級配特征和水力梯度對堰塞壩材料滲透特性的影響研究

康永闖,朱興華,劉邦曉,孔靜雯,王夢奎

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院,西安 710054;2. 西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,西安 710054;3. 連云港徐圩城建工程有限公司,江蘇 連云港 222000)

0 前 言

堰塞壩是高山峽谷地區由降雨或地震引發滑坡或泥石流災害,造成一定量的固體物質堵塞或部分堵塞河道(溝道)而形成的一種具有一定蓄水能力的天然壩體[1-3]。壩體形成后,會阻止上游水流向下游運動,從而在壩前蓄積一定深度的水體,使壩體上下游產生一定的水頭差,在壩體內形成滲流[2]。滲流破壞是堰塞壩較為常見的一種潰壩模式[3-5]。滲透作用使壩體材料的顆粒組成不斷發生變化,從而破壞堰塞壩的長期穩定性和壽命[6-7],潰壩后所形成的潰決洪水(或泥石流)嚴重威脅著下游地區人民的生命財產安全[8]。

堰塞壩的滲透破壞受水力梯度和壩體材料滲透特性兩大要素共同影響。其中,壩體材料的滲透特性一直是國內外研究的熱點之一。張健楠等[9]探究不同顆粒級配下堰塞壩的潰決流量時發現壩體材料的顆粒越不均勻,大顆粒被小顆粒包圍時越不容易發生滲流;石振明等[10]通過典型堰塞壩材料的一維滲流試驗發現,細顆粒材料組與粒徑缺失組試樣的滲透破壞形式為流土,并根據顆粒啟動流速以及粗顆粒對滲流的影響提出了臨界水力梯度計算公式。另外,也有部分學者根據顆粒級配的特征參數,提出了計算滲透系數的擬合公式[11-12]。但這些公式所采用的特征參數少則僅有1個參數,多則4個參數,不能全面反映壩體材料的整體級配特征;同時,這些公式也多是針對某一特定土樣提出的,用于其他土樣時誤差較大以至于無法應用。壩體滲透破壞是水土耦合作用的結果,滲透系數不僅與材料本身的性質有關,也受水力條件的影響[13-15]。因此,國內外諸多學者針對水力梯度對壩體滲流過程的影響也開展了廣泛的研究,胡卸文等[16]使用Visual Modflow,模擬了710～740 m間隔為10 m的4種堰塞湖水位下壩體內的滲流場變化,發現當顆粒粒徑較大時,壩體中的水力梯度較小,滲流場變化較穩定;王福剛等[17]分別對粗、中、細砂進行了不同水力梯度的滲透實驗,發現材料的滲透系數會隨水力梯度的變化而改變,其中粗砂的滲透系數受水力梯度的影響最大,中砂次之,細砂最小;王沛等[18]研究了不同水力梯度對黏質粉土滲透特性的影響,試驗結果顯示水力梯度造成的水壓力會產生固結作用從而影響材料的滲透系數;宋林輝等[19]發現水壓加載時,黏土的滲透系數隨水力梯度的增加而減小;水壓卸載時,黏土的滲透系數隨水力梯度的減小而繼續減小。綜上所述,顆粒級配和水力梯度是影響堰塞壩材料滲透特性的兩個主要因素,但目前有關堵塞壩材料的滲流特性研究還主要以定性為主,還缺乏滲透破壞臨界條件定量研究成果;同時,有關顆粒級配和水力梯度對堰塞壩材料滲透特性影響機制還未完全闡明。

本文通過開展不同顆粒級配和不同水力梯度條件下的堰塞壩材料的滲透試驗,系統研究壩體材料級配特征和水力梯度對其滲透特性的影響,并揭示堰塞壩產生滲透破壞的臨界條件,從而為堰塞湖災害的應急評估提供了科學參考。

1 堰塞壩材料的滲透實驗

1.1 試驗儀器

在試驗儀器設計方面,參考馬凌云等[20]采用組合式滲透儀、恒壓供水系統水循環系統、高精度的測壓系統等各部分組合方式設置了新的試驗裝置。由于堰塞壩壩體材料顆粒粒徑變化大、級配寬,用傳統內徑100 mm的滲透儀器進行試驗會產生較大的尺寸效應,因此本研究小組自主研發了一套內徑為300 mm、高度為600 mm的滲透儀器,可極大的降低顆粒的尺寸效應對試驗結果的影響,且縱橫比符合土壤試驗標準。該試驗裝置由供水裝置、滲透儀、測量裝置和收集裝置組成,具體如圖1所示。供水裝置可以提供所需水流和水力梯度,滲透儀由玻璃板構成可以清晰的觀察到滲流發展的全過程。試驗采用水頭飽和法獲得飽和試樣,滲流方向由下向上,滲流上方為自由溢流面,水力梯度可在0～4.0 m調整。本次試驗僅探究堰塞壩材料的滲透特性,并不涉及堰塞壩滲流穩定性,可以用傳統方法測量材料的水力梯度。

