羅玉龍，吳 強(qiáng)，詹美禮，盛金昌

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098）

1 引 言

懸掛式防滲墻是一種十分重要的防滲措施，廣泛應(yīng)用于堤防工程及深厚覆蓋層上的高土石壩工程中。防滲墻的建設(shè)一方面有利于堤壩的整體穩(wěn)定性，但另一方面也會(huì)在防滲墻底部及周圍巖土體內(nèi)產(chǎn)生較大的滲透坡降。眾多專家認(rèn)為，這可能造成防滲墻底部土體發(fā)生局部滲透破壞，甚至誘發(fā)大壩整體破壞，建議繼續(xù)加深防滲墻深度以減小滲透坡降，這樣不僅加大了施工難度，顯著地提高了工程投資，而且由于墻體深度過(guò)大，難以保證質(zhì)量。

眾多學(xué)者對(duì)懸掛式防滲墻的防滲效果及控制管涌等滲透變形發(fā)展的效果進(jìn)行了廣泛的研究，如張家發(fā)等[1]通過(guò)砂槽模型，模擬了細(xì)砂地基中滲透變形的發(fā)生和擴(kuò)展過(guò)程，表明懸掛式防滲墻對(duì)滲透變形的發(fā)生條件影響很小，但對(duì)滲透變形的擴(kuò)展及模型破壞的條件影響顯著。毛昶熙等[2]開展了有懸掛式防滲墻的砂質(zhì)堤基水槽模型管涌試驗(yàn)，對(duì)不同貫入度懸掛防滲墻防止管涌效果進(jìn)行了研究，確定了懸掛式防滲墻及其前后水平段的滲流臨界坡降，給出了管涌險(xiǎn)情是否影響大堤安全的估算公式。李廣信等[3]利用有機(jī)玻璃模型槽，模擬二元堤基條件及不同防滲墻深度下，堤基內(nèi)管涌的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，試驗(yàn)表明懸掛式防滲墻對(duì)于管涌出砂量有控制作用，且管涌口環(huán)形出砂面積與防滲墻深度線性相關(guān)；砂土越密實(shí)，越不易發(fā)生管涌。丁留謙等[4]研究了雙層堤基設(shè)置懸掛式防滲墻情況下管涌發(fā)展并導(dǎo)致潰堤的過(guò)程和機(jī)理，試驗(yàn)表明懸掛式防滲墻可以有效地提高堤基管涌破壞的水平平均臨界滲透坡降，降低管涌的危害程度，使堤基整體抵抗管涌破壞的能力顯著提高。周曉杰等[5]模擬了二元堤基在不同防滲墻深度、位置條件下滲透變形的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。王保田等[6]的試驗(yàn)表明，懸掛式防滲墻的臨界表觀水力梯度隨貫入度的增加而有較大的增加。Tanaka 等[7]、Maeda 等[8－9]、Sakai等[10－11]研究了砂基中板墻周圍土體的滲透破壞過(guò)程，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著板墻上下游水頭差的增大，下游砂表面開始破壞，上游砂表面開始下沉，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，板墻底部土體開始發(fā)生侵蝕和流動(dòng)。上述研究成果加深了對(duì)含有懸掛式防滲墻的強(qiáng)透水地基滲透破壞機(jī)制的認(rèn)識(shí)，但均沒有考慮地基所處的三向受壓狀態(tài)的影響。由于懸掛式防滲墻底端一般距地表幾十米（堤防工程）甚至是幾百米（深厚覆蓋層上的高土石壩工程），防滲墻及強(qiáng)透水地基均處于高壓力狀態(tài)，土體內(nèi)部的孔隙通道被顯著壓縮，進(jìn)而限制了大量潛在可動(dòng)細(xì)顆粒在土體中及防滲墻與土體接觸面上的運(yùn)移，與不考慮應(yīng)力情況比較，會(huì)顯著地提高管涌的臨界滲透坡降（這里定義管涌臨界滲透坡降為土體最早出現(xiàn)極少量細(xì)顆粒流失現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的滲透坡降）。然而，已有的研究成果均不能完全體現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)懸掛式防滲墻-強(qiáng)透水地基管涌臨界坡降及管涌發(fā)展過(guò)程的影響，可能造成眾多不必要的工程浪費(fèi)。

