李 娜,汪自力,趙壽剛,岳瑜素

(1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003; 2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450003)

接觸沖刷是指滲流沿著兩種不同介質(zhì)的接觸面流動(dòng)時(shí),把其中顆粒層的細(xì)顆粒帶走的現(xiàn)象。上下兩層間的顆粒直徑懸殊越大就越容易發(fā)生接觸沖刷。在實(shí)際水利工程中水流沿著兩種介質(zhì)界面流動(dòng),例如土體與基巖、防滲墻、樁孔護(hù)壁、涵管及閘底板之間的接觸面,一旦遭遇接觸不良、地基不均或不均勻沉降等，較易發(fā)生接觸沖刷破壞。就穿堤建筑物而言,涵閘與堤防土石接合部歷來是堤防防洪的薄弱環(huán)節(jié),常發(fā)生接觸沖刷滲透破壞而引起堤防險(xiǎn)情。其中,回填土難以碾壓密實(shí)是造成土石接合部滲透破壞的重要原因之一[1]。穿堤涵閘回填土如采用機(jī)械化施工,填土與建筑物接觸帶很難壓實(shí),易造成兩種介質(zhì)接觸不緊密而發(fā)生接觸沖刷直至滲漏。另外,止水破壞、滲水、上游高水位等也加劇了這一破壞進(jìn)程。且這種破壞初始過程大都隱于工程內(nèi)部,探測(cè)難、監(jiān)測(cè)難,一經(jīng)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情,可能會(huì)迅速導(dǎo)致工程破壞,難以補(bǔ)救。例如,1998年,洞庭湖安保垸大鯨港交通閘由于閘體石墻培箱不夠密實(shí),培箱與主體接合部被淘空而發(fā)生管涌險(xiǎn)情;洞庭湖民主陽城垸蒿子港交通閘由于墻身與土體碾壓不實(shí),先后于1995年、1996年及1998年遭遇高水位時(shí)均發(fā)生管涌險(xiǎn)情;2000年,汛后劉莊引黃閘因三層四油瀝青麻布止水失效,在地基與岸箱的接觸面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。因此,對(duì)接觸沖刷發(fā)生發(fā)展過程及破壞特征的研究已成為影響水利工程能否安全運(yùn)行的重要課題,越來越引起學(xué)者們的重視[2-5]。

圖1 接觸沖刷試驗(yàn)裝置

接觸沖刷的研究一般采用室內(nèi)試驗(yàn)的研究方式,取得了一定的研究成果。劉杰[2]進(jìn)行了土的滲流接觸沖刷抗?jié)B強(qiáng)度試驗(yàn);河南水利科學(xué)研究所[6]進(jìn)行了土壩心墻與基巖接觸沖刷試驗(yàn);黎國凡[7]對(duì)溫峽口石渣組合壩黏土心墻與巖基的接觸沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M;詹美禮等[8]進(jìn)行了法向力作用下心墻與基巖接觸沖刷試驗(yàn);鄧偉杰[9]對(duì)土石壩砂礫石層與黏性土層之間接觸沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M。但大多研究集中在無黏性土層之間[10]、砂礫石與砂之間[11]、砂礫石層與黏土層之間[12-13]以及黏性土質(zhì)防滲體與基巖接觸帶之間[2, 8]的接觸沖刷,對(duì)于土體與混凝土結(jié)構(gòu)這兩種材料之間的接觸沖刷問題研究相對(duì)較少。已有研究成果表明,接觸沖刷滲透破壞與土體性質(zhì)、土體密度、接觸帶狀態(tài)等因素密切相關(guān)[2-3]。但目前人們對(duì)于穿堤涵閘土石接合部接觸沖刷破壞大多止于宏觀認(rèn)識(shí)上,其破壞變化發(fā)展過程及影響因素等問題還有待進(jìn)一步研究。本文根據(jù)黃河下游穿堤涵閘土石接合部工程特性,選取黃河下游堤防典型土體,利用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置,模擬施工中較易出現(xiàn)的涵閘側(cè)墻與兩側(cè)填土存在不密實(shí)情況下的滲透破壞,研究其發(fā)生發(fā)展過程及演化規(guī)律,并對(duì)比分析土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓實(shí)度、水力比降對(duì)接觸沖刷的影響。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置制作

