單向拉伸對土工織物覆砂在往復水流作用下滲透特性的影響

陳 云，徐童可，路承斌，葛 穎，王晗悅

(滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000)

充填管袋筑堤技術依靠其就地取材、工藝簡單、工程成本較低、幾乎不受潮位和雨水影響等特點被廣泛應用于國內多數沿海地區的航線整頓、機場建設、抗洪救災及水庫堤壩建設等工程中.針對充填管袋的技術理論，國內外專家學者進行了各種研究，發現充填管袋圍護是一種技藝先進、安全可靠的保護系統，且土工合成材料在吹填造地項目中能發揮很好的防滲反濾作用，尤其是土工織物在土石壩構造中，使用效果較好[1-5].

然而，充填管袋的滲透特性研究還不夠深入，尤其是對其在筑堤技術工程應用中滲流安全的分析評價極為有限.研究充填管袋滲透特性，需要探究不同應力狀態下充填料與管袋材料系統的滲透特性，并對比分析單向拉伸對其滲透特性的影響.國內外學者對土工織物的滲透特性進行理論研究的同時也進行了很多試驗研究.如劉偉超等[6]在室內進行了土工管袋模具裝填的實踐，探究了土工織物材料形態、高矮、所受壓力、出水速率等各項因素對其滲透性能的影響；姜紅等[7]研究了編織物的垂直滲透特性，認為編織物孔隙散布不規律及其大小形態均存在差異，這致使達西定律無法全部使用于編織布的滲透性能，特別是對于緞造型編織物；李國棟等[8]對無紡土工織物和不同孔徑的有紡織物進行梯度比試驗，分析了其保土性、防淤堵性和透水性；周旋等[9]基于土工織物的類型、層數、淤堵類型等因素進行淤堵試驗，探究了靜水頭下土工織物的淤堵規律.

國內外學者還對土工織物在覆土狀態下的滲透特性也進行了試驗研究.如吳綱等[10]通過配置顆粒級配不同砂料試樣，采取獨自研發的1 組多用途的滲透試驗設備，探究了緞造型編織物與土聯合作用的滲漏原理，得到了緞造型編織物對土的滲流產生了些微的抑止效果的結論；滿曉磊等[11]對充填料含粉量對管袋脫水影響試驗研究，探究不同級配下吊袋脫水量、土壤滲漏量及滲土級配跟時間的改變趨勢，并分析裝填料含粉量與脫水速率兩者的聯系；程醒等[12]通過梯度比試驗得出了土工織物/赤泥系統的淤堵特性；魏松等[13]在考慮土樣黏粒含量等因素下進行了滲透淤堵試驗，探討了淤堵機理.

除了考慮覆土對土工織物滲透特性的的影響，很多學者還對土工織物在拉伸狀態下的滲透性能進行了研究.如唐琳等[14-15]利用垂直滲透儀進行了淤堵試驗，研究了單向拉伸對土工織物反濾性能的影響，分析了拉應變對流速V、流失土體量和梯度比GR的作用效力；詹美禮等[16]探究了在不同布置方式下覆應力的增加對堆積體滲透性的影響；白彬等[17-18]利用自主研發的雙軸拉伸儀，采用應變控制下的干篩法，進行織物孔徑分布曲線測試；佘巍等[19]通過動力水篩法對不同種類的無紡編織物拉伸時的編織物孔隙大小變化進行了測試；劉欣[20]針對單個充填管袋，考慮充填管袋材料進行不同程度拉伸對材料性能的影響；雷國輝等[21]提出充填管袋的編織布在雙向施加拉應力狀況下的滲透特性和未施加拉應力狀況下的滲透特性有著顯著差異.

綜上所述，在往復水流領域，研究大多集中在土工織物及其在覆土狀態下的滲透特性，主要包括土工織物拉伸狀態下的材料性能、孔隙大小變化等.并沒有考慮在往復水流作用下單向拉伸對土工織物覆砂滲透特性的影響.因此，本文采用非連續級配砂土組裝土工織物垂直梯度比滲透儀，進行室內滲透試驗來模擬土工織物覆砂在往復水流作用下的滲流情況，并以此來研究其滲透特性.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用砂經篩分按表1 和表2 所示的顆分系數及顆粒級配參數進行裝砂.砂的顆粒級配曲線如圖1 所示.試驗所用土工織物呈圓形，直徑為180 mm，如圖2 所示.

表1 土樣的顆分參數

表2 土樣的顆粒級配

圖1 充填砂料粒度級配曲線

圖2 土工織物

1.2 試驗儀器

試驗采用非連續級配砂土組裝的土工織物梯度比滲透儀(見圖3 和圖4)；砂樣烘干采用101-3型電熱鼓風恒溫干燥箱(見圖5)；土工織物拉伸用YG082HS 型高低溫拉伸試驗機(見圖6).

圖3 梯度比滲透儀裝置示意

圖4 梯度比滲透儀實物

圖5 恒溫干燥箱

圖6 拉伸試驗機

1.3 試驗方法

針對充填管袋滲透特性，室內試驗通過控制變量法研究單向拉伸對土工織物覆砂在往復水流作用下滲透特性的影響.試驗共設置2 組對照試驗工況，1 組為土工織物拉伸應變為0%狀態下進行的滲透試驗；另1 組為土工織物拉伸至應變為3%狀態下進行的滲透試驗.