為了研究懸掛式防滲墻-強(qiáng)透水地基所處的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)其管涌等滲透變形發(fā)展過(guò)程影響，本次利用自行研制的土與結(jié)構(gòu)物接觸剪切滲透儀，對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下懸掛式防滲墻-砂礫石地基管涌臨界滲透坡降進(jìn)行了研究。

2 土與結(jié)構(gòu)物接觸剪切滲透儀介紹

筆者新研制的土與結(jié)構(gòu)物接觸剪切滲透儀如圖1所示。該儀器可研究高應(yīng)力、高滲壓條件下土體與結(jié)構(gòu)物接觸面的滲流應(yīng)力耦合機(jī)制，包括圍壓系統(tǒng)、軸向壓力系統(tǒng)、滲透壓力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及土與結(jié)構(gòu)物模型底座等。圍壓及軸向壓力系統(tǒng)模擬土與結(jié)構(gòu)物承受的高應(yīng)力狀態(tài)，最高圍壓、軸向壓力分別可達(dá)2.0 MPa和4.0 MPa；滲透壓力系統(tǒng)模擬接觸面承受的高水力梯度的滲流作用，最高水頭達(dá)200 m，最低水頭0～2 m，能夠?qū)崿F(xiàn)高低水頭的快速切換；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)試樣沉降、孔隙水壓力消散等。土與結(jié)構(gòu)物模型底座由模擬結(jié)構(gòu)物的硬塑板和可拆卸的金屬底座組成，金屬底座包含有進(jìn)水口和出水口，如圖2所示。

圖1 土與結(jié)構(gòu)物接觸剪切滲透儀Fig.1 Photograph of soil-structure contact shear permeameter

圖2 模型底座Fig.2 Model base

根據(jù)研究目的，本試驗(yàn)不施加軸向壓力，僅考慮圍壓對(duì)懸掛式防滲墻-砂礫石地基管涌發(fā)生臨界坡降及管涌發(fā)展過(guò)程的影響，滲透壓力系統(tǒng)采用低水頭模式，由變水頭水箱提供，試樣進(jìn)出口端設(shè)置測(cè)壓管以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總水頭變化。試驗(yàn)過(guò)程：①按照填筑要求制備試樣，并飽和試樣。②分級(jí)緩慢施加圍壓，并打開排水管固結(jié)排水。③分級(jí)施加滲透壓力，施加完每級(jí)水頭后，利用濾網(wǎng)收集流出的細(xì)砂，待流量穩(wěn)定后，測(cè)定流量，記錄時(shí)間及流量，計(jì)算滲流速度，繪制出砂量-滲透坡降關(guān)系，滲流速度-滲透坡降關(guān)系曲線。

3 不同應(yīng)力狀態(tài)下防滲墻-砂礫石地基管涌試驗(yàn)

試驗(yàn)土料為 Skempton等[12]研究使用的缺乏中間級(jí)配的管涌型砂礫石料A，其顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。擬開展無(wú)圍壓、圍壓0.2、0.4、0.6、0.8 MPa等5組試驗(yàn)，各組試驗(yàn)砂礫料試樣的填筑密度嚴(yán)格控制在1.843 g/cm3，孔隙率在0.31～0.33之間，以保證各組試驗(yàn)成果具有可比性。試驗(yàn)中懸掛式防滲墻高度10 cm，厚1 cm，即滲徑長(zhǎng)21 cm，試樣總高度為20 cm，制備的試樣見圖4（冷凍后拍攝）。

圖3 砂礫石顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Particle size distribution curve of the sand-gravel