由于水閘底板或側(cè)墻等構(gòu)件多為長方體結(jié)構(gòu),接觸沖刷試驗(yàn)裝置相應(yīng)設(shè)計(jì)為箱式結(jié)構(gòu)(圖1)。為便于試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察,箱體為透明有機(jī)玻璃,壁厚8 mm,內(nèi)部尺寸為150 mm×200 mm×200 mm。接觸沖刷試驗(yàn)裝置上、下游側(cè)邊緣均為厚20 mm鋼板,鋼板與有機(jī)玻璃箱體之間設(shè)置厚12 mm的硅膠防水圈,頂桿用于緊固有機(jī)玻璃箱體和上、下游側(cè),在緊固螺栓和頂桿作用下鋼板與有機(jī)玻璃箱體之間密閉防水。為使上游水流均勻平穩(wěn),與進(jìn)水口相連的上游側(cè)設(shè)有孔徑1.5 mm的帶孔金屬透水板。試驗(yàn)時(shí)利用吊桶和提升架控制作用水頭大小,并在吊桶上接有溢水管道,為試樣提供較高的穩(wěn)定進(jìn)口水頭。

1.2 制樣過程

試驗(yàn)前,根據(jù)土體最優(yōu)含水率、最大干密度、試樣體積和既定壓實(shí)度備料,分別計(jì)算出密實(shí)區(qū)和接觸帶不密實(shí)區(qū)所需土體質(zhì)量及鋪土高度。將試驗(yàn)裝置豎向放置進(jìn)行裝樣,填裝時(shí),首先在透水鋼板上鋪設(shè)一層土工布,以防土料細(xì)顆粒堵塞水孔。在接觸帶與箱體接觸的側(cè)向觀測(cè)面外的其余三面均勻涂抹一層膨潤土護(hù)壁,以防水流沿邊壁集中滲漏。為模擬施工過程,每個(gè)試樣分層裝料,共分4層填筑,表面平整后振搗壓實(shí)。填料時(shí),盡量使土體顆粒分布均勻且層與層之間進(jìn)行剖毛處理(剖毛深度為1～2 cm);擊實(shí)時(shí),擊錘要分布均勻直擊到要求層高,且試樣與儀器邊壁接觸的周邊一定要擊實(shí)。試樣的頂面為自由出水面。

1.3 試驗(yàn)過程

制樣后,將試驗(yàn)裝置平放進(jìn)行試驗(yàn)(圖1(a))。試驗(yàn)?zāi)M工程水位驟升、驟降時(shí)止水破壞情況下側(cè)墻與兩側(cè)填土不密實(shí)的最不利工況,并觀察土石接合部局部發(fā)生滲透破壞的過程。試樣不預(yù)先飽和，直接施加水頭進(jìn)行試驗(yàn),下游面臨空無側(cè)向限制。將上游水頭調(diào)整至預(yù)定高度,檢查進(jìn)水口是否堵塞,打開進(jìn)水閥,檢查裝置周邊是否滲水。初始水頭施加后,觀察試樣與儀器接觸帶不密實(shí)區(qū)土體隨水頭施加時(shí)間的變化,并觀察記錄土體的變化過程。記錄試樣水平向距離(滲徑)L,上游水位與試樣進(jìn)口位置高度差H,近似算出平均水力比降J*=H/L(為方便計(jì)算,暫不考慮滲徑的沿程變化)。若在水頭作用下出現(xiàn)了土體脫落,即認(rèn)為試樣已破壞。觀察并記錄主要試驗(yàn)現(xiàn)象,分別記錄試樣破壞后每2 min內(nèi)的沖刷量(共記錄5次),5次沖刷結(jié)束后停止試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中對(duì)初始析出土體細(xì)顆粒進(jìn)行顆分試驗(yàn),并與原始土體進(jìn)行比較。

