，很顯然無圍壓下砂平均滲透系數(shù)較大。

引起滲透系數(shù)變小的原因可能是試樣處在低圍壓的情況時(shí)，部分顆粒處于架空狀態(tài)，顆粒之間存在較大的孔隙；而試樣所處圍壓增大時(shí)，土體所處的應(yīng)力增大，它導(dǎo)致了土體的變形，土樣開始擾動(dòng)，細(xì)顆粒被擠入原有的孔隙當(dāng)中，顆粒的相對(duì)位置發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，使得顆粒間孔隙減小，試樣更加密實(shí)，引起滲透性變小。圍壓越大，顆粒間孔隙越小，試樣越密實(shí)，其滲透性越小。當(dāng)圍壓增大到一定程度時(shí)，土顆粒之間的空隙已基本不變，顆粒之間不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)土體滲透性減小幅度不明顯。這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了土體的滲透系數(shù)與土體的孔隙率是密切相關(guān)的，由于土體的孔隙率會(huì)隨著圍壓的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而這種減小的趨勢(shì)是越來越不明顯的，這與土體滲透系數(shù)的變化是一致的。

通過上述試驗(yàn)可得，南港東堤堤身和堤基拋填砂的滲透系數(shù)分布是非均質(zhì)性和不均勻的，其不同部位的抗?jié)B能力也有所不同。所以，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮滲透系數(shù)的合理性，需要分層考慮。

3 結(jié)語

（1）各組土樣的滲透流速與滲透梯度之間的關(guān)系呈線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的直線擬合程度高，土樣的滲透性符合達(dá)西滲透定律。

（2）應(yīng)力狀態(tài)對(duì)拋填砂和充填砂的滲透特性影響較大。堤身充填砂和堤基拋填砂的滲透系數(shù)隨著圍壓的增大而逐漸減小，其中由圍壓0.05 MPa至0.25 MPa，堤基拋填砂滲透系數(shù)減小21%，堤身充填砂減小14%。

（3）在無圍壓狀態(tài)下堤基拋填砂的平均滲透系數(shù)是0.042 cm/s，平均臨界抗?jié)B坡降為1.10；堤身充填砂的平均滲透系數(shù)是0.004 5 cm/s，平均臨界抗?jié)B坡降為2.54。無圍壓狀態(tài)下的土樣滲透系數(shù)比有圍壓作用下的要大。

（4）砂性土體的滲透系數(shù)與其孔隙率是密切相關(guān)的，滲透系數(shù)分布是非均質(zhì)性和不均勻的，其不同部位的抗?jié)B能力也有所不同。圍壓越大，土體被壓縮，其孔隙率越小。當(dāng)圍壓增大到一定程度時(shí)，土顆粒之間的空隙已經(jīng)密實(shí)，此時(shí)土體滲透性減小幅度不明顯。