圖4 懸掛式防滲墻-砂礫石試樣Fig.4 Suspended cut-off wall and sand-gravel sample

3.1 無(wú)圍壓試驗(yàn)結(jié)果

無(wú)圍壓試驗(yàn)中，滲透坡降i從0.1緩慢增加大2.9（i＝進(jìn)出口兩端總水頭差/滲徑長(zhǎng)度）。當(dāng)i=0.16時(shí)，試樣開始流出極少量細(xì)砂，持續(xù)約 3 min，因此，無(wú)圍壓情況下，懸掛式防滲墻-砂礫石地基的管涌臨界滲透坡降icr=0.16；此后逐漸抬高水頭，均未有任何細(xì)砂流出，直到i=0.41時(shí)，再次出現(xiàn)極少量細(xì)砂流失現(xiàn)象；i在 0.41～1.27之間時(shí)，多次出現(xiàn)間斷性的極少量細(xì)砂流出現(xiàn)象；當(dāng)i=1.42時(shí)，一次出砂量驟然達(dá)到0.05 g；此后出現(xiàn)連續(xù)性出砂現(xiàn)象，但出砂量極少；當(dāng)i=2.57時(shí)，出砂量驟然加大，達(dá)到0.061 g；當(dāng)i=2.90時(shí)，出砂量再次驟然減小。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，總出砂量為0.4～0.5 g，整個(gè)試樣未出現(xiàn)明顯的管涌破壞現(xiàn)象。

3.2 不同圍壓試驗(yàn)結(jié)果

在圍壓為0.2 MPa試驗(yàn)中，i從0.18緩慢增加到4.9。試驗(yàn)初期，i在0.18～0.32之間均未見出砂現(xiàn)象；i=0.41時(shí)，開始流出2粒細(xì)砂，說(shuō)明icr=0.41；i=0.54時(shí)，停止出砂，此后開始出現(xiàn)持續(xù)性的出砂，但出砂量極少；當(dāng)i=1.53時(shí)，出砂量驟然增大，達(dá)到0.015 g，之后出砂量驟然減??；當(dāng)i=2.45時(shí)，出砂量再次驟然增大，達(dá)到0.176 g。此后，隨著i的增大，出砂量均較大，其中，i=3.45時(shí)，出砂量為0.21 g；i=4.93時(shí)，出砂量達(dá)到0.32 g。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，總出砂量達(dá)到1.178 g，雖然試驗(yàn)后期持續(xù)大量出砂，但試樣仍未出現(xiàn)明顯的管涌破壞現(xiàn)象，只在出口附近形成了比較明顯的大孔隙通道，見圖5。從圖中可以看出，進(jìn)水端及出水端都發(fā)生了比較明顯的細(xì)顆粒運(yùn)移現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，進(jìn)水端主要剩余大顆粒，與防滲墻的接觸面上大顆粒較大。而出水端一方面聚集了從進(jìn)水端運(yùn)移過(guò)來(lái)的大量細(xì)顆粒，另一方面，在與防滲墻的接觸面上形成了非常明顯的大孔隙通道。

圖5 圍壓0.2 MPa時(shí)試驗(yàn)結(jié)束后試樣進(jìn)出水端Fig.5 The sample inlet and outlet under confining pressure of 0.2 MPa

圖6為圍壓0.2 MPa試驗(yàn)結(jié)束后出水端附近顆粒級(jí)配曲線與試驗(yàn)前級(jí)配的對(duì)比。從圖中可以看出，試驗(yàn)前后出水端附近區(qū)域顆粒級(jí)配的最顯著區(qū)別體現(xiàn)在0.06～0.1 mm的顆粒上，試驗(yàn)結(jié)束后，出水端0.06～0.1 mm的顆粒含量已經(jīng)基本為0，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中，所有的0.06～0.1 mm的顆粒已經(jīng)全部流出試樣，這也可以從圖5中得到驗(yàn)證。