圖1 試驗裝置

1.2 試驗材料

試驗中所使用的物料取自陜西省小秦嶺金礦區的大西岔溝(如圖2所示)。試驗所用的顆粒材料的相對密度ds=2.65,含水率ω=0.19%,自然休止角為45°。由于試驗裝置以及工況條件的限制,將大于50 mm的粒徑全部剔除。結合本次試驗研究區的礦渣物源特征,將礦渣顆粒篩分為<0.075、0.075～0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2、2～5、5～10、10～20 mm和20～50 mm等9個粒組。在進行試驗材料級配配制過程中,將小于2 mm的粒徑定義為細顆粒[21],將大于20 mm的顆粒定義為粗顆粒,2～20 mm顆粒定義為中等粒徑,按照上述3種顆粒類別配制出不同結構特點的壩體材料。

圖2 小秦嶺金礦區北溝堰塞壩

1.3 試驗設計工況

Zhu等[22]為探究堰塞壩結構性質對其破壞模式和過程的影響,選擇該研究區的礦渣并開展了11組不同粒徑分布堰塞壩的潰壩模型試驗,發現壩體材料的顆粒級配對堰塞壩潰決模式和過程影響顯著。為了進一步探索壩體材料級配特征和水力梯度對其滲透特性的影響,本項研究設計了5種不同類型的壩體顆粒級配組成,并探索了變水頭條件下的壩體材料滲透破壞過程。壩體材料的級配曲線如圖3所示。滲透裝置中,試樣橫截面積為706.86 cm2,高度40 cm,試樣密度、不均勻系數、曲率系數和孔隙率詳見表1。

表1 各工況數據表

圖3 顆粒級配曲線

1.4 試驗過程

本次試驗采用水頭飽和法進行,為減少填筑過程中顆粒析出,用分層填筑直至達到預定高度,且每次分層填筑時放入孔隙水壓力傳感器(從下往上依次布設5個傳感器,編號1～5)。具體的試驗步驟如下:

(1) 試驗前將初始水力梯度設定為0.5,水力梯度遞增值設定為0.5,升高水頭的間隔時間設定為30 min,本試驗裝置的水力梯度可在0～4調節;

(2) 按照圖3所示顆粒級配曲線,制備各組試驗所需試樣;

(3) 采用分層填筑法裝樣,每次填筑層厚5 cm,直至填筑到預定高度;

(4) 試驗材料填筑完成后供水系統開始供水,試驗中水頭分多次加載,以便能觀察到試樣從滲流開始到變形破壞的全過程;

(5) 每一級水力梯度下的滲流過程穩定時,根據測壓管旁的水位刻度尺讀出兩對測壓管中的水位高度,以準確計算該階段的實際水力梯度i,并使用量筒在滲流量收集孔處量取一定時段的滲流量,分3次測量每次時間間隔為5 min,最終取3次滲流量的平均值為水力梯度i下的滲流量Q;

(6) 當試樣出現管涌通道時,認為試樣開始破壞,繼續升水頭,直至管涌通道的數量不在增加,管涌通道的直徑不再擴展,結束試驗;

(7) 試驗完畢后,整理儀器,并按照上述試驗步驟繼續開展下一組模型試驗。

2 試驗結果分析

2.1 試驗現象

試驗發現,粗顆粒含量占25%的工況均產生了大范圍管涌通道,以T1和T4兩組實驗為例,對其實驗現象進行分析。T1(25-40-35)組模型試驗粗顆粒較多,當水力梯度在0～1.5時并未出現明顯的滲流現象,當水力梯度調整到1.5,在3 100 s左右時(如圖4所示),5個監測點的孔隙水壓力均有不同范圍的降低,此時試樣內部結構產生了瞬時的變形,但此時通過觀察并無明顯跡象發生。水力梯度達到2.5時,水體開始變渾濁,大量細顆粒的溢出并且可在圓筒邊壁及試樣頂部觀察到細顆粒在通道中移動,試樣內部的細顆粒遷移導致土體內部結構的改變。在此級水力梯度試驗進行到540 s時,材料突然隆起并且可以看到大量氣泡涌出,此時試樣內部變形較為明顯,待試驗現象并無變化可認為試驗結束,在此期間共產生多出管涌通道,且有4處持續存在(如圖5所示)。滲透作用從底部向頂部發展,根據孔隙水壓力的變化,說明試樣內部的變形一直在積累且不斷擴大,在水力梯度i=2.5時試樣內部結構發生破壞。