首先，把土工織物放到YG082HS 型高低溫拉伸試驗機上拉伸至試驗所需的變形，滿足要求后與梯度比滲透儀進行固定；其次，按照設計的顆分系數及顆粒級配參數把試驗砂裝入梯度比滲透儀中(見圖7)；最后，與自制的往復水流供水裝置進行組裝(見圖8)，儀器組裝完成后進行滲透試驗，測量滲流量并計算滲透系數.

圖7 砂料填充壓實及滲透

圖8 往復水流滲透試驗裝置

試驗結束后將滲透儀中的砂料取出(見圖9)，采用環刀取樣法，分別在砂料的上部、中部及下部區域中心位置取樣并放在烘盒內放入烘箱烘干，如圖10 所示.

圖9 取出砂料

圖10 烘干砂料

3 試驗結果及分析

分析在相同級配下拉伸應變為0%組和拉伸應變為3%組土工織物的滲流流速V與時間T 關系曲線圖(見圖11)，發現隨著時間推移，拉伸應變為0%與3%的2 組土工織物滲流流速基本呈正弦函數趨勢變化，且在2 個周期內各階段變化幅度基本相似；在相同級配下的土工織物，拉伸應變為0%組的滲流流速略小于拉伸應變為3%組.這主要是因為土工織物自身存在孔隙，在滲流過程中，單向拉伸使其原有孔隙變大，并結合周期性變換水頭產生的水頭差，使得水流增多，滲流流速增加.

圖11 2 組工況下流速V 與時間T 關系曲線

圖12～圖14 為在相同級配下拉伸應變為0%和3%土工織物的各階段滲透系數與時間關系曲線.K1-2、K3-4、K1-4分別為與時間T的關系曲線，其中K1-2為1號測壓管與2 號測壓管之間的滲透系數，K2-3、K3-4、K1-4以此類推.由圖12～圖14 可知，各階段K變化規律較為一致，不同部位取樣結果存在略微不同，即經拉伸后，K1-2減小，而K3-4和K1-4增大.這說明單向拉伸增大了往復水流作用下編織布覆砂系統整體的滲透特性，其間細顆粒也更容易發生運移，從而導致了土工織物-砂邊界反濾層的形成.

圖12 2 種拉伸狀態下滲透系數K1-2與時間T 關系曲線

圖13 2 種拉伸狀態下滲透系數K3-4與時間T 關系曲線

圖14 2 種拉伸狀態下滲透系數K1-4與時間T 關系曲線

圖15 為在相同級配下拉伸應變為0%組和3%組土工織物的梯度比GR與時間T的關系曲線.由圖15 可知，隨著時間的增加，2 組梯度比均呈現先增大后減小趨勢，且最高處峰值基本無變化，最低點峰值不斷減小，最終趨于平穩；拉伸應變為3%的土工織物梯度比大于拉伸應變為0%組的梯度比.這主要是由于土工織物具有反濾性能，砂土隨水流進入土工織物后，無法隨水流流出而堆積在土工織物內部，造成淤堵后造成的.但是經過長時間的往復水流作用，細砂受到水流不斷沖刷又致使淤堵現象減弱.

圖15 2 種拉伸狀態下梯度比GR 與時間T 的關系曲線

通過對試驗結束后處理的砂料進行分析，繪制拉伸應變為0%和3%組的砂料顆粒級配曲線，結果如圖16～圖20 所示.其中，A 組表示土工織物單向拉伸應變為0%組；B 組表示土工織物單向拉伸應變為3%組；上部級配為試驗結束后充填砂料最上部的砂料顆粒級配；依此類推，分別設有中部級配和下部級配.

圖16 拉伸0%組各部分顆粒級配曲線

圖20 拉伸應變為0%與3%組下部級配曲線

由圖16 和圖17 可知，拉伸應變為0%和3%組中砂料上部級配均發生較大變化，較細粒徑砂料在水流的不斷沖刷下被沖至上部；中部及下部級配較原始級配未發生較大變化.

圖17 拉伸3%組各部分顆粒級配曲線

圖19 拉伸應變為0%與3%組中部級配曲線

由圖18～圖20 可知，在往復水流沖刷作用下，拉伸應變為0%和3%組的土工織物上部級配較細粒徑和原始級配均有所增加；中部級配未發生較大變化；下部級配較細粒徑均有一定程度減少，且拉伸應變為3%組的顆粒損失程度比未拉伸組略大.由圖16～圖20 還可知，在往復水流作用下，砂料會隨著水流運動而流出.由于拉伸應變3%后的土工織物其孔隙增大，因此，整體裝置漏砂量及其顆粒粒徑均大于拉伸應變為0%的織物.

圖18 拉伸應變為0%與3%組上部級配曲線

4 結論

1)在往復水流作用下，土工織物覆砂滲透特性在一定程度上受單向拉伸的影響.這是因為單向拉伸后，土工織物孔隙增大導致拉伸后的土工織物滲透系數大于拉伸應變為0%的土工織物，這也說明單向拉伸在一定程度上增大了土工織物覆砂在往復水流作用下的滲透特性，同單向水流所得結論一致.

2)在往復水流作用下，由于土工織物覆砂具有反濾性能，拉伸應變為3%組與拉伸應變為0%組在試驗中都存在淤堵現象.

3)往復水流作用可將梯度比滲透儀內部細砂料帶出.隨著水流運動周期的增加，土工織物覆砂系統的淤堵現象逐漸減弱.