土工織物覆砂滲透特性試驗研究

滿曉磊，湯藝偉，張春偉，汪萬升

(滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000)

充填管袋技術始于20世紀50年代[1]，最先被應用于國外的海岸防護工程中[2-4]；自1985年被引入中國后，憑借其優點在河口蓄淡水庫、深水航道整治、近海交通設施、內河整治等多種基礎設施的建設中得到廣泛的應用[5-6]。但目前充填管袋壩的滲流機制尚不明確，滲透模型也未能建立，限制了充填管袋壩的滲流計算與分析，制約著新建壩體的結構設計與已建壩體的安全評價。

揭示充填管袋壩滲流機制的首要任務是探究單個管袋的滲流特性。由于單個管袋是由充填砂和袋體材料共同組成的非均質結構，故其滲透性能受到充填砂和袋體材料的共同影響。目前，對于管袋材料與充填料各自的滲透特性研究已比較充分。

對于影響管袋袋體材料—土工織物的滲透性能問題，國內外學者對不同條件下的土工織物的滲透系數進行了深入研究。對于無應變下的土工織物，周蓉等[7]通過對不同規格針刺土工織物連續24 h的反復實驗,進行土工織布淤堵程度的量化分析和滲透性能的預測；PALMEIRA等[8]、李富強等[9]分析織物堵塞對滲透特性的影響，并提出壓力折減系數與堵塞折減系數。此外，國內外學者還研究織物拉伸狀態下的滲透反濾特性。HONG等[10]研究持續荷載、脈沖荷載以及復合荷載等不同類型的荷載作用下土工織物滲透系數的變化，試驗結果表明：土工織物系統的整體滲透系數均隨荷載的增大而增大；FOURIE等[11]對不同厚度的土工織物進行單向拉伸和雙向拉伸試驗，試驗結果表明土工織物的等效孔徑均會隨拉力的變化而變化；WU等[12]對土工織物沿緯向施加單向拉力后進行透水試驗和梯度比試驗，試驗結果表明土工織物在受到單向拉伸時等效孔徑孔隙會增大，滲透系數也隨之增大；陳輪等[13]則研究經向拉應變對土工織物滲透性能的影響，研究表明拉應變會使土工織物發生淤堵，進而降低土工織物的滲透性能；滿曉磊等[14-15]通過橫縱向吊袋脫水試驗，間接說明經、緯向拉伸對土工織物滲透特性影響不同。

有關純土的滲透性能研究主要從兩方面進行：無黏性土滲透性研究和黏性土滲透性研究。其中，在無黏性土滲透性的研究方面，王小江等[16]通過試驗發現：在粗砂巖的變形滲透破壞過程中，軸向應變和環向應變對滲透性的影響基本上呈階段性一致，但滲透性對環向應變的變化更為敏感；王俊杰等[17]通過室內試驗發現滲透系數隨顆粒級配特征值d20和曲率系數的增大而增大，隨干密度的增大而減小，隨顆粒球形度的增大而減小；蘇立君等[18]研究同一粒徑級砂土滲透系數隨孔隙率的變化和同一孔隙率下不同粒徑級砂土滲透系數隨均值粒徑的變化規律，并擬合出滲透系數與相關影響因素的經驗公式；孔令偉等[19]通過試驗發現砂土滲透系數具有明顯的細粒效應，滲透系數隨著細粒的增加而降低。對于黏性土滲透性的研究方面，凌華等[20]研究應力條件下黏土的滲透性試驗，結果表明在相同的應力條件下，顆粒和黏土的含量越高，土壤的滲透系數越小；梁建偉等[21]通過常水頭滲流試驗研究極細顆粒黏土的滲流特性，結果顯示試樣滲透系數隨著孔隙液離子濃度的增大而增大。

而充填管袋滲透機制的研究主要受制于管袋材料的非均質性和充填料的非連續性，并且目前對于管袋材料與充填料組成系統的滲透特性研究相對較少，因此，有必要就土工織物覆砂條件下系統的滲透特性進行研究。為此，文中采用常水頭滲透試驗，分別探究純砂條件下與土工織物覆砂條件下的滲透系數以及顆粒運移情況，并對比分析土工織物對充填砂滲透特性的影響。

1 滲透試驗

通過室內常水頭滲透試驗，對土工織物覆砂和純砂條件下的砂料滲水速率以及試驗結束后滲透儀器內部砂料的級配數據進行采集計算，了解土工織物對砂料滲透系數的影響以及滲透過程中儀器內砂料的運移情況，進一步揭示充填管袋壩的滲流機制。

1.1 試驗裝置

試驗采用TST-55型滲透儀(以下簡稱南55型滲透儀)，在滲透儀上方設置一個有水源供應的固定水箱，為滲透儀提供穩定的常水頭條件，試驗裝置整體結構如圖1所示。

圖1 滲透試驗裝置

1.2 試驗材料

本試驗采用單位面積質量為200 g·m-2、等效孔徑為0.31 mm的土工織物；砂料選用天然黃砂，其級配曲線如圖2所示。

圖2 砂料初始級配曲線

1.3 試驗方案與步驟

在實際壩體工程中填充砂料的滲透系數除了與外部條件溫差、水壓力相關外還與自身孔隙率和顆粒級配等因素有關。為了有效地探討土工織物對細粒砂滲透系數的影響，本試驗嚴格控制砂料孔隙率、顆粒級配、有效粒徑、中值粒徑等影響因素不變，具體試驗方案如表1所示。