T4(15-45-40)組測試的粗顆粒減小,而細顆粒有所增加。當水力梯度達到2.5時,試樣內部結構開始調整,頂部僅僅出現了幾處小型管涌通道且存在時間不長,細顆粒集中堵塞到某孔隙節點且無法克服摩擦力涌出,產生了間歇性管涌的現象。隨著水力梯度的增大,當水力梯度達到3時,管涌現象比較明顯,較前一級水頭強烈,管涌現象逐漸由間斷發生變得穩定,但僅僅只在一處發生,此級水力梯度后期,管涌現象逐漸穩定,在小范圍細小孔隙內,連續不斷有細顆粒隨著水流涌出。結合孔隙水壓力傳感器(見圖6),孔隙水壓力1和孔隙水壓力2這兩個監測點在水力梯度為3時,隨著試驗進行試樣底部的孔隙水壓力增長率急劇性增大,表明上部的試樣內部顆粒發生顯著的調整。結合試驗現象在試樣頂部出現的不斷通過管涌出來的細顆粒,推測內部細顆粒在之前堵塞的孔隙內,在足夠大的水力梯度下持續涌出,與試驗所觀察到的現象相對應。在水力梯度達到3.5時,堵塞的細顆粒被沖出,管涌現象僅僅表現為通道直徑增大,并無新的管涌通道出現(見圖7),到后期偶爾有大量細顆粒同時涌出,形成較大范圍的濁狀物彌散開。

圖6 T4組測試的孔隙水壓力變化曲線

圖7 T4管涌現象位置圖

圖8為T1、T4的I-V對比曲線。由圖8可知,在任意水力梯度下1號的滲透流速始終大于T4,在整個滲透過程中,T1中較多的粗顆粒更容易形成的骨架孔隙,試樣對水的抗滲強度即水流對顆粒的拖曳力降低,在同一梯度下T1的滲透系數越大,滲透流速越快。從I-V曲線整體發展趨勢看,在較小的水力梯度下,滲透流速變化率隨著水力梯度的增加而減小。因為隨著內部侵蝕的進行,當試樣內部達到臨界水力梯度后,滲透系數的增加量會減緩,直至最終破壞后滲透系數k不再增加。

圖8 T1和T4組測試過程中的I-V曲線

2.2 級配特征對堰塞壩材料滲透特性的影響

水在試樣中流動時,由于試樣的孔隙通道很小,且很曲折,滲流過程中黏滯阻力很大,所以在多數情況下,水在試樣中的流速十分緩慢,可認為相鄰兩個水分子運動的軌跡相互平行而不混摻,即水流狀態屬于層流,符合達西定律。在初始水力梯度i=1.5的條件下使用量筒收集一段時間內的滲流量Q,然后按照達西定律計算不同組次的滲透系數,具體計算公式見式(1):

Q=kAi

(1)

式中:Q為單位時間內的滲流量,m3/s;k為試樣的滲透系數;A為試樣的橫截面面積,m2;i為水力梯度。

圖9為不同顆粒級配試樣干密度與滲透系數的關系曲線。由圖9可以看出隨著干密度的增大,試樣的滲透系數在逐漸減少,且減緩趨勢下降明顯,且從圖中可知,滲透系數與干密度可用二次線性方程表示。結合表1, T1與T2這兩組的滲透系數變化比其余3組粗顆粒占變化幅度大,且粗顆粒含量由25%下降15%之間,滲透系數變化最大。因為較多的粗顆粒形成了更大的滲透空間,滲透水流可以更容易將細顆粒拖移,當粗顆粒骨架形成的孔隙小時,細顆粒含量的變化對試樣的滲透性影響降低?？梢哉f,干密度的變化對滲透性的影響實質是孔隙比變化影響試樣滲透特性,孔隙比增加,引起試樣的滲透系數k增大。滲透水流主要是通過試樣內的孔隙通道流動,孔隙比越大,形成的孔隙通道越多,真實的過水面積越大。因為式(1)中A采用的是試樣的整個橫截面面積,其中也包含了土粒所占的面積,土粒本身是不透水的,所以真實的過水面積是小于式(1)中采用的橫截面面積,此時過水面積越大,滲流量Q越大,相應的滲透系數k也就越大。

圖9 滲透系數與試樣密度變化關系曲線

從圖10中可知,在本次試驗中,隨著不均勻系數的增大,滲透系數整體變化趨勢也在增加,Cu從17增加到47.24,滲透系數從0.27增加到0.32,增加量較小。粗細顆粒含量相差越懸殊且大顆粒粒徑逐漸增多,孔隙量也會相對增加,意味著填充的細顆粒減少和孔隙間流通性變大,滲透性增強。雖然作為顆粒級配表征參數的不均勻系數Cu難以對寬級配的堰塞壩材料的滲透特性進行精確描述,但在一定的級配范圍內,不均勻系數與滲透系數也可以呈二次多項式關系,具有很強的相關性。堰塞壩的滲透特性主要取決于其材料的密實度與骨架形成的孔隙和細顆粒填充度之間的相對關系,密實度隨著細顆粒填充度的增大而增大,顆粒之間排列越密實,試樣的抗滲性能就越強。

