郝雪航 束一鳴 蔚成亮 滿曉磊 周天娥 楊 帆

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098）

充填管袋筑堤技術(shù)始于20世紀(jì)五、六十年代，現(xiàn)在已經(jīng)成為圍海造陸工程、海岸防護(hù)工程中所采用的一種十分重要的建筑措施.管袋壩的施工工藝一般是先在水下充填兩側(cè)的大型土工管袋形成圍堰，待圍堰高程達(dá)到水面以上后，在兩側(cè)圍堰中間吹填砂土形成擋水堤壩，典型斷面如圖1所示.管袋堤壩一般較長(zhǎng)，最長(zhǎng)達(dá)幾十公里，在堤軸線方向上是由眾多管袋搭接而成，搭接處會(huì)形成如圖2所示的接縫管路.在壩芯吹填砂土施工時(shí)，管袋外側(cè)尚未進(jìn)行防護(hù)，壩內(nèi)外水流會(huì)沿著接縫管路流動(dòng)，壩芯的充填砂可能會(huì)在滲流力作用下沿接縫管路流失.此外，當(dāng)壩體充填到達(dá)設(shè)計(jì)高程后，雖然外側(cè)壩坡用土工織物進(jìn)行防護(hù)，但在波浪和復(fù)雜水流作用下，深水中的土工織物搭接很難精確定位，常常出現(xiàn)管袋壩體局部裸露在水下.所以，在管袋壩施工期和運(yùn)行期，接縫管路會(huì)成為壩芯砂體天然的滲漏通道，壩芯及接縫管路中充填砂的細(xì)顆粒會(huì)不斷流失而發(fā)生滲透破壞，這給壩體結(jié)構(gòu)帶來了很大的安全隱患.

由于國(guó)外的管袋所用編織物強(qiáng)度較高，單個(gè)管袋尺寸可以較大，管袋搭接形成的接縫也較少，接縫問題在國(guó)外并不突出，因此國(guó)外學(xué)者對(duì)管袋壩研究多集中于力學(xué)特性、管袋的材料滲透特性、壩體的穩(wěn)定性等問題［1－3］.在國(guó)內(nèi)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)等對(duì)管袋壩在不同波浪、水流條件下是否穩(wěn)定展開了深入研究［4－7］，并針對(duì)管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷滲透問題，完成了單向水流作用下壩芯砂體沿管袋之間接縫發(fā)生滲透破壞的試驗(yàn)［8］.考慮到管袋壩多位于河口海岸地區(qū)，此處的水流比單向流要復(fù)雜的多，尤其在比較危險(xiǎn)且常見的波浪作用下，管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷滲透問題會(huì)更加突出，因此很有必要對(duì)波浪作用下管袋壩芯砂體沿袋間接縫的沖刷問題進(jìn)行深入地研究.

圖1 管袋堤壩典型斷面

圖2 袋間接縫

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)裝置原理

由于管袋壩袋間接縫的存在，其壩芯內(nèi)吹填砂在不同周期、能量波浪作用下，容易沿袋間接縫流至壩外.因此，在借鑒其他滲透破壞試驗(yàn)裝置及方法的基礎(chǔ)上［9］，根據(jù)壩體實(shí)際施工情況將問題簡(jiǎn)化為圖3所示的試驗(yàn)裝置，管路用于模擬袋間接縫，砂箱用于模擬壩芯砂體，波浪發(fā)生器用于模擬波浪作用.本文主要研究壩體在波浪作用的工況，探究在波浪作用下管袋壩芯砂體沿袋間接縫發(fā)生沖刷失穩(wěn)的現(xiàn)象，以期為工程實(shí)際提供有意義的參考.

圖3 裝置原理簡(jiǎn)化示意圖

1.2 試驗(yàn)裝置組成

模型裝置組成部分包括：波浪發(fā)生器、管路、砂箱、信息采集設(shè)備等.裝置主體材料使用有機(jī)玻璃，便于觀測(cè)砂顆粒動(dòng)態(tài).裝置實(shí)物圖如圖4所示.

圖4 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

1）波浪發(fā)生器

波浪發(fā)生器用于模擬波浪作用，一般對(duì)波浪作用研究多集中在波浪破碎前對(duì)泥沙的作用分析或者波浪作用對(duì)建筑物波浪力研究，為去除反射波產(chǎn)生的影響，多設(shè)置消波裝置.本試驗(yàn)主要研究波浪破碎后通過管袋壩袋間接縫作用于壩芯砂體，波浪能量大幅度減小，從實(shí)際出發(fā)也無需消波.鑒于本試驗(yàn)特殊性在借鑒前人造波方法（推波及壓波）的前提下，提出了新型壓波裝置，該裝置適用模擬較小能量無需消波的波浪作用.如圖5所示.考慮到不規(guī)則波浪較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室模擬分析難度比較大，故實(shí)際工作中常常采用規(guī)則波進(jìn)行近似模擬試驗(yàn).

