水閘側墻與土體接合部滲透破壞過程模擬試驗

李 娜,汪自力,趙壽剛,岳瑜素

(1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院,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的接觸面流動時,把其中顆粒層的細顆粒帶走的現象。上下兩層間的顆粒直徑懸殊越大就越容易發生接觸沖刷。在實際水利工程中水流沿著兩種介質界面流動,例如土體與基巖、防滲墻、樁孔護壁、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節,常發生接觸沖刷滲透破壞而引起堤防險情。其中,回填土難以碾壓密實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械化施工,填土與建筑物接觸帶很難壓實,易造成兩種介質接觸不緊密而發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程。且這種破壞初始過程大都隱于工程內部,探測難、監測難,一經發現險情,可能會迅速導致工程破壞,難以補救。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,培箱與主體接合部被淘空而發生管涌險情;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,先后于1995年、1996年及1998年遭遇高水位時均發生管涌險情;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滲水現象。因此,對接觸沖刷發生發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行的重要課題,越來越引起學者們的重視[2-5]。

圖1 接觸沖刷試驗裝置

接觸沖刷的研究一般采用室內試驗的研究方式,取得了一定的研究成果。劉杰[2]進行了土的滲流接觸沖刷抗滲強度試驗;河南水利科學研究所[6]進行了土壩心墻與基巖接觸沖刷試驗;黎國凡[7]對溫峽口石渣組合壩黏土心墻與巖基的接觸沖刷進行了試驗模擬;詹美禮等[8]進行了法向力作用下心墻與基巖接觸沖刷試驗;鄧偉杰[9]對土石壩砂礫石層與黏性土層之間接觸沖刷進行了試驗模擬。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]以及黏性土質防滲體與基巖接觸帶之間[2, 8]的接觸沖刷,對于土體與混凝土結構這兩種材料之間的接觸沖刷問題研究相對較少。已有研究成果表明,接觸沖刷滲透破壞與土體性質、土體密度、接觸帶狀態等因素密切相關[2-3]。但目前人們對于穿堤涵閘土石接合部接觸沖刷破壞大多止于宏觀認識上,其破壞變化發展過程及影響因素等問題還有待進一步研究。本文根據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,利用自行設計的試驗裝置,模擬施工中較易出現的涵閘側墻與兩側填土存在不密實情況下的滲透破壞,研究其發生發展過程及演化規律,并對比分析土體黏粒質量分數、壓實度、水力比降對接觸沖刷的影響。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置制作

由于水閘底板或側墻等構件多為長方體結構,接觸沖刷試驗裝置相應設計為箱式結構(圖1)。為便于試驗現象的觀察,箱體為透明有機玻璃,壁厚8 mm,內部尺寸為150 mm×200 mm×200 mm。接觸沖刷試驗裝置上、下游側邊緣均為厚20 mm鋼板,鋼板與有機玻璃箱體之間設置厚12 mm的硅膠防水圈,頂桿用于緊固有機玻璃箱體和上、下游側,在緊固螺栓和頂桿作用下鋼板與有機玻璃箱體之間密閉防水。為使上游水流均勻平穩,與進水口相連的上游側設有孔徑1.5 mm的帶孔金屬透水板。試驗時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定進口水頭。

1.2 制樣過程

試驗前,根據土體最優含水率、最大干密度、試樣體積和既定壓實度備料,分別計算出密實區和接觸帶不密實區所需土體質量及鋪土高度。將試驗裝置豎向放置進行裝樣,填裝時,首先在透水鋼板上鋪設一層土工布,以防土料細顆粒堵塞水孔。在接觸帶與箱體接觸的側向觀測面外的其余三面均勻涂抹一層膨潤土護壁,以防水流沿邊壁集中滲漏。為模擬施工過程,每個試樣分層裝料,共分4層填筑,表面平整后振搗壓實。填料時,盡量使土體顆粒分布均勻且層與層之間進行剖毛處理(剖毛深度為1～2 cm);擊實時,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。試樣的頂面為自由出水面。

