滿曉磊,束一鳴,李少鵬,郝雪航,蔚成亮,毛文龍

(1.滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院,安徽 滁州 239000; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

充填管袋技術(shù)起源于國外,始于20世紀(jì)50年代后期[1],其方法是用泥漿泵將細(xì)粉砂與水的混合物充填至袋內(nèi),待水分濾出后形成土工織物包裹的密實(shí)砂料。由于該技術(shù)對砂料要求不高,極大地解決了缺少砂石料地區(qū)筑壩的難題。20世紀(jì)80年代管袋筑壩技術(shù)引入我國,由于其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)得到了迅速的發(fā)展,截至目前已被廣泛應(yīng)用于從內(nèi)河到淺灘再到深海的各種工程,管袋筑壩技術(shù)也一步步成熟,許多工藝已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平[2-3]。

然而,我國制作管袋所用的土工織物強(qiáng)度卻遠(yuǎn)不及國外。國外管袋接縫問題并不突出,因此國外對管袋壩的研究更側(cè)重于管袋材料和施工技術(shù)方面:Shin等[4-5]根據(jù)黏土充填和砂土充填情況下壩體不同的沉降量總結(jié)出了沉降量計(jì)算公式,利用該經(jīng)驗(yàn)公式對實(shí)際工程的沉降量進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn),該公式的計(jì)算誤差很小,證明了公式的準(zhǔn)確性;Muthukumaran等[6]試驗(yàn)研究了充填土的含水率、顆粒級配以及土工布本身的尺寸對土工管袋脫水性能的影響;van Steeg等[7]對波浪作用下管袋壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,總結(jié)出了管袋充填的飽和性與壩體整體穩(wěn)定性之間的定量關(guān)系。我國管袋材料的強(qiáng)度相對較低,導(dǎo)致管袋尺寸較小,在用于管袋壩工程時(shí)會出現(xiàn)搭接次數(shù)多的問題,搭接次數(shù)的增加直接造成管袋間接縫數(shù)量的增加,在施工期未防護(hù)和施工完成后防護(hù)不到位的情況下,在管袋壩內(nèi)外水位漲落引起的水壓差、潮汐現(xiàn)象產(chǎn)生的往復(fù)水流及波浪形成的波動水流長期作用下,壩芯內(nèi)的砂體很容易沿接縫發(fā)生流失,引起壩體破壞[8-12]。此外,在施工過程中,由于機(jī)械損傷等原因,也很容易造成接縫管路側(cè)壁出現(xiàn)破損(圖1),接縫管路側(cè)壁破損處充填泥沙同樣存在被水流沖刷流失的風(fēng)險(xiǎn),特別是在波浪水流的作用下,管袋壩前的破碎波以很大的壓力和較高的流速周期性地沖擊接縫管路,導(dǎo)致管路中的砂土不斷流失,給壩體結(jié)構(gòu)帶來了很大的安全隱患。莊艷峰等[13]試驗(yàn)研究表明,波浪作用下水流對砂體的沖刷機(jī)理與單向流對其沖刷完全不同,因此,有必要對單向流和波浪水流對管袋壩袋間接縫側(cè)壁破損處充填砂的不同影響進(jìn)行研究,并和管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失研究[14]一起為工程實(shí)踐提供參考。

圖1 損傷處截面示意圖

圖2 單向流工況試驗(yàn)裝置

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 單向流工況試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)際工程中管袋壩袋間接縫破損形式,概化出一套管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定性試驗(yàn)研究裝置,如圖2所示。試驗(yàn)裝置由進(jìn)水槽、出水槽、管袋砂箱、接縫管路、吸水泵、集砂槽以及信息采集設(shè)備等組成,其中進(jìn)、出水槽用于提供單向水流,管袋砂箱用于模擬土工管袋,接縫管路用于模擬袋間接縫,管袋砂箱與接縫管路間由含破損口的土工織物連接,用于模擬損傷的管袋側(cè)壁。