圖6 圍壓0.2 MPa時(shí)試驗(yàn)前后出水端土體顆粒級(jí)配對(duì)比Fig.6 The outlet soil particle size distribution under confining pressure of 0.2 MPa

在圍壓0.4 MPa試驗(yàn)中，滲透坡降從0.13緩慢增加到5.15，當(dāng)滲透坡降為0.56時(shí)，試樣開始出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，即 icr＝0.56。此后整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中一直有細(xì)砂流出，但出砂量時(shí)大時(shí)小，其中滲透坡降為0.64～1.84之間時(shí)，出砂量極少，而在滲透坡降為2.05、4.22、4.54、5.15時(shí)，出砂量分別達(dá)到0.054、0.058、0.066、0.103 g，說(shuō)明管涌的發(fā)展過(guò)程并不是一直持續(xù)的，而是存在細(xì)砂侵蝕運(yùn)移、淤堵于孔隙中、重新沖開孔隙，重新運(yùn)移等眾多復(fù)雜現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，總的出砂量達(dá)到0.382 g。雖然試驗(yàn)后期也出現(xiàn)持續(xù)大量出砂的現(xiàn)象，但試樣未發(fā)生明顯的管涌破壞。在圍壓0.6、0.8 MPa試驗(yàn)中，icr分別達(dá)到0.69、0.84。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，2個(gè)試樣均未出現(xiàn)明顯的管涌破壞現(xiàn)象。

各試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)的滲透坡降i與滲流速度v之間的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，隨著圍壓增大，i-v曲線斜率減小，說(shuō)明試樣的滲透系數(shù)逐漸減小，尤其是無(wú)圍壓時(shí)試樣滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于其他有圍壓的試樣。此外，i-v關(guān)系曲線呈現(xiàn)冪函數(shù)特征，不再符合常規(guī)的Darcy定律，而是符合毛昶熙等[13]介紹的非Darcy定律。

式中：k為滲透系數(shù)；系數(shù)m與土體密實(shí)度及有效粒徑有關(guān)。按照上述關(guān)系擬合，得到無(wú)圍壓、圍壓0.2、0.4、0.6、0.8 MPa時(shí)i-v經(jīng)驗(yàn)公式分別為

相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。擬合結(jié)果表明，隨著圍壓增大，滲透系數(shù)逐漸減小，如圖8所示。無(wú)圍壓時(shí)滲透系數(shù)為 0.113 cm/s，圍壓 0.8時(shí)滲透系數(shù)為0.065，僅相當(dāng)于無(wú)圍壓時(shí)的0.5倍。由此可見，應(yīng)力狀態(tài)對(duì)土體滲透性的影響巨大，圖9為不同應(yīng)力狀態(tài)下出砂量與滲透坡降的關(guān)系。

圖7 不同應(yīng)力狀態(tài)下滲透坡降與滲流速度關(guān)系Fig.7 Relationships between hydraulic gradient and flow velocity under different stress states

圖8 滲透系數(shù)與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系Fig.8 Relationship between permeability and stress state

圖9 不同應(yīng)力狀態(tài)下出砂量與滲透坡降的關(guān)系Fig.9 Relationships between eroded sands and seepape hydraulic gradient

從圖9可以看出，管涌發(fā)展過(guò)程中，隨著滲透坡降的增大，出砂量并不是一直增大，而出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，這是因?yàn)榧?xì)顆粒在孔隙通道中運(yùn)移過(guò)程中，當(dāng)遇到大于其直徑的孔隙通道時(shí)，細(xì)顆?？梢皂樌┻^(guò)孔隙，而當(dāng)細(xì)顆粒直徑大于孔隙時(shí)，細(xì)顆粒便將堵塞孔隙，導(dǎo)致后面的細(xì)顆粒一起停留在堵塞位置，直到繼續(xù)增大滲透坡降，使得細(xì)顆粒沖開堵塞的孔隙時(shí)，出砂量才會(huì)有顯著地增大，但之后孔隙通道可能繼續(xù)堵塞，導(dǎo)致出砂量的再次降低。即管涌的發(fā)展過(guò)程就是一個(gè)運(yùn)移－堵塞－堵塞沖開－重新運(yùn)移的緩慢的、循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。