1.3 試驗過程

制樣后,將試驗裝置平放進行試驗(圖1(a))。試驗模擬工程水位驟升、驟降時止水破壞情況下側墻與兩側填土不密實的最不利工況,并觀察土石接合部局部發生滲透破壞的過程。試樣不預先飽和，直接施加水頭進行試驗,下游面臨空無側向限制。將上游水頭調整至預定高度,檢查進水口是否堵塞,打開進水閥,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區土體隨水頭施加時間的變化,并觀察記錄土體的變化過程。記錄試樣水平向距離(滲徑)L,上游水位與試樣進口位置高度差H,近似算出平均水力比降J*=H/L(為方便計算,暫不考慮滲徑的沿程變化)。若在水頭作用下出現了土體脫落,即認為試樣已破壞。觀察并記錄主要試驗現象,分別記錄試樣破壞后每2 min內的沖刷量(共記錄5次),5次沖刷結束后停止試驗。試驗過程中對初始析出土體細顆粒進行顆分試驗,并與原始土體進行比較。

1.4 試驗用料

黃河下游堤防工程從臨背河取土逐漸修筑而成,筑堤土質較為復雜。黃河堤防堤身代表性土體黏粒質量分數多數介于15%～30%,少數黏粒質量分數為10%左右[14]。結合調研分析結果及試驗的特點,選取黏粒質量分數分別為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)的土體作為試驗用土。3種土體試樣最優含水率分別為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。土體物理力學性能指標見表1。

表1 試驗用土物理力學性能指標及定名

1.5 試驗方案

GB50286—2013《堤防工程設計規范》規定黏性土堤的填筑標準壓實度Kb不應小于0.95,因此,土樣密實區Kb設定為0.95,不密實區Kb分別按0.75、0.80、0.85考慮,不密實區寬度為50 mm,上游作用水頭分別為4 m、2 m、1 m、0.7 m和0.5 m,相應的J*分別為20.0、10.0、5.0、3.5和2.5。

2 接觸沖刷破壞現象及發展過程

接觸帶不密實區土體在上游水頭長期作用下,一方面,隨著土體內部細顆粒的析出,土體內部結構發生調整,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,由于土體結構的變化,含水率增大,土體抗剪強度減小,土體在外荷載作用下發生破壞。從最終試驗現象來看,土石接合部接觸沖刷破壞表現為從接觸帶土層上游頂部至下游出口處形成一條強滲流通道。

土體黏粒質量分數越大,其抗滲性能越強,在上游水頭不大或短時間作用的情況下較難發生滲透破壞,上游水流也較難傳遞過來,致使試驗后期滲透破壞前土體顆粒析出時間持續較長、析出土體黏粒也較多。試驗初始階段,水壓主要由整個試樣承擔,試樣進口底部承受較強的側向水壓力,隨著上游水頭的持續作用,試樣內土體中大量的細顆粒被帶出。在土體顆粒涌出后,試樣內水壓重新分布,當上游水壓力不斷增加,破壞了土體的靜力平衡后,整個試樣水力比降上升,水力比降的增加又迫使土體內達到啟動流速的細顆粒急劇涌出,同時內部土體逐漸破壞,土體較大顆粒甚至局部土樣也被帶出,繼而滲徑繼續縮短直至形成滲漏通道,土體與剛性介質的接觸帶被沖開并發生沖刷破壞。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,該方向為接觸沖刷破壞的優先方向,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區發展。滲漏通道形成前雖伴隨有土體顆粒的持續涌出,但也會有短時間的堵塞,這種短暫的堵塞會改變水流系統的流動特性,使得滲漏現象變得復雜且難以預測。從試驗現象看,滲漏通道形成并不連續,其形成過程具有間歇性、突發性和隨機性等特點,較難控制。

當滲漏通道上的大部分細顆粒被帶走后,在較強水流作用下接觸帶主通道一側的土體開始流失,使滲漏通道逐漸變寬,作用時間持續越長,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作用,整個接觸帶土體被淘空,并逐漸向密實區底部土體發展。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,以致發生險情。

