梁 越,喻金桃,張 強(qiáng),許 彬,張宏杰, 龔勝勇

(1.重慶交通大學(xué)國(guó)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(xué)河海學(xué)院,重慶 400074; 3.內(nèi)江市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)中心,四川 內(nèi)江 641100)

管涌本質(zhì)上是土體內(nèi)部細(xì)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(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變從而整個(gè)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(duì)堤壩的破壞最嚴(yán)重,若不及時(shí)排除,會(huì)使堤基發(fā)生不均勻沉陷并導(dǎo)致崩堤的嚴(yán)重后果,因此堤壩滲漏的探測(cè)和修補(bǔ)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(cè);梁越等[3]試驗(yàn)研究表明,在土石壩壩面滲漏進(jìn)口鋪設(shè)希德拉頓顆粒材料防滲性能較好,這對(duì)開(kāi)展管涌的預(yù)防治理工作具有一定的意義。但是管涌發(fā)展過(guò)程受到諸多因素的影響,具有很強(qiáng)的隨機(jī)性、隱蔽性,且難以監(jiān)測(cè),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(dāng)大的難度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對(duì)管涌問(wèn)題進(jìn)行了廣泛深入的研究。沙金煊[6]通過(guò)計(jì)算臨界細(xì)顆粒含量來(lái)判斷滲透破壞類型,此外還可采用顆粒級(jí)配曲線判別法[7]、不均勻系數(shù)判別法、細(xì)顆粒含量法[8]等來(lái)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(yàn)和數(shù)值模擬等方法建立了臨界水力梯度公式,并通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性。倪小東等[13]為研究管涌的細(xì)觀機(jī)理,開(kāi)展了不同顆粒級(jí)配、細(xì)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(duì)管涌發(fā)生發(fā)展的影響。Nguyen等[14]通過(guò)數(shù)值方法研究了土體孔隙度、顆粒均勻性等對(duì)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?xiàng)l件(孔隙率或者孔隙比、密實(shí)度等)和幾何條件(粒徑比、顆粒級(jí)配等),對(duì)管涌問(wèn)題做了大量的研究。陳亮等[19-20]通過(guò)管涌試驗(yàn)以及管涌后的排水剪切試驗(yàn),分析了3種不同細(xì)顆粒含量對(duì)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(duì)照,得到變水頭下土體內(nèi)部細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(yàn)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(duì)砂土剪切特性的影響規(guī)律。

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

1 散粒土管涌試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用石英砂散粒土配制不同間斷級(jí)配試樣,骨架顆粒粒徑2～10mm,細(xì)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?jǐn)?shù),下同)不同對(duì)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(xì)顆粒含量均為20%,各粒徑段顆粒如圖1所示,骨架顆粒級(jí)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(jí)配曲線Fig.2 Particle size distribution curve of skeleton

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自行研制的滲流試驗(yàn)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(lái)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(yàn)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(dòng)式空壓機(jī)、氣缸以及氣缸控制器組成。鋼板通過(guò)連接氣缸的活塞桿向裝樣室底部施加軸向壓力。通過(guò)調(diào)節(jié)空壓機(jī)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(zhǎng)50cm,試驗(yàn)前完整土樣長(zhǎng)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(yàn)中為裝樣室底部提供均勻的水流,為防止細(xì)顆粒脫落,鋼板上帶有一個(gè)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(xì)顆粒通過(guò)。

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(xì)砂收集桶和出水量收集桶組成。細(xì)砂收集桶底部由孔徑小于細(xì)砂粒徑的紗網(wǎng)構(gòu)成,當(dāng)挾砂水流通過(guò)管道流入收集桶后,細(xì)砂在重力作用下落在細(xì)砂收集桶內(nèi),多余的水量則通過(guò)上部泄水管流出。拉壓傳感器用來(lái)測(cè)量細(xì)砂累積量與滲流流量。為了有效防止細(xì)砂向四周飄散,對(duì)涌出細(xì)顆粒的收集過(guò)程在水下完成。數(shù)據(jù)采集器記錄試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù),包括傳感器檢測(cè)到的涌出細(xì)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(yàn)步驟

為得到3個(gè)粒徑段骨架顆粒對(duì)管涌的影響規(guī)律,將5組試樣分為3組試驗(yàn),試樣J1、J2和J3為A組試驗(yàn),試樣J1與J4為B組試驗(yàn),試樣J3與J5為C組試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試樣干密度為1.92g/cm3時(shí),在高低兩種軸壓應(yīng)力作用下試樣不會(huì)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(yàn)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(yàn)步驟如下:

a.按照5組試樣的顆粒級(jí)配將不同范圍粒徑的土料進(jìn)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(shí)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(yàn)系統(tǒng)。

c.打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器,并標(biāo)定傳感器。

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

e.觀察并確定試樣內(nèi)無(wú)氣泡之后,調(diào)節(jié)空壓機(jī),給試樣施加預(yù)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(guò)質(zhì)量傳感器采集涌砂量以及滲流流量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