圖5 波浪發(fā)生器

該裝置主要組成部分包括水箱、可調(diào)節(jié)閥門、消防水管、電機(jī)、變速器、壓水板等.可調(diào)節(jié)閥門用于調(diào)控進(jìn)入管路的水流能量；消防水管用于儲(chǔ)存造波水體；電機(jī)用于提供偏心旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)動(dòng)力；變速器用于調(diào)節(jié)頻率，模擬不同周期波浪.電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)偏心輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，于是帶動(dòng)壓水板上下運(yùn)動(dòng)，使水流發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以模擬不同周期、不同能量波浪作用.該作用器所造波形如圖6所示.

圖6 波形圖

2）管路

管路用于模擬袋間接縫，在實(shí)際的工程當(dāng)中管袋壩袋間形成的接縫長(zhǎng)至10多m，短至兩三m，直徑大約為5cm，并且管路的形狀各不相同.基于偏安全的考慮以及為了方便量測(cè)，管路凈尺寸設(shè)計(jì)為200cm×5cm×5cm（長(zhǎng)×寬×高），如圖7所示.管路頂部蓋板可以進(jìn)行拆卸，管路和蓋板組合安裝時(shí)利用橡膠墊片進(jìn)行止水，并用夾子進(jìn)行固定，管路一側(cè)連接集砂箱，一側(cè)連接砂箱.當(dāng)砂粒在管路中運(yùn)動(dòng)移至集砂箱內(nèi)時(shí)，可以起到采集、取樣的作用.壓力傳感器通過側(cè)壁的接入點(diǎn)與管路相連以便于收集數(shù)據(jù).

圖7 管路

3）砂箱

砂箱用于模擬壩芯砂體，如圖8所示，分為裝砂室和浸潤(rùn)室兩個(gè)部分.裝砂室和浸潤(rùn)室之間用一塊多孔、均勻的固定有機(jī)玻璃板分開，并將同等尺寸的無紡布貼附于過流板上.當(dāng)浸潤(rùn)室加滿水時(shí)，既可以使水流均勻的透過，又可以阻止砂粒流入浸潤(rùn)室.裝砂室的尺寸為30cm×30cm×60cm（長(zhǎng)×寬×高）；浸潤(rùn)室尺寸為30cm×15cm×30cm（長(zhǎng)×寬×高）.

圖8 砂箱

4）數(shù)據(jù)、圖像采集設(shè)備

采集的數(shù)據(jù)主要包括水流流速、水壓力等.采集水壓力實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要是利用管路側(cè)壁安裝的傳感器（如圖9所示），先經(jīng)采集卡（如圖10所示）進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再傳至電腦自動(dòng)保存.試驗(yàn)時(shí)壓力傳感器一般布置6～8個(gè)，管路上間斷布置4～5個(gè)，砂箱布置2～3個(gè).由于超聲波在水中進(jìn)行傳播時(shí)，傳播的時(shí)間會(huì)因水流流動(dòng)發(fā)生變化，且變化率和水流流速為正比關(guān)系.根據(jù)此原理水流流速使用超聲波流量計(jì)來進(jìn)行測(cè)量，如圖11所示.圖像采集是通過使用攝像機(jī)、照相機(jī)、秒表等記錄整個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)及沖刷滲透發(fā)生過程，可為后期數(shù)據(jù)分析提供影像資料.

圖9 壓力傳感器

圖10 采集卡

圖11 超聲波流量計(jì)

2 試驗(yàn)材料

管袋壩充填砂土及壩芯吹填砂土一般多采用粉細(xì)砂，抗?jié)B透變形能力較弱.如圖12所示，江蘇沿海大規(guī)模圍墾條子泥（Ⅰ期）工程施工三標(biāo)管袋充填土顆粒級(jí)配檢測(cè)結(jié)果，顆粒粒徑主要在0.08～0.27mm之間.

圖12 充填土顆粒級(jí)配曲線

試驗(yàn)砂樣采用密度為2 764kg／m3的天然石英砂體.無染色的砂體最細(xì)的粒徑小于0.075mm，經(jīng)染色工序的有色砂體粒徑最細(xì)可達(dá)0.125mm.本文試驗(yàn)所配備可以篩選的標(biāo)準(zhǔn)砂樣粒徑從大到小為：～2.00 mm；2.00～0.850mm；0.850～0.425mm；0.425～0.180mm；0.180～0.125mm；0.125～0.075mm；0.075mm～.本文各組試驗(yàn)砂樣相關(guān)參數(shù)見表1.可供選擇的顏色有紅色、紫色、藍(lán)色、橘黃色、綠色、白色、黑色，如圖13所示.

表1 砂樣參數(shù)表

續(xù)表1 砂樣參數(shù)表

圖13 彩色試驗(yàn)砂樣

3 試驗(yàn)過程

3.1 前期準(zhǔn)備

1）裝置組合.首先在管路內(nèi)及砂箱內(nèi)側(cè)壁粘貼紗網(wǎng)，由于紗網(wǎng)與國(guó)產(chǎn)編制布的糙率相當(dāng)，可用來模擬實(shí)際邊界.然后把集砂箱、管路、砂箱等各部分依次組裝，用橡膠墊片進(jìn)行密封止水，組裝好后通過水箱將管路內(nèi)注滿水，測(cè)試是否存在漏水現(xiàn)象，水壓力傳感器用橡膠軟管與管路側(cè)壁接口連接，并進(jìn)行校正.