1.4 試驗(yàn)用料

黃河下游堤防工程從臨背河取土逐漸修筑而成,筑堤土質(zhì)較為復(fù)雜。黃河堤防堤身代表性土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)多數(shù)介于15%～30%,少數(shù)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%左右[14]。結(jié)合調(diào)研分析結(jié)果及試驗(yàn)的特點(diǎn),選取黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.6%(A類土體,低液限粉土)、12.3%(B類土體,低液限黏土)和22.6%(C類土體,低液限黏土)的土體作為試驗(yàn)用土。3種土體試樣最優(yōu)含水率分別為15.53%、15.8%和13.7%,最大干密度分別為1.81 g/cm3、1.69 g/cm3和1.72 g/cm3。土體物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用土物理力學(xué)性能指標(biāo)及定名

1.5 試驗(yàn)方案

GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定黏性土堤的填筑標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度Kb不應(yīng)小于0.95,因此,土樣密實(shí)區(qū)Kb設(shè)定為0.95,不密實(shí)區(qū)Kb分別按0.75、0.80、0.85考慮,不密實(shí)區(qū)寬度為50 mm,上游作用水頭分別為4 m、2 m、1 m、0.7 m和0.5 m,相應(yīng)的J*分別為20.0、10.0、5.0、3.5和2.5。

2 接觸沖刷破壞現(xiàn)象及發(fā)展過程

接觸帶不密實(shí)區(qū)土體在上游水頭長期作用下,一方面,隨著土體內(nèi)部細(xì)顆粒的析出,土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整,土體顆粒骨架更為疏松,加之接觸帶底部土體所受較大水壓力及上部土體重力作用,破壞從接觸帶底部開始;另一方面,由于土體結(jié)構(gòu)的變化,含水率增大,土體抗剪強(qiáng)度減小,土體在外荷載作用下發(fā)生破壞。從最終試驗(yàn)現(xiàn)象來看,土石接合部接觸沖刷破壞表現(xiàn)為從接觸帶土層上游頂部至下游出口處形成一條強(qiáng)滲流通道。

土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,其抗?jié)B性能越強(qiáng),在上游水頭不大或短時(shí)間作用的情況下較難發(fā)生滲透破壞,上游水流也較難傳遞過來,致使試驗(yàn)后期滲透破壞前土體顆粒析出時(shí)間持續(xù)較長、析出土體黏粒也較多。試驗(yàn)初始階段,水壓主要由整個(gè)試樣承擔(dān),試樣進(jìn)口底部承受較強(qiáng)的側(cè)向水壓力,隨著上游水頭的持續(xù)作用,試樣內(nèi)土體中大量的細(xì)顆粒被帶出。在土體顆粒涌出后,試樣內(nèi)水壓重新分布,當(dāng)上游水壓力不斷增加,破壞了土體的靜力平衡后,整個(gè)試樣水力比降上升,水力比降的增加又迫使土體內(nèi)達(dá)到啟動(dòng)流速的細(xì)顆粒急劇涌出,同時(shí)內(nèi)部土體逐漸破壞,土體較大顆粒甚至局部土樣也被帶出,繼而滲徑繼續(xù)縮短直至形成滲漏通道,土體與剛性介質(zhì)的接觸帶被沖開并發(fā)生沖刷破壞。試樣破壞后出口附近底部土體在沿接觸帶并指向出口方向上的滲透比降最大,該方向?yàn)榻佑|沖刷破壞的優(yōu)先方向,滲漏通道的位置也由下游出口方向接觸帶沿底部向土體密實(shí)區(qū)發(fā)展。滲漏通道形成前雖伴隨有土體顆粒的持續(xù)涌出,但也會(huì)有短時(shí)間的堵塞,這種短暫的堵塞會(huì)改變水流系統(tǒng)的流動(dòng)特性,使得滲漏現(xiàn)象變得復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)。從試驗(yàn)現(xiàn)象看,滲漏通道形成并不連續(xù),其形成過程具有間歇性、突發(fā)性和隨機(jī)性等特點(diǎn),較難控制。