土體顆粒級(jí)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?fàn)顟B(tài),是管涌發(fā)展過(guò)程的主要影響因素。試驗(yàn)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(xì)顆粒開(kāi)始在滲透力作用下向上移動(dòng),試樣內(nèi)部局部出現(xiàn)較小的坍塌,并伴隨著細(xì)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(shí),滲流速度均與水力梯度呈線性關(guān)系,基本符合達(dá)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(yàn)試樣的差別在于2～3mm與3～5mm粒徑段顆粒相對(duì)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(yuǎn)大于前兩組。

B組試驗(yàn)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(guò)程中,J5試樣的滲流速度小于J3試樣。

將試樣內(nèi)部細(xì)顆粒出現(xiàn)局部性運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的水力梯度作為下限臨界水力梯度(iL),而將試樣細(xì)顆粒達(dá)到穩(wěn)定出流出現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)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(jí)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(shuō)明骨架顆粒組成的不同對(duì)細(xì)顆粒起動(dòng)條件有著較大影響,而對(duì)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?yàn)椴痪鶆蛳禂?shù)大于5且曲率系數(shù)等于1～3代表級(jí)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(jí)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(jí)配最好,故發(fā)生管涌的時(shí)間最晚,細(xì)顆粒最不易起動(dòng)。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(shí)間最早。總的來(lái)說(shuō),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(lái)說(shuō),下限臨界水力梯度更高,細(xì)顆粒更不容易起動(dòng);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(dāng)。

表1 試樣骨架顆粒級(jí)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(guò)砂水分離收集系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集涌出的細(xì)顆粒,采用以下公式可以計(jì)算出試樣管涌過(guò)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(yàn)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(duì)比其累積涌砂量隨時(shí)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(shì),J2試樣累積涌砂量約752g,占細(xì)顆?？偭康?7.3%。而J3試樣累積涌砂量則僅為515g,占細(xì)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(xì)顆?？偭康?3%,而J4累積涌砂量?jī)H為115g,占細(xì)顆?？偭康?1.8%,兩者累積涌砂量差異較大(305g)。如圖5 (c)所示,C組試驗(yàn)試樣的管涌發(fā)展程度很接近,在80min以后開(kāi)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(xì)顆?？偭康?2.5%。同一時(shí)期,J3試樣累積涌砂量仍在緩慢增加,管涌發(fā)展到233min時(shí)J3累積涌砂量從463g較快增加至506g,此時(shí)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(shí)間變化曲線Fig.5 Variation curve of cumulative sand gushing with time

為進(jìn)一步研究土體顆粒級(jí)配對(duì)管涌發(fā)展規(guī)律的影響,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制作出涌砂速率隨時(shí)間變化的散點(diǎn)關(guān)系圖,并擬合5組試樣的涌砂速率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線,結(jié)果如圖6所示。A、B、C 3組試驗(yàn)試樣的涌砂速率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線均有降低且逐漸趨于零的趨勢(shì)。從圖6(b)可以看出,J1試樣在試驗(yàn)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(yuǎn)小于J1。與此同時(shí),J1試樣涌砂速率的峰值能達(dá)到32g/min,也遠(yuǎn)大于J4的12g/min。J4試樣整體管涌發(fā)展過(guò)程較為平緩,涌砂速率波動(dòng)較小,J1試樣整個(gè)管涌發(fā)展過(guò)程有明顯的變緩趨勢(shì),涌砂速率從32g/min降低至后期的1.7g/min,波動(dòng)性較大。如圖6(c)所示,J5試樣在管涌整體發(fā)展過(guò)程中涌砂速率較為平緩,峰值不超過(guò)3g/min,而J3試樣的涌砂速率波動(dòng)性較大,峰值可達(dá)20g/min,遠(yuǎn)大于J5。

圖6 涌砂速率隨時(shí)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(shí),細(xì)顆粒乃至骨架中較細(xì)顆粒會(huì)隨著滲流涌出,較粗顆粒之間的孔隙沒(méi)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(xì)顆粒含量越小,其初始滲透系數(shù)以及累積涌砂量就會(huì)越大。對(duì)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?yàn)镴1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(huì)更大,這說(shuō)明了2～3mm粒徑段對(duì)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(shí)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(jí)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(dá)西定律。

b.骨架顆粒組成的不同對(duì)細(xì)顆粒起動(dòng)條件有著較大影響,而對(duì)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(duì)管涌發(fā)展過(guò)程也有較大的影響,其中1～2mm粒徑段顆粒的堵塞作用最強(qiáng),相比完全不含1～2mm粒徑段顆粒的試樣,細(xì)顆粒最不易起動(dòng);2～3mm粒徑段顆粒的堵塞作用要強(qiáng)于3～5mm粒徑段顆粒,在無(wú)1～2mm粒徑段顆粒的情況下,2～3mm粒徑段顆粒相對(duì)更多的試樣,細(xì)顆粒更不易起動(dòng)。

本文試驗(yàn)僅設(shè)置了1組同時(shí)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(yàn)試樣組成上缺少多樣性,故在不同骨架顆粒級(jí)配對(duì)管涌發(fā)生規(guī)律影響的討論上存在局限性,需要進(jìn)行更深入的研究。