整理不同應(yīng)力狀態(tài)下管涌臨界滲透坡降發(fā)現(xiàn)，其與圍壓呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，如圖10所示。按照線性關(guān)系擬合，得到不同應(yīng)力狀態(tài)下的管涌臨界坡降icr經(jīng)驗(yàn)公式為

相關(guān)系數(shù)為0.982。

從這一經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，圍壓越大，防滲墻-砂礫石地基發(fā)生管涌的臨界滲透坡降就越大，也表明地基越不容易發(fā)生滲透破壞。

圖10 圍壓與管涌臨界滲透坡降關(guān)系Fig.10 Relationship between confining pressure and critical piping hydraulic gradient

對(duì)于實(shí)際工程，只要能夠確定懸掛式防滲墻底部所處的應(yīng)力狀態(tài)，便可以根據(jù)該公式估算其管涌臨界滲透坡降，再根據(jù)土體的允許滲透坡降（由滲流-應(yīng)力耦合試驗(yàn)獲得），兩者對(duì)比，綜合確定合理的防滲墻貫入深度。

4 結(jié) 論

（1）應(yīng)力狀態(tài)對(duì)懸掛式防滲墻-砂礫石地基的管涌臨界滲透坡降影響巨大，圍壓P與管涌臨界滲透坡降 icr之間具有顯著的線性關(guān)系（見式（3））。該公式可用于確定懸掛式防滲墻在強(qiáng)透水地基中的合理貫入深度，適用于：①圍壓小于0.8 MPa；②缺乏中間級(jí)配的管涌型砂礫石地基。對(duì)于我國(guó)西南地區(qū)眾多建設(shè)在深厚覆蓋層上的200～300 m級(jí)高土石壩工程而言，懸掛式防滲墻底部均處于高壓力狀態(tài)，本文的經(jīng)驗(yàn)公式不再適用，需要開展更高應(yīng)力狀態(tài)下的管涌試驗(yàn)研究，但通過(guò)本文的研究可以推斷，與不考慮應(yīng)力狀態(tài)情況相比，高應(yīng)力狀態(tài)下懸掛式防滲墻底部附近土體發(fā)生管涌的臨界滲透坡降必將得到顯著提高。

（2）管涌發(fā)展過(guò)程中，隨著滲透坡降的增大，出砂量出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，這說(shuō)明管涌的發(fā)展過(guò)程是一個(gè)細(xì)顆粒運(yùn)移－細(xì)顆粒堵塞孔隙－堵塞孔隙被沖開－細(xì)顆粒重新運(yùn)移的漸進(jìn)性惡化破壞過(guò)程。

（3）防滲墻-砂礫石系統(tǒng)的滲流流動(dòng)規(guī)律不再符合線性Darcy定律，滲流速度v與滲透坡降i、滲透系數(shù)k之間符合v=kim型非Darcy定律。

（4）應(yīng)力狀態(tài)對(duì)防滲墻-砂礫石系統(tǒng)的滲透性影響巨大，圍壓越大，滲透系數(shù)越小。對(duì)于本試驗(yàn)，無(wú)圍壓時(shí)滲透系數(shù)達(dá)到0.113 cm/s，而圍壓0.8 MPa時(shí)的滲透系數(shù)驟減為0.065 cm/s。

本文的研究成果體現(xiàn)了滲流-應(yīng)力耦合效應(yīng)對(duì)防滲墻-砂礫石地基滲透穩(wěn)定性的影響，提出的管涌臨界坡降經(jīng)驗(yàn)公式將為確定深厚覆蓋層中懸掛式防滲墻的合理貫入深度提供重要的理論依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步開展更高應(yīng)力狀態(tài)下管涌發(fā)展過(guò)程的研究提供了有益的借鑒。

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