當(dāng)滲漏通道上的大部分細(xì)顆粒被帶走后,在較強(qiáng)水流作用下接觸帶主通道一側(cè)的土體開始流失,使?jié)B漏通道逐漸變寬,作用時(shí)間持續(xù)越長,通道寬度越寬。土體承載力將大大降低,最終土體試樣被沖蝕形成一條彎曲的滲漏通道。隨著上游高水壓的繼續(xù)作用,整個(gè)接觸帶土體被淘空,并逐漸向密實(shí)區(qū)底部土體發(fā)展。滲漏通道的形成及接觸帶大量土體的流失,致使穿堤涵閘土石接合部脫空、土體坍塌,以致發(fā)生險(xiǎn)情。

根據(jù)試驗(yàn)觀察,可將試驗(yàn)過程分為3個(gè)階段:穩(wěn)定滲流階段、管涌形成發(fā)展階段和沖蝕破壞發(fā)展階段。

a. 從水頭初始施加到下游面有清水滲出為穩(wěn)定滲流階段。水頭初始施加階段,顆粒相對(duì)穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生土體顆粒調(diào)整或流失。試樣潤濕從接觸帶不密實(shí)區(qū)開始,待不密實(shí)區(qū)試樣底部完全潤濕后,下游右下方有水滲出,出水清澈,滲水量較小,此時(shí)并未發(fā)現(xiàn)土體有明顯變形現(xiàn)象。這一階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長,記為穩(wěn)定時(shí)間t1。t1與試樣接觸帶狀態(tài)及作用水頭有關(guān),若接觸帶密度較小、水頭較大,則t1較小(或直接發(fā)生破壞)。

b. 從試樣的滲流量增大到試樣中滲漏通道形成為管涌形成發(fā)展階段。隨著上游水頭作用時(shí)間的持續(xù)增長,滲流量突然增大,試樣下游面有渾水滲出,土體開始出現(xiàn)局部變形,繼而內(nèi)部土體細(xì)顆粒持續(xù)涌出。在水流作用下,接觸帶底部試樣土體被一點(diǎn)點(diǎn)侵蝕,土體細(xì)顆粒逐漸從底部被帶出,有泥漿流出,此時(shí)接觸帶不密實(shí)區(qū)土體內(nèi)部已發(fā)生局部的滲漏破壞,內(nèi)部土體顆粒正在逐漸流失,土體滲透性顯著加強(qiáng)。但土體顆粒的涌出時(shí)快時(shí)慢,還會(huì)短暫停止,持續(xù)一段時(shí)間后,底部突破口變形區(qū)域逐步擴(kuò)大,隨之有大量土體顆粒從接觸帶底部持續(xù)不斷涌出,進(jìn)而從滲流出口處向上游方向逐步發(fā)展,滲漏通道由下游側(cè)向上游側(cè)回溯發(fā)展,直至與上游連通,形成貫通的滲漏通道,通道口呈不規(guī)則的圓形洞。通過對(duì)接觸帶土體的破壞情況及滲漏通道的形成情況進(jìn)行觀察和分析,發(fā)現(xiàn)接觸帶不密實(shí)區(qū)的破壞范圍大部分呈扇形破壞面,且土體試樣中最終形成的滲漏通道通常是彎曲的,最終底部滲漏通道口橫向貫穿整個(gè)接觸帶。在這一階段水平向的滲流通道已初步形成,但密實(shí)區(qū)土體仍未見明顯破壞。由于土體自重及水流作用,滲漏破壞發(fā)展范圍也僅限于下游接觸帶下部附近。從試樣渾水滲出至滲漏通道形成的持續(xù)時(shí)間為破壞時(shí)間t2。這一階段土體變形主要發(fā)生在接觸帶不密實(shí)區(qū),t2與土體性質(zhì)及作用水頭密切相關(guān),歷經(jīng)時(shí)間也有所差別,幾分鐘至幾十分鐘不等。尤其在上游較大水頭作用下,土體從初始破壞到滲漏通道形成時(shí)間非常短。