試驗(yàn)過程主要包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)實(shí)施、試驗(yàn)后處理3個(gè)階段。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段主要進(jìn)行裝置調(diào)試、砂樣制備、砂樣裝填、加水固結(jié)等準(zhǔn)備工作,重點(diǎn)是含破損口的土工織物的安裝;試驗(yàn)實(shí)施階段主要施加單向水流作用并采集相關(guān)數(shù)據(jù)、圖像信息,其中流速數(shù)據(jù)采用超聲波流量計(jì)直接采集;試驗(yàn)后處理階段主要對試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)信息、試驗(yàn)現(xiàn)象信息以及試驗(yàn)取樣等進(jìn)行分析。

1.2 波浪工況試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

為模擬波浪水流沿袋間接縫對側(cè)壁破損處的沖刷過程,自行設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置,如圖3所示。該裝置主要由模擬管袋的砂箱、接縫管路、波浪水流發(fā)生器及信息采集設(shè)備等組成。波浪水流發(fā)生器在其調(diào)速電機(jī)和調(diào)壓器的配合下,可以連續(xù)調(diào)節(jié)波浪水流的周期和能量,如圖4所示。該工況的試驗(yàn)過程與單向流工況基本相同,除了在試驗(yàn)實(shí)施階段中通過對波浪水流發(fā)生器的調(diào)節(jié)施加不同特性的波浪作用外,其他試驗(yàn)階段與單向流工況基本一致。

圖3 波浪工況試驗(yàn)裝置

圖4 波浪水流發(fā)生器

2 單向流工況試驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)際工程中,由于管袋所受破損具有隨機(jī)性,因此破損口形狀也各不相同。由于破損口形狀對試驗(yàn)結(jié)果也存在一定的影響,因此根據(jù)工程中最典型的L形刺穿破壞設(shè)計(jì)了幾種L形破損口(直角三角形破損口)進(jìn)行試驗(yàn),并選擇與面積相同的圓形破損口進(jìn)行對比。各破損口形狀如圖5所示。

圖5 破損口形狀示意圖(單位:cm)

試驗(yàn)結(jié)果表明:①面積相同、形心同高的三角形破損口中,頂部位置越高的三角形越容易發(fā)生破壞,且面積相同的圓形破損口最為危險(xiǎn)。因此,在后續(xù)試驗(yàn)中均選取圓形破損口作為試驗(yàn)工況。②當(dāng)破損口尺寸在一定范圍內(nèi)時(shí),管袋內(nèi)破損口附近砂顆粒在流失過程中可以不斷調(diào)整,形成穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu),并阻擋管袋內(nèi)顆粒繼續(xù)外移。③當(dāng)破損口尺寸小于一定值時(shí),管袋接縫側(cè)壁破損處充填砂在無外部顆粒支撐的情況下可以始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。通過設(shè)置破損口直徑分別為0.8 cm、0.9 cm、1.0 cm、1.1 cm和1.2 cm的平行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)破損口的臨界直徑為1.0 cm,即當(dāng)破損口直徑小于1.0 cm時(shí),可以忽視該處破損。

2.1 單向流工況沖刷發(fā)展過程

a. 扇面沖刷階段。當(dāng)管袋砂箱裝填完畢后,破損口處會形成一個(gè)自然堆積的砂堆,砂堆表面比較平滑,顆粒分布均勻,此為試驗(yàn)的初始狀態(tài)。當(dāng)施加水頭差后,管路內(nèi)細(xì)砂在單向水流的作用下開始起動,形成砂紋,并逐步發(fā)展。

b. 出砂階段。砂紋不斷由接縫管路內(nèi)水流的上游(破損口右側(cè))向下游(破損口左側(cè))方向移動,使得砂堆背水扇面坡度變陡,而迎水扇面坡度變緩,當(dāng)砂紋移至破損口左側(cè)時(shí),破損口外露,管袋砂箱內(nèi)顆粒失去下部接縫管路中顆粒的支撐,失去平衡而外流。同時(shí),管袋砂箱內(nèi)砂顆粒在掉落至接縫管路的過程中會發(fā)生顆粒重排,達(dá)到起動流速的細(xì)顆粒被沖走,而粗顆粒則堆積在破損口處。

c. 穩(wěn)定階段。隨著細(xì)顆粒被沖走,粗顆粒在破損口處逐漸堆積。最后接縫管路內(nèi)粗顆粒的砂堆再次掩蓋住部分破損口,并給予管袋砂箱內(nèi)砂顆粒向上的支撐力,使之達(dá)到受力平衡狀態(tài)而穩(wěn)定。此時(shí),管袋砂箱無砂顆粒外移,接縫管路內(nèi)砂體停止前進(jìn)。