根據試驗觀察,可將試驗過程分為3個階段:穩定滲流階段、管涌形成發展階段和沖蝕破壞發展階段。

a. 從水頭初始施加到下游面有清水滲出為穩定滲流階段。水頭初始施加階段,顆粒相對穩定,不會發生土體顆粒調整或流失。試樣潤濕從接觸帶不密實區開始,待不密實區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,此時并未發現土體有明顯變形現象。這一階段持續時間相對較長,記為穩定時間t1。t1與試樣接觸帶狀態及作用水頭有關,若接觸帶密度較小、水頭較大,則t1較小(或直接發生破壞)。

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展階段。隨著上游水頭作用時間的持續增長,滲流量突然增大,試樣下游面有渾水滲出,土體開始出現局部變形,繼而內部土體細顆粒持續涌出。在水流作用下,接觸帶底部試樣土體被一點點侵蝕,土體細顆粒逐漸從底部被帶出,有泥漿流出,此時接觸帶不密實區土體內部已發生局部的滲漏破壞,內部土體顆粒正在逐漸流失,土體滲透性顯著加強。但土體顆粒的涌出時快時慢,還會短暫停止,持續一段時間后,底部突破口變形區域逐步擴大,隨之有大量土體顆粒從接觸帶底部持續不斷涌出,進而從滲流出口處向上游方向逐步發展,滲漏通道由下游側向上游側回溯發展,直至與上游連通,形成貫通的滲漏通道,通道口呈不規則的圓形洞。通過對接觸帶土體的破壞情況及滲漏通道的形成情況進行觀察和分析,發現接觸帶不密實區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接觸帶。在這一階段水平向的滲流通道已初步形成,但密實區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時間為破壞時間t2。這一階段土體變形主要發生在接觸帶不密實區,t2與土體性質及作用水頭密切相關,歷經時間也有所差別,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間非常短。

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

3 試驗結果與分析

接觸沖刷破壞機理復雜,涉及因素較多,就本次試驗來看,接觸沖刷發生破壞過程、抗沖性、土體內部顆粒流失及分布情況、沖蝕量等問題與土體性質、Kb及J*等密切相關。

3.1 試樣的抗沖能力

t1與J*的關系如圖2所示。由圖2可知,對于不同黏粒質量分數的土體,Kb及J*相同時,土體黏粒質量分數越大,t1越大;對于同種土體,Kb越大,則t1越大,抗沖性越強。但不同土體的t1在J*較大時表現出一定的離散性。例如,Kb=0.75、J*=20.0時,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,黏粒質量分數4.6%的A類土體反而較黏粒質量分數12.3%的B類土體的t1大。這一現象反映了影響土體接觸沖刷因素的隨機性,同時,也反映出在工程施工過程中土石接合部滲透破壞實際制約因素較大。

圖2 t1～J*關系

t2與J*的關系如圖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間作用下,較易發生接觸沖刷破壞,這與工程實際也較為一致。同樣,在相同條件下,黏粒質量分數越大、Kb越大的土體抗沖刷能力較強。例如,J*=5.0,Kb分別為0.75、0.80和0.85時,黏粒質量分數為12.3%的B類土體的t2較黏粒質量分數為4.6%的A類土體分別增大了90%、25%和39%。

圖3 t2～J*關系

3.2 沖蝕量的變化規律

本文所述沖蝕量指下游出現渾水后,單位時間內、單位體積渾水中所含干沙的質量ρt,計算公式為

(1)