c. 從通道貫通至接觸帶土體沖刷為沖蝕發(fā)展階段。隨著滲漏通道的形成,在水流的持續(xù)作用下,大量土體顆粒從滲漏通道口涌出,并在接觸帶與有機(jī)玻璃側(cè)壁之間發(fā)生了沖刷,接觸帶不密實(shí)區(qū)土體被不斷淘刷,滲流通道出口面積不斷擴(kuò)大,最終接觸帶土體流失,此時(shí)流量較大,但密實(shí)區(qū)土體仍未發(fā)生明顯變形。實(shí)際上,這一階段是土層接觸沖刷破壞的最終結(jié)果,即接觸帶不密實(shí)區(qū)土體被淘空。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

接觸沖刷破壞機(jī)理復(fù)雜,涉及因素較多,就本次試驗(yàn)來看,接觸沖刷發(fā)生破壞過程、抗沖性、土體內(nèi)部顆粒流失及分布情況、沖蝕量等問題與土體性質(zhì)、Kb及J*等密切相關(guān)。

3.1 試樣的抗沖能力

t1與J*的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知,對(duì)于不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的土體,Kb及J*相同時(shí),土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,t1越大;對(duì)于同種土體,Kb越大,則t1越大,抗沖性越強(qiáng)。但不同土體的t1在J*較大時(shí)表現(xiàn)出一定的離散性。例如,Kb=0.75、J*=20.0時(shí),A、B、C類土體的t1分別為3 min、0.5 min和8.0 min。同樣條件下,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.6%的A類土體反而較黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.3%的B類土體的t1大。這一現(xiàn)象反映了影響土體接觸沖刷因素的隨機(jī)性,同時(shí),也反映出在工程施工過程中土石接合部滲透破壞實(shí)際制約因素較大。

圖2 t1～J*關(guān)系

t2與J*的關(guān)系如圖3所示。土石接合部存在缺陷情況下,在上游較高水頭的長時(shí)間作用下,較易發(fā)生接觸沖刷破壞,這與工程實(shí)際也較為一致。同樣,在相同條件下,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大、Kb越大的土體抗沖刷能力較強(qiáng)。例如,J*=5.0,Kb分別為0.75、0.80和0.85時(shí),黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.3%的B類土體的t2較黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.6%的A類土體分別增大了90%、25%和39%。

圖3 t2～J*關(guān)系

3.2 沖蝕量的變化規(guī)律

本文所述沖蝕量指下游出現(xiàn)渾水后,單位時(shí)間內(nèi)、單位體積渾水中所含干沙的質(zhì)量ρt,計(jì)算公式為

(1)

式中:Ws為水樣中的干沙質(zhì)量,g;V為水樣體積,m3;t為沖刷持續(xù)時(shí)間,s。

不同條件下,沖蝕量隨水力比降的變化如圖4所示。從圖4可以得出:

圖4 ρt～J*關(guān)系

a. 相同試驗(yàn)條件下,3種土體ρt隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加均呈現(xiàn)非線性減小趨勢(shì),黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)22.6%的C類土體ρt反而較黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.6%的A類土體小。Kb=0.80時(shí),這兩類土體ρt最大可相差1.93倍,但隨著J*增加,這種差異逐漸縮小。但J*>10.0時(shí),土體差異不再表現(xiàn)出明顯作用,此時(shí)J*起主導(dǎo)作用。

b. 總體上,在相同條件下,Kb與ρt也成反比關(guān)系,Kb越小,則ρt越大。這是因?yàn)镵b越大,土體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,顆粒間越密實(shí),黏結(jié)力越大,就越難分散。J*較小時(shí),3類土體ρt差別相對(duì)較為明顯,但隨著J*的增大這種差異表現(xiàn)并不顯著。

c. 在不同的J*情況下,ρt的變化也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)土體的ρt隨J*的增大總體上呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì),且隨著J*的持續(xù)增大,其后期曲線較為平緩。例如,Kb=0.75、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.6%的A類土體,J*=5.0時(shí)相應(yīng)的沖蝕量分別是J*=10.0和J*=20.0時(shí)的2.2倍和3.14倍。初步分析認(rèn)為,J*較小時(shí),接觸帶土體由穩(wěn)定、破壞至滲漏通道形成時(shí)間較長,土體內(nèi)部顆粒水土作用持續(xù)時(shí)間較長,可動(dòng)顆粒潛在移動(dòng)范圍及距離較大,細(xì)顆粒流失導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)疏松,顆粒在內(nèi)部復(fù)雜水土作用下較有可能出現(xiàn)孔隙填充現(xiàn)象,以致在滲漏通道形成后沖出土體質(zhì)量較大。