2.2 單向流工況沖刷運(yùn)移規(guī)律

2.2.1 管袋砂箱內(nèi)顆粒運(yùn)移特點(diǎn)

為了便于對管袋砂箱內(nèi)砂體的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,將滲透影響區(qū)域劃分為8個(gè)特征單元,如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)束后,分別在特征單元內(nèi)取樣并進(jìn)行顆粒分析。

圖7為砂箱破損口上方后側(cè)特征單元的顆粒級配圖?？梢园l(fā)現(xiàn), 4單元、8單元的顆粒級配曲線及典型粒徑與實(shí)驗(yàn)前原砂基本重合,說明在沖刷過程中,在管袋砂箱后側(cè)的顆?；旧衔窗l(fā)生運(yùn)移。

圖7 砂箱后側(cè)粒徑對比

破損口附近的1、2、6單元內(nèi)砂體及原砂的級配曲線如圖8所示,破損口上方影響區(qū)域內(nèi)2單元級配較其左側(cè)1單元偏粗,這是因?yàn)樗鞣较蚴怯捎蚁蜃蟮?破損口上側(cè)砂顆粒在下落過程中受到自右向左的滲流力作用,相對較細(xì)的砂顆粒容易在滲流作用下移向左側(cè)。而正對破損口中間區(qū)域的6單元內(nèi)的顆粒比其上側(cè)2單元偏粗,說明在顆粒塌落過程中,細(xì)顆粒更易流失而剩余粗顆粒不斷堆積。

圖8 砂箱前側(cè)粒徑對比

2.2.2 接縫管路內(nèi)顆粒運(yùn)移特點(diǎn)

在一定水力條件下,由于受到砂堆的影響,管路截面變小,流量一定,流速增大。當(dāng)水流流經(jīng)砂堆表面時(shí),達(dá)到起動流速的細(xì)顆粒隨水流發(fā)生運(yùn)動,相對較粗的顆粒仍堆積在砂堆上。若管袋砂箱內(nèi)無砂顆粒外流,隨著接縫管路內(nèi)細(xì)顆粒的不斷運(yùn)移,砂堆高度變小,過水截面變大,流速變小,直到無法達(dá)到顆粒起動流速,則砂堆將不再發(fā)生變化。若管袋砂箱內(nèi)有砂顆粒不斷外流,則細(xì)顆粒流失而粗顆粒堆積,當(dāng)無法起動的粗顆粒堆積至破損口處時(shí),將阻止管袋砂箱內(nèi)砂顆粒外流而穩(wěn)定。然而,當(dāng)水流流速超過最粗顆粒的起動流速時(shí),所有砂顆粒均隨水流移動而無法堆積,發(fā)生沖刷破壞。

2.2.3 顆粒運(yùn)移規(guī)律

綜上分析,單向流作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定性取決于接縫管路內(nèi)砂顆粒的運(yùn)移情況,而該處砂顆粒的運(yùn)移又取決于其表面水流的流速。

當(dāng)破損口處經(jīng)砂堆束窄后的水流流速大于最粗砂顆粒的起動流速時(shí),接縫管路破損口處不能堆積粗顆粒,管袋砂箱內(nèi)砂顆粒將持續(xù)外移至接縫管路,并沿接縫流出壩外,最終導(dǎo)致壩體的沉降甚至破壞。當(dāng)破損口處經(jīng)砂堆束窄后的水流流速小于最粗砂顆粒的起動流速時(shí),接縫管路中會因堆積粗顆粒而使破損口砂體恢復(fù)穩(wěn)定。