式中:Ws為水樣中的干沙質量,g;V為水樣體積,m3;t為沖刷持續時間,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*關系

a. 相同試驗條件下,3種土體ρt隨著黏粒質量分數的增加均呈現非線性減小趨勢,黏粒質量分數22.6%的C類土體ρt反而較黏粒質量分數4.6%的A類土體小。Kb=0.80時,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,土體差異不再表現出明顯作用,此時J*起主導作用。

b. 總體上,在相同條件下,Kb與ρt也成反比關系,Kb越小,則ρt越大。這是因為Kb越大,土體結構越穩定,顆粒間越密實,黏結力越大,就越難分散。J*較小時,3類土體ρt差別相對較為明顯,但隨著J*的增大這種差異表現并不顯著。

c. 在不同的J*情況下,ρt的變化也表現出不同的特點。不同黏粒質量分數土體的ρt隨J*的增大總體上呈現明顯的減小趨勢,且隨著J*的持續增大,其后期曲線較為平緩。例如,Kb=0.75、黏粒質量分數4.6%的A類土體,J*=5.0時相應的沖蝕量分別是J*=10.0和J*=20.0時的2.2倍和3.14倍。初步分析認為,J*較小時,接觸帶土體由穩定、破壞至滲漏通道形成時間較長,土體內部顆粒水土作用持續時間較長,可動顆粒潛在移動范圍及距離較大,細顆粒流失導致土體結構疏松,顆粒在內部復雜水土作用下較有可能出現孔隙填充現象,以致在滲漏通道形成后沖出土體質量較大。

3.3 土體細顆粒流失的變化規律

初始涌出土體細顆粒流失情況見表2。

表2 土體細顆粒流失情況

3.3.1土體性質對細顆粒流失的影響

土體黏粒質量分數越大,初始析出的土體黏粒質量分數也越大,且大部分大于原始土體黏粒質量分數。Kb=0.85、J*=5.0時,A類、B類及C類土體的初始涌出土體黏粒質量分數分別為13.6%、15.1%和23.2%,分別是原始土體黏粒質量分數的2.96倍、1.23倍和1.03倍。A類土體細顆粒流失及變化最為明顯:初始涌出土體黏粒質量分數為原始土體黏粒質量分數的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量分數變化略有差別,B類土體析出細顆粒黏粒質量分數變化不大,在1.04(Kb=0.75、J*=20.0)～1.60(Kb=0.80、J*=20.0)之間;C類土體析出細顆粒黏粒質量分數變化范圍在0.7～1.04倍之間,出現了較原始土體黏粒質量分數少的情況。初步分析認為,對于黏粒質量分數較少的A類土,土體結構較為疏松,顆粒之間相互作用力不強,水流作用力較易克服土顆粒的自重和顆粒之間的作用力,細顆粒較易析出。

3.3.2壓實度對細顆粒流失的影響

Kb的變化對不同種類的土體初始涌出土體細顆粒的影響規律并不一致。對于A類土體,Kb=0.80,J*分別為2.5、3.5、5.0、10.0、20.0時,其涌出土體黏粒質量分數分別為13.5%、13.6%、14.9%、16.7%和18.6%,普遍較Kb=0.75時大。然而初始涌出土體黏粒質量分數與Kb并非呈現線性增長關系,當Kb=0.85時,初始析出土體黏粒質量分數反而較Kb=0.80時小。Kb較大時,土體具有一定的抗沖刷破壞能力,故而出現了Kb較大但土體細顆粒析出較少情況。

對于B類土體,J*=2.5時,析出土體細顆粒多少與Kb成反比關系;J*=3.5、5.0時,析出土體黏粒質量分數隨著Kb增大先減小后增大;但J*=10.0時,析出土體黏粒質量分數與Kb成正比關系。

圖5 t1等值線 (單位:min)

圖6 t2等值線 (單位:min)

對于C類土體,同樣的J*,Kb=0.75時析出土體黏粒質量分數較Kb=0.80、0.85時小,在Kb=0.80時析出土體黏粒質量分數達到最大值,Kb=0.85時又略有下降。對于Kb=0.75、0.80情況,其含有的潛在可移動土體顆粒較多,不穩定性較大,析出的土體黏粒質量分數變化也較為明顯,但當接觸帶Kb=0.85時,抗沖刷性有一定的提高,反而出現了土體黏粒質量分數下降的情況。