表1 滲透試驗方案

本試驗為常水頭滲透試驗，在72 cm高的水頭作用下待滲透裝置出水管口有穩定水滴逸出后即可開始秒表集水計時并記錄數據。每記錄一次數據算出該數據下的滲透系數，當滲透系數保持不變時試驗結束。滲透系數具體計算公式為

式中：k為滲透系數；M為一次數據記錄下的滲出水質量；L為儀器內填料高度；A為裝置出水口過水斷面面積；t為一次集水時間；H為測壓管水頭差。

在滲透試驗結束后將環刀內充填砂取出，并按層從下到上均等分為4層塊，其中，試驗A的4個層塊分別記作：A1，A2，A3，A4；同理，試驗B的4個層塊分別記作：B1，B2，B3，B4。

2 試驗結果分析

2.1 土工織物對滲透系數的影響

將充填料分別壓實到同一孔隙率進行滲透試驗，根據各組試驗整體滲透系數隨時間變化結果，繪制A,B兩組試驗滲透系數隨時間變化曲線,如圖3所示。由圖3可知,A,B兩組試驗滲透系數隨時間變化趨勢明顯不同，其中,A組滲透系數曲線在試驗前期呈抖動式上升，主要是因儀器內細砂顆粒在水流滲透力作用下由滲水口滲出，形成通道，在通道穩定之前細顆粒的運移會形成頻繁的淤堵以及淤堵破壞的現象。試驗后期滲透系數逐漸趨于穩定，是因為形成穩定的顆粒通道結構；而試驗B的滲透系數變化曲線呈現抖動下降變化，這是因為土工織物對于充填砂中細顆粒的流失具有抑制作用，在滲流過程中逐漸形成致密的反濾層結構，最終滲透系數不再發生變化，達到滲透穩定。

圖3 A，B組試驗滲透系數對比

2.2 儀器內顆粒運移規律

將試驗A，B結束后的各層砂用BT-9300H型激光粒度分布儀測試其級配，測試結果如圖4、圖5所示。由圖可知，試驗結束后，A，B兩組填料的各層砂料級配變化趨勢大體相同，儀器內砂顆粒空間位置上表現為上細下粗。由下到上填充料逐漸變細，主要是由于大顆粒縫隙間的細顆粒在水流滲透力的作用下沿水流方向向上移動，且試驗前期有部分細顆粒由滲透儀出水口處滲出，在細顆粒上移的過程中會形成滲流通道，與此同時，部分大顆粒通過通道發生沉降現象。在大顆粒沉降的過程中又會重新填堵通道，由此往復，最終表現為試驗前期滲透系數抖動變化。

圖4 A組各層砂顆粒級配曲線

圖5 B組各層砂顆粒級配曲線

由圖4可知，純砂條件下待試驗結束后A3層砂料細顆粒含量最多，這是因為隨水流滲透力流到最上層的細砂顆粒由出水口處流出，使得最上層細顆粒占比降低。與此相反的是，如圖5所示，在土工織物覆砂條件下待試驗結束后最上層B4層的細顆粒含量最多，說明土工織物對隨水流滲透力作用上移的細顆粒具有攔截作用。

圖6所示為試驗A，B結束后最上層的砂料顆粒級配，由圖6可知，在土工織物覆砂條件下，滲透試驗結束后上層堆積更多的細顆粒砂料。由圖4、圖5可知，在土工織物覆砂條件下，試驗結束后各層間的級配曲線較純砂條件下的更為離散；又由圖6可以看出，土工織物覆砂較純砂條件下試驗結束后最上層的細顆粒含量更高，說明土工織物對儀器內砂料產生反濾作用，從而使得細顆粒很難流出，堆積在最上層，而上層細顆粒的大量堆積會對土工織物產生淤堵作用，進而使試驗B的滲透系數呈下降趨勢。當反濾與淤堵結構穩定時滲透系數降到最低并趨于穩定。

圖6 A，B組試驗最上層砂級配曲線對比

圖7所示為A，B兩組試驗在整個滲透試驗過程中收集的滲出水。由圖可知，有土工織物的滲出水較無土工織物時的濁度更低，達到滲透平衡時的滲水量更少，說明土工織物的存在對砂土料的正常滲透產生較為嚴重的淤堵與反濾作用。

圖7 A，B組試驗集水對比

3 結論與展望

1)在常水頭滲流過程中細顆粒填充料在水流滲透力的作用下沿水流方向運移，而土工織物對于砂料中的細砂顆粒的流失具有抑制作用，并可與砂料形成致密且穩定的反濾結構，因此，土工織物覆砂條件下的滲透系數小于同級配純砂的滲透系數。

2)充填砂以及袋體材料的滲透性能各異，且存在相互影響是導致單管袋滲透系統的滲流機制至今無法明確的主要原因。而本試驗及其結論僅能顯示土工織物覆砂系統對滲透系數有影響，但具體的影響范圍、影響程度還有待進一步試驗探究。