2）試驗(yàn)樣品制備.根據(jù)每組不同試驗(yàn)?zāi)康囊约霸囼?yàn)工況，設(shè)定級(jí)配，依據(jù)顆粒粒徑質(zhì)量分布與顏色分布混合并攪拌均勻，配制出所需樣品.

3）試驗(yàn)樣品填裝.采取分層填裝、逐層壓實(shí)的方式，來確保均勻的填裝式樣，達(dá)到預(yù)設(shè)的孔隙率.根據(jù)砂樣可保持穩(wěn)定的天然坡角以及實(shí)際工程情況，在砂箱與管路接口處砂體裝填成約38°的傾角.

4）加水浸潤(rùn).通過波浪發(fā)生器一側(cè)管口和浸潤(rùn)室向裝置系統(tǒng)內(nèi)注水，為減少砂顆粒的擾動(dòng)，注水速度盡可能緩慢，并保持兩側(cè)水位大致相同.浸泡時(shí)間保持在12h以上，以確保砂樣浸泡飽和.觀測(cè)壓力傳感器保持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，使波浪發(fā)生器開始工作，進(jìn)行試驗(yàn).

3.2 試驗(yàn)實(shí)施

1）施加波浪作用.調(diào)節(jié)周期和閥門開度設(shè)置預(yù)定波浪作用，觀察管路內(nèi)顆粒的移動(dòng)情況，并維持該波浪作用，如果顆粒運(yùn)移較慢，則波浪發(fā)生器需持續(xù)工作至少3h.

2）采集數(shù)據(jù).采用壓力傳感器監(jiān)測(cè)管路和砂箱各部位實(shí)時(shí)壓力變化，通過超聲波流量計(jì)自動(dòng)采集存儲(chǔ)流量、流速、時(shí)間等數(shù)據(jù).

3）影像采集.試驗(yàn)開始時(shí)同時(shí)打開攝像機(jī)，用以記錄特征部位如頂面及側(cè)面顆粒移動(dòng)情況，并用照相機(jī)在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)拍攝圖片.

3.3 試驗(yàn)后處理

1）試驗(yàn)結(jié)束后，使用環(huán)刀等對(duì)裝置系統(tǒng)內(nèi)特征部位砂體進(jìn)行取樣，進(jìn)行顆粒分析與孔隙率的測(cè)定，用以分析砂粒體在管路及砂箱中的分布情況.

2）量測(cè)管路砂堆長(zhǎng)度，整理試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)，包括流速、水壓力數(shù)據(jù)等，進(jìn)行定性和定量分析.

3）調(diào)取影像資料，仔細(xì)觀察試驗(yàn)過程中發(fā)生的試驗(yàn)現(xiàn)象，分析各顆粒的移動(dòng)特點(diǎn)和分布特點(diǎn).

4 試驗(yàn)裝置及方法的有效性驗(yàn)證

利用本試驗(yàn)裝置，展開了一系列的預(yù)試驗(yàn).以其中一個(gè)預(yù)試驗(yàn)為例，如圖14所示，試驗(yàn)條件為周期8 s，水面高于底面3.5cm，細(xì)顆粒組.3分57秒時(shí)管路中水體處于靜止的初始狀態(tài)，如圖14（a）所示，4分00秒時(shí)管路內(nèi)狀態(tài)如圖14（b）所示，模擬波浪作用產(chǎn)生后的來水階段，管路中水面上升，在管路砂堆的坡面上形成上爬水流.在此階段，砂顆粒沒有發(fā)生較大的運(yùn)動(dòng).當(dāng)水流上爬一定高度后進(jìn)入回水階段，該階段中水流回落水面下降，回落水流攜帶砂堆前端斜坡上松散砂顆?？焖傧蚯斑\(yùn)動(dòng)，使管路水流呈現(xiàn)出渾濁狀態(tài)，如圖14（c）所示.該試驗(yàn)現(xiàn)象表明在一定的周期、波浪能量作用下，壩芯砂顆粒會(huì)由袋間接縫被帶出壩外，與實(shí)際工程情況基本相符.因此，該裝置及方法對(duì)研究波浪作用下管袋壩袋間接縫的沖刷作用具有有效性.

圖14 管路內(nèi)沖刷現(xiàn)象

5 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)際工程中管袋壩袋間接縫沖刷過程研究的需要，概化出一套試驗(yàn)裝置，并提出了相關(guān)試驗(yàn)方法.該裝置及方法可以模擬在不同周期、能量波浪作用下，管袋壩芯砂體流入管袋壩袋間接縫，并沿袋間接縫流失，直至管袋壩壩體發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的過程.本文主要是對(duì)管袋壩袋間接縫在波浪作用下的沖刷破壞試驗(yàn)裝置與方法進(jìn)行了說明，也可以為管袋壩在潮汐往復(fù)水流作用、往復(fù)水流與波浪水流耦合作用等其他工況下的穩(wěn)定性研究提供有益參考.

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