2.3 單向流工況沖刷穩(wěn)定分析

根據(jù)單向流工況的沖刷運(yùn)移規(guī)律,可以選擇臨界破壞流速作為表征單向流作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定性的目標(biāo)參數(shù)。影響臨界破壞流速的因素主要是接縫管路內(nèi)單向水流流速和砂堆高度,而砂堆高度又與破損口直徑直接相關(guān),其影響關(guān)系如圖9所示。

圖9 束窄流速換算

破損口越大,接縫管路內(nèi)砂體的堆積高度越高,水流經(jīng)砂堆束窄后的流速越大。由圖9可以計(jì)算出束窄后的流速與接縫管路內(nèi)水流流速的換算關(guān)系:

(1)

式中:v管為接縫管路內(nèi)流速;h1為破損口處砂堆底部與接縫管路頂部距離;h2為接縫管路高度;v束為接縫管路內(nèi)破損口處砂堆上方水流流速。設(shè)破損口直徑為d,則式(1)可寫為

(2)

在發(fā)生沖刷破壞時(shí),經(jīng)砂堆束窄后流速必須達(dá)到最粗砂顆粒的起動流速v起,即

v束=v起

(3)

此時(shí)接縫管路內(nèi)流速達(dá)到臨界破壞流速v臨,即

v管=v臨

(4)

將式(3)(4)代入式(2)可得單向流作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷的臨界破壞流速與破損口直徑的關(guān)系:

(5)

由式(5)可知,臨界破壞流速與破損口直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即破損口直徑越大,臨界破壞流速越小,越容易發(fā)生沖刷破壞;破損口直徑越小,臨界破壞流速越大,砂體越穩(wěn)定而不易發(fā)生破壞。

選取直徑分別為1.0 cm、1.2 cm、1.4 cm、2.0 cm、3.0 cm、4.0 cm的破損口進(jìn)行沖刷試驗(yàn),來驗(yàn)證分析破損口大小對臨界破壞流速的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 破損口直徑對臨界破壞流速的影響

由圖10可以看出,臨界破壞流速隨破損口的增大而減小,但不完全符合理論分析得到的線性關(guān)系。當(dāng)破損口直徑比較大時(shí),二者保持線性關(guān)系,當(dāng)破損口直徑比較小時(shí),曲線發(fā)生彎曲,這是因?yàn)榍拔乃龅钠茡p口存在臨界孔徑,當(dāng)破損口直徑越接近臨界孔徑時(shí),影響越大,曲線越彎曲。

一般地,在壩內(nèi)外水位差引起的單向水流作用下,袋間接縫內(nèi)水流流速通常小于1 cm/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗(yàn)中的最小值7 cm/s,由壩內(nèi)外水位差引起的單向水流對管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷破壞作用較小。因此,推測管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷破壞很可能是由壩外的波浪作用引起的,所以有必要對波浪作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏的沖刷問題進(jìn)行深入研究。

3 波浪工況試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 波浪工況沖刷發(fā)展過程

a. 沖擊階段。主要表現(xiàn)為管袋砂箱內(nèi)破損口處形成微小空隙。波浪水流包括來水和去水兩個(gè)階段,來水階段破損口無明顯變化,去水階段破損口有成股的砂顆粒呈霧狀流出,但出砂量較少,波浪水流主要是對管袋砂箱內(nèi)破損口附近的砂體產(chǎn)生擾動作用。

b. 成拱階段。隨著沖刷過程的發(fā)展,管袋砂箱內(nèi)砂顆粒經(jīng)破損口進(jìn)入接縫管路,在接縫管路中形成一定長度的砂堆,同時(shí),管袋砂箱內(nèi)也因砂顆粒的流失且得不到上部顆粒的補(bǔ)充而形成一個(gè)拱形的空腔,可稱之為拱結(jié)構(gòu)空間,如圖11所示。

圖11 拱結(jié)構(gòu)空間

c. 穩(wěn)定階段。該階段開始于拱結(jié)構(gòu)空間的坍塌,將破損口封堵,在水的往復(fù)滲流作用下,管袋砂箱破損口上方的拱結(jié)構(gòu)空間上移并縮小甚至消失,如圖12所示。