3.3 土體細(xì)顆粒流失的變化規(guī)律

初始涌出土體細(xì)顆粒流失情況見表2。

表2 土體細(xì)顆粒流失情況

3.3.1土體性質(zhì)對(duì)細(xì)顆粒流失的影響

土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,初始析出的土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越大,且大部分大于原始土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Kb=0.85、J*=5.0時(shí),A類、B類及C類土體的初始涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.6%、15.1%和23.2%,分別是原始土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2.96倍、1.23倍和1.03倍。A類土體細(xì)顆粒流失及變化最為明顯:初始涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為原始土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2.85(Kb=0.75、J*=2.5)～4.04(Kb=0.80、J*=20.0);其余兩類土體的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化略有差別,B類土體析出細(xì)顆粒黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大,在1.04(Kb=0.75、J*=20.0)～1.60(Kb=0.80、J*=20.0)之間;C類土體析出細(xì)顆粒黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍在0.7～1.04倍之間,出現(xiàn)了較原始土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)少的情況。初步分析認(rèn)為,對(duì)于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少的A類土,土體結(jié)構(gòu)較為疏松,顆粒之間相互作用力不強(qiáng),水流作用力較易克服土顆粒的自重和顆粒之間的作用力,細(xì)顆粒較易析出。

3.3.2壓實(shí)度對(duì)細(xì)顆粒流失的影響

Kb的變化對(duì)不同種類的土體初始涌出土體細(xì)顆粒的影響規(guī)律并不一致。對(duì)于A類土體,Kb=0.80,J*分別為2.5、3.5、5.0、10.0、20.0時(shí),其涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.5%、13.6%、14.9%、16.7%和18.6%,普遍較Kb=0.75時(shí)大。然而初始涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Kb并非呈現(xiàn)線性增長關(guān)系,當(dāng)Kb=0.85時(shí),初始析出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而較Kb=0.80時(shí)小。Kb較大時(shí),土體具有一定的抗沖刷破壞能力,故而出現(xiàn)了Kb較大但土體細(xì)顆粒析出較少情況。

對(duì)于B類土體,J*=2.5時(shí),析出土體細(xì)顆粒多少與Kb成反比關(guān)系;J*=3.5、5.0時(shí),析出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著Kb增大先減小后增大;但J*=10.0時(shí),析出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Kb成正比關(guān)系。

圖5 t1等值線 (單位:min)

圖6 t2等值線 (單位:min)

對(duì)于C類土體,同樣的J*,Kb=0.75時(shí)析出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較Kb=0.80、0.85時(shí)小,在Kb=0.80時(shí)析出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值,Kb=0.85時(shí)又略有下降。對(duì)于Kb=0.75、0.80情況,其含有的潛在可移動(dòng)土體顆粒較多,不穩(wěn)定性較大,析出的土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化也較為明顯,但當(dāng)接觸帶Kb=0.85時(shí),抗沖刷性有一定的提高,反而出現(xiàn)了土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的情況。

3.3.3水力比降對(duì)細(xì)顆粒流失的影響

由表2可知,J*越大,A類土體的初始涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較原始土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大。例如Kb=0.75、J*=20.0時(shí),A類土體的涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%,是原始土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3.26倍。但對(duì)于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.3%的B類土體及黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)22.6%的C類土體,J*的變化對(duì)土體顆粒級(jí)配變化影響不大,且隨著J*的增大,甚至出現(xiàn)了涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的現(xiàn)象。初步分析認(rèn)為,相同試驗(yàn)條件下,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大土體抗沖刷破壞較強(qiáng),一旦發(fā)生內(nèi)部土體顆粒的移動(dòng)、涌出,則并非單個(gè)土體顆粒的移動(dòng),而是某個(gè)黏粒團(tuán)的遷移。因此,出現(xiàn)了在某級(jí)J*作用下,析出土體的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象。