3.3.3水力比降對細顆粒流失的影響

由表2可知,J*越大,A類土體的初始涌出土體黏粒質量分數均較原始土體黏粒質量分數大。例如Kb=0.75、J*=20.0時,A類土體的涌出土體黏粒質量分數為15.0%,是原始土體黏粒質量分數的3.26倍。但對于黏粒質量分數12.3%的B類土體及黏粒質量分數22.6%的C類土體,J*的變化對土體顆粒級配變化影響不大,且隨著J*的增大,甚至出現了涌出土體黏粒質量分數下降的現象。初步分析認為,相同試驗條件下,黏粒質量分數較大土體抗沖刷破壞較強,一旦發生內部土體顆粒的移動、涌出,則并非單個土體顆粒的移動,而是某個黏粒團的遷移。因此,出現了在某級J*作用下,析出土體的黏粒質量分數時大時小的現象。

從前述分析中可知,土體黏粒質量分數、Kb及J*這3個因素中,土體黏粒質量分數對涌出土體細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,但在土體顆粒啟動后,則需克服其自身重力作用。黏粒由于粒徑和平均質量較小,在水流作用下優先啟動。然而,當土體黏粒質量分數較大時,其啟動并不是單個顆粒,而是黏粒團的運動,黏粒團的啟動也因土體性質及J*的變化而有所不同。因此,涌出土體細顆粒的黏粒質量分數變化規律不相一致。總體看來,影響試樣破壞因素多且較為復雜。

3.4 試樣抗沖蝕時間

根據不同黏粒質量分數土體試樣的沖刷試驗成果,分別繪制不同黏粒質量分數土體的t1及t2等值線如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可見,在所選土體黏粒質量分數及Kb試驗范圍內,t1和t2等值線并未出現時間極值。J*越大,t1和t2相對越小;在J*相同條件下,隨著土體黏粒質量分數或Kb的增大,t1和t2也增大,這一規律與前述基本一致。在穩定階段,J*較小時,時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,土體性質影響作用逐漸顯現。尤其是在土體試樣破壞后,土體性質的影響作用表現得更為明顯。

針對工程施工過程中接合部土體不易壓實的問題,可適當提高土體的黏粒質量分數,以提高抗滲能力。GB 50286—2013《堤防工程設計規范》規定均質土堤的土料宜選用黏粒質量分數為10%～35%的黏性土,1級堤防壓實度不應小于0.95。從本次試驗結果看,當J*較小時,可對土體黏粒質量分數及Kb要求適當降低,例如J*=2.5時,如若留有110 min的搶險時間,從t1等值線看,黏粒質量分數20%、Kb=0.81即可滿足要求;而當J*較大時,土體黏粒質量分數及Kb均應有所提高;若J*處于中間值時,可采取增加Kb、降低土體黏粒質量分數的措施或降低Kb、提高土體黏粒質量分數的措施。

4 結 論

a. 側墻與兩側土體接合部碾壓不密實情況下接觸沖刷破壞主要集中在不密實區,其破壞過程分為3個階段:穩定滲流階段、管涌形成發展階段和沖蝕破壞發展階段。滲漏通道形成過程并不連續,具有間歇性、突發性和隨機性等特點,較難控制。

b. 在相同的試驗條件下,土體黏粒質量分數越大、Kb越大,t1和t2越大,其抗沖刷能力也越強;沖蝕量隨著黏粒質量分數的增加而減小,隨著Kb和J*的增加總體上呈明顯的減小趨勢。

c. 在Kb相同的情況下,對于黏粒質量分數較小的低液限粉土,J*越大,初始涌出土體黏粒質量分數越大,且均大于原始土體黏粒質量分數;但對于低液限黏土,在相同試驗條件下,初始涌出土體黏粒質量分數與Kb并非呈現線性增長關系,且出現了Kb越大,析出土體黏粒質量分數反而越小的情況。

d.J*較小時,時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,土體性質影響作用逐漸顯現。