圖12 拱結(jié)構(gòu)空間坍塌上移

3.2 波浪工況沖刷運(yùn)移規(guī)律

3.2.1 顆粒運(yùn)移特點(diǎn)

根據(jù)多次預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果,在管袋砂箱內(nèi)拱結(jié)構(gòu)空間可能出現(xiàn)的位置(破損口上方)裝填彩砂,用于觀測各粒徑砂顆粒的不同運(yùn)移規(guī)律。砂顆粒由粗到細(xì)分別為綠、黃、紅、白4色,裝填并浸泡后的彩色砂樣如圖13所示。

圖13 彩砂布置

試驗(yàn)結(jié)束后在破損口上方拱結(jié)構(gòu)部位取樣分析,圖14為拱結(jié)構(gòu)部位縱剖面圖,可以明顯看出破損口的影響區(qū)域(紅色梯形區(qū)域),而且在該區(qū)域中下方砂體以黃色和綠色的粗顆粒為主,而上部砂體主要由紅色及白色的細(xì)顆粒組成。

圖14 拱結(jié)構(gòu)部位縱剖面

對上下兩部分顆粒分別取樣,測其顆粒級配,結(jié)果如圖15所示。

圖15 拱結(jié)構(gòu)部位顆粒級配

圖14和圖15均表明,當(dāng)水流能量在一定范圍內(nèi)時(shí),在來水階段,波浪水流沖擊并擾動破損口附近砂體使之松散;在去水階段,僅能攜帶部分細(xì)顆粒流至接縫管路,剩余的粗顆粒聚集在管袋砂箱底部的破損口附近。粗砂的堆積減小了水流能量,水流能量的減小和粗顆粒的堆積使上部顆粒不能繼續(xù)外移,而是在來水和去水的循環(huán)過程中發(fā)生顆粒重排,形成了粗顆粒在下、細(xì)顆粒在上的上細(xì)下粗的反濾結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)抑制了上部顆粒的外移。

同時(shí),試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),能量較大的波浪水流可以使破損口上方的砂顆粒全部液化(圖16),破損口上方砂體的各粒徑砂顆粒均隨去水水流移至接縫管路內(nèi),并全部沿接縫管路流出壩外,會導(dǎo)致管袋內(nèi)砂體的不斷流失,威脅壩體安全。

圖16 沖刷破壞時(shí)顆粒運(yùn)移

3.2.2 顆粒運(yùn)移規(guī)律

在來水階段,水流對砂體的作用主要是擾動使其松散,在去水階段,松散的砂顆粒隨水流下落,并流入接縫管路中。波浪作用下的沖刷穩(wěn)定性與波浪水流能量有關(guān)。

當(dāng)波浪水流能量在一定范圍內(nèi)時(shí),水流僅能帶走部分細(xì)顆粒,剩余的粗顆粒聚集在破損口附近,減小水流能量。隨著粗顆粒的聚集和水流能量的減小,上部的砂顆粒在下落過程中受水力篩分作用而發(fā)生顆粒重排,粗顆粒在下細(xì)顆粒在上,經(jīng)過一段時(shí)間的作用后形成了上細(xì)下粗的反濾結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)會抑制上部砂顆粒的繼續(xù)外移。進(jìn)入到接縫管路的砂顆粒,細(xì)顆粒沿接縫管路移至壩外,粗顆粒不能繼續(xù)移動而堆積在破損口附近,極大地增加了流經(jīng)破損口處水流的沿程損失。因此破損口外側(cè)堆積的粗顆粒和破損口內(nèi)側(cè)上細(xì)下粗的反濾結(jié)構(gòu)共同修復(fù)了管袋接縫的側(cè)壁破損,使之較未破損之前更加穩(wěn)定。

當(dāng)水流能量超過一定范圍時(shí),會使其上方砂顆粒全部液化,隨去水水流移至接縫管路內(nèi),并沿接縫管路流出壩外,導(dǎo)致管袋內(nèi)砂體的不斷流失,威脅壩體安全。