從前述分析中可知,土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Kb及J*這3個(gè)因素中,土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)涌出土體細(xì)顆粒的變化影響最為顯著,Kb次之,J*的影響最小。在一定水頭作用下,土體顆粒主要承受自身重力、水壓力等作用,但在土體顆粒啟動(dòng)后,則需克服其自身重力作用。黏粒由于粒徑和平均質(zhì)量較小,在水流作用下優(yōu)先啟動(dòng)。然而,當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí),其啟動(dòng)并不是單個(gè)顆粒,而是黏粒團(tuán)的運(yùn)動(dòng),黏粒團(tuán)的啟動(dòng)也因土體性質(zhì)及J*的變化而有所不同。因此,涌出土體細(xì)顆粒的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律不相一致?？傮w看來,影響試樣破壞因素多且較為復(fù)雜。

3.4 試樣抗沖蝕時(shí)間

根據(jù)不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)土體試樣的沖刷試驗(yàn)成果,分別繪制不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)土體的t1及t2等值線如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可見,在所選土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Kb試驗(yàn)范圍內(nèi),t1和t2等值線并未出現(xiàn)時(shí)間極值。J*越大,t1和t2相對(duì)越小;在J*相同條件下,隨著土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)或Kb的增大,t1和t2也增大,這一規(guī)律與前述基本一致。在穩(wěn)定階段,J*較小時(shí),時(shí)間等值線在橫向差異較大,t1主要受Kb影響;隨著J*的逐漸增大,土體性質(zhì)影響作用逐漸顯現(xiàn)。尤其是在土體試樣破壞后,土體性質(zhì)的影響作用表現(xiàn)得更為明顯。

針對(duì)工程施工過程中接合部土體不易壓實(shí)的問題,可適當(dāng)提高土體的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),以提高抗?jié)B能力。GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定均質(zhì)土堤的土料宜選用黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～35%的黏性土,1級(jí)堤防壓實(shí)度不應(yīng)小于0.95。從本次試驗(yàn)結(jié)果看,當(dāng)J*較小時(shí),可對(duì)土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Kb要求適當(dāng)降低,例如J*=2.5時(shí),如若留有110 min的搶險(xiǎn)時(shí)間,從t1等值線看,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、Kb=0.81即可滿足要求;而當(dāng)J*較大時(shí),土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及Kb均應(yīng)有所提高;若J*處于中間值時(shí),可采取增加Kb、降低土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的措施或降低Kb、提高土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的措施。

4 結(jié) 論

a. 側(cè)墻與兩側(cè)土體接合部碾壓不密實(shí)情況下接觸沖刷破壞主要集中在不密實(shí)區(qū),其破壞過程分為3個(gè)階段:穩(wěn)定滲流階段、管涌形成發(fā)展階段和沖蝕破壞發(fā)展階段。滲漏通道形成過程并不連續(xù),具有間歇性、突發(fā)性和隨機(jī)性等特點(diǎn),較難控制。

b. 在相同的試驗(yàn)條件下,土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大、Kb越大,t1和t2越大,其抗沖刷能力也越強(qiáng);沖蝕量隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小,隨著Kb和J*的增加總體上呈明顯的減小趨勢(shì)。

c. 在Kb相同的情況下,對(duì)于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小的低液限粉土,J*越大,初始涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,且均大于原始土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù);但對(duì)于低液限黏土,在相同試驗(yàn)條件下,初始涌出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Kb并非呈現(xiàn)線性增長關(guān)系,且出現(xiàn)了Kb越大,析出土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而越小的情況。

d.J*較小時(shí),時(shí)間等值線在橫向差異較大,t1主要受Kb影響;隨著J*的逐漸增大,土體性質(zhì)影響作用逐漸顯現(xiàn)。