3.3 波浪工況沖刷穩(wěn)定影響因素

波浪作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定影響因素較多,包括破損接縫特性、充填砂特性以及波浪特性等3個(gè)方面的因素。其中破損接縫特性包括破損口大小、形狀等;充填砂特性包括砂料密度、粒徑、充填的密實(shí)度等;而簡化后的波浪特性主要包括波浪周期和能量等。

結(jié)合前文試驗(yàn)結(jié)果,最終考慮波浪作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定的影響因素為波浪周期T、峰值水壓力P、砂體孔隙率n、上覆壓力p以及破損口直徑d等。同時(shí),根據(jù)波浪工況的沖刷運(yùn)移規(guī)律可知,波浪作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定的決定性因素是波浪能量,因此選取管袋接縫口處的峰值水壓力P為特征值來表征該能量的大小,則臨界峰值水壓力Pc(能使管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏發(fā)生沖刷破壞的峰值水壓力中的最小值)即為判斷管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定性的判定指標(biāo)。使管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷發(fā)生臨界破壞時(shí)所需的臨界峰值水壓力Pc值越小,表明管袋壩越容易發(fā)生沖刷破壞;反之,管袋壩越穩(wěn)定。為分析波浪作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定性,對不同影響因素組合工況下沖刷穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究,并利用控制變量法,分析各影響因素對目標(biāo)參數(shù)Pc的影響。試驗(yàn)工況及結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)破損口直徑d=1.0 cm時(shí),即使將峰值水壓力P調(diào)整為5 kPa,管袋砂箱內(nèi)破損口附近砂體仍可以保持穩(wěn)定。這一現(xiàn)象說明,在波浪的沖刷作用下,管袋側(cè)壁破損口同樣存在臨界孔徑,且同樣為1.0 cm。而當(dāng)破損口直徑超過臨界孔徑時(shí),根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果可知,在其他條件保持不變的情況下,臨界峰值水壓力與破損口大小無關(guān)。這是因?yàn)樯绑w與充填砂體后的管袋具有相同的滲透系數(shù)[15],破損口的大小并不會影響到水流動能和勢能之比以及流經(jīng)破損口的水流流量與通過未發(fā)生破損的管袋側(cè)壁的滲流流量之比,故單位面積上的峰值水壓力與破損口大小無關(guān)?？梢?在波浪沖刷作用下,當(dāng)d<1.0 cm時(shí),也可以忽視該處破損,而當(dāng)d>1.0 cm時(shí),臨界峰值水壓力與破損口大小無關(guān)。

表1 試驗(yàn)工況及結(jié)果

由表1可知,當(dāng)d=2.0 cm、p=1 kPa、n=0.35時(shí),Pc與T呈正相關(guān)關(guān)系,即周期越小,沖刷越劇烈,達(dá)到破壞時(shí)所需臨界峰值水壓力越小。其原因是:波浪水流方向改變較快時(shí),波浪水流的能量不能完全傳遞到土體內(nèi)部,而是主要消耗在比較接近波浪水流的破損口處的充填砂內(nèi),這種現(xiàn)象加劇了破損口附近砂體的沖刷,并且波浪水流的周期越小,這種水力梯度集中現(xiàn)象越明顯,對破損口處砂體的沖刷也越劇烈。

當(dāng)n=0.38、T=8 s時(shí),Pc也隨p的增大而增大,且二者呈線性關(guān)系。這是因?yàn)樯细矇毫筒ɡ怂鞯姆逯祲毫餐瑳Q定管袋砂箱內(nèi)的水力梯度。由于砂顆粒液化時(shí)水力梯度一定,即在其他條件相同時(shí),臨界峰值水壓力與上覆壓力的差值一定,故上覆壓力越大,破壞時(shí)所需臨界峰值水壓力越大,即上覆壓力的存在有利于砂體的穩(wěn)定。

當(dāng)T=8 s、d=2.0 cm、p=1 kPa時(shí),由孔隙率n分別為0.34、0.35、0.38、0.39時(shí)臨界峰值壓力Pc的變化可知,Pc與n呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨著砂體孔隙率的增大,臨界峰值水壓力逐漸減小。原因是孔隙率越大,單位體積砂顆粒越少,在相同的波浪水流壓力作用下,單個(gè)砂顆粒所需承擔(dān)的壓力越大而越容易移動,因此宏觀上表現(xiàn)為越容易發(fā)生沖刷破壞。

3.4 波浪工況沖刷穩(wěn)定性判定指標(biāo)及方法

3.4.1 沖刷穩(wěn)定判定指標(biāo)

進(jìn)行穩(wěn)定性影響的單因素分析之后,還需要建立多因素與臨界峰值水壓力Pc的函數(shù)關(guān)系式,作為沖刷穩(wěn)定性判定指標(biāo)的計(jì)算公式。采用多元回歸分析方法,利用SPSS軟件直接對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析,得到以下函數(shù)關(guān)系式:

Pc=-30n+0.335p+0.164T+11.68

(6)

利用式(6)對標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算,得到的擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖17所示。

圖17 多元回歸分析擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖17可以看出,式(6)計(jì)算得到的擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果的偏差較大,尤其是圖17(b)中孔隙率的影響和圖17(c)中上覆壓力的影響,擬合曲線嚴(yán)重偏離試驗(yàn)結(jié)果,說明對試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行多元線性回歸分析得到的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果之間誤差偏大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過誤差允許范圍。因此,采用非線性多元回歸分析,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,將波浪周期T和砂體孔隙率n組合為一個(gè)新的變量,通過變量代換,將三元回歸分析化為二元回歸分析。采用加權(quán)最小二乘法進(jìn)行回歸分析,得到新的公式:

Pc=20T(1-n)10+0.2p+0.39

(7)

根據(jù)公式的物理意義,可以將式(7)分解為3部分:由T和n共同組成的首項(xiàng)為砂體孔隙率和波浪周期的聯(lián)合影響;第二項(xiàng)為上覆壓力施加引起的臨界峰值壓力附加增量;第三項(xiàng)常數(shù)項(xiàng)為波浪周期為零時(shí)沖刷破壞所需壓力值。其他因素的影響包含在系數(shù)中,式中各個(gè)系數(shù)值僅對應(yīng)本次試驗(yàn)條件,對于其他條件,系數(shù)需進(jìn)行調(diào)整。

利用式(7)對標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算,得到的修正擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖18所示。

圖18 修正擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖18可以看出,預(yù)處理后的最小二乘法回歸分析修正擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。通過式(7)可以計(jì)算得到波浪作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定判定指標(biāo)值，但對于其他因素發(fā)生變化時(shí)的工況,需要對系數(shù)進(jìn)行重新率定和調(diào)整。

3.4.2 沖刷穩(wěn)定判定方法

波浪作用下管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定判定方法是:將實(shí)際工程中管袋壩袋間接縫所受峰值水壓力P與臨界峰值水壓力Pc作比較,當(dāng)P>Pc時(shí),管袋壩在該條件下會發(fā)生沖刷破壞,當(dāng)P

4 結(jié) 論

a. 自行研制的管袋壩袋間接縫側(cè)壁損漏沖刷穩(wěn)定性試驗(yàn)研究裝置可以完成管袋壩實(shí)際工程工況的模擬。

b. 單向流工況的沖刷過程可以概括為扇面沖刷、出砂和穩(wěn)定3個(gè)階段,該工況下的沖刷穩(wěn)定與否取決于最粗砂顆粒的起動流速、接縫管路內(nèi)破損口引起的束窄水流流速及破損口大小，破損口越大、水流流速越大、最粗砂顆粒起動流速越小,越容易發(fā)生沖刷破壞.

c. 波浪工況的沖刷過程分為沖擊、成拱、穩(wěn)定3個(gè)階段,該工況下沖刷穩(wěn)定性以臨界峰值水壓力Pc為判別指標(biāo),通過比較P與Pc值可以判斷該工況下的沖刷穩(wěn)定性。

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