圖10 滲透系數與不均勻系數變化關系曲線

2.3 水力梯度對堰塞壩材料滲透特性的影響

根據達西定律可知,若不考慮滲透水流對顆粒的重排列作用,滲透系數k并不會隨水力梯度i的變化而改變。但在本次滲透試驗中,滲透系數隨水力梯度的增加發生了一定的變化。本文5組試驗滲透系數k與水力梯度i的關系如圖11所示。根據圖11可知,滲透系數k隨水力梯度i的增加呈現出逐漸減小的變化趨勢。造成這一變化的原因是隨著水力梯度的增加,滲透水流所產生的滲透力逐漸增加,試樣中的細顆粒在滲透力的作用下發生移動或產生微小的調整,細顆粒的這種運動會進一步堵塞孔隙通道,導致真實的過水面積減小,滲流量Q減小,相應的滲透系數k也就減小。

圖11 水力梯度與滲透系數變化曲線

2.4 滲透破壞臨界梯度計算

上述分析了金礦區北溝的堰塞壩的孔隙特性對臨界水力梯度的影響機理,滲透作用的發生在壩體內部具有隱蔽性,一旦發生就會影響其穩定性,因此探究堰塞壩臨界水力梯度計算公式對研究堰塞壩滲流穩定性具有重要作用。堰塞壩具有寬級配特征,本文參考相關文獻并考慮整個土體級配提出一種新的管涌破壞的臨界水力梯度計算公式[22-23]。取單個可被沖刷移動的填料研究,水流為層流,假定直徑為d的球形顆粒在實際水流速度超過一定值時在滲透水流的拖曳力下在孔隙直徑d0通道中移動,具體受力分析如圖12所示。

圖12 顆粒在通道中的受力分析

研究過程中取單個顆粒,其水下重力:

(2)

Happel[25]根據stokes定律推導出管道中水流對顆粒的拖曳力:

Fd=3πμwdv

(3)

顆粒運移中摩擦阻力:

R=(fcosα+sinα)G=Gsinα

(4)

當G=Fd時可得顆粒啟動臨界流度:

(5)

(6)

顆粒與水流有相對運動時阻力對水力梯度的計算產生影響,為此在計算臨界水力梯度計算時添加阻力系數Cd[10],得到壩體物質發生滲透破壞時的臨界水力梯度計算公式:

(7)

毛昶旭[24]在分析大量試驗資料,認為可將d5作為發生管涌啟動顆粒的計算粒徑。僅當顆粒直徑小于孔隙通道直徑時才可以自由在孔隙中運移時,壩體時潛在不穩定的,孔隙通道直徑可在最小直徑與最大直徑之間選擇:

(8)

d0max=1.86d0min

(9)

(10)

式(2)～(10):G為顆粒水下重力,N;d為可啟動顆粒直徑,mm;d0為孔道直徑,mm;γw為水重度取1,kN/m3;γs為顆粒重度取2.65,kN/m3;Fd為拖曳力,N;μw為水粘滯度;v為水流速度,m/s;R為摩擦阻力,N;f為摩擦系數;α為孔隙傾斜角,(°);n為孔隙率;Cd阻力系數取4.24;Dh骨架顆粒有效粒徑,mm;β為形狀系數球形取6;ΔSi為骨架重第i組質量含量;Di為第i粒組的代表粒徑值。

為了驗證文本所推導公式的準確性及適用性,除了將其與本次試驗結果對比,同時以毛昶旭[24]研究中的試驗數據(表2中的6*、7*組數據)帶入,發現計算值與試驗值比較吻合(見表2)。

表2 試樣管涌臨界水力梯度的實驗值與計算值

3 結 論

本文開展了不同級配特征的堰塞壩材料,在不同水力梯度條件下的滲透試驗,分析了不同級配特征和不同水力梯度對堰塞壩材料滲透特性的影響,形成結論如下:

(1) 礦渣型堰塞壩材料的滲透系數隨著干密度的增加而減少,其實質是受孔隙比的影響,孔隙比越大,真實過水面積增加,相應的滲透系數越大。此外,從整體看滲透系數隨著不均勻系數的增加而增大。

(2) 發生滲透破壞的條件是粗細顆粒含量維持到一定比例關系。細顆粒含量的增加,試樣的抗侵蝕能力增強,但試樣中細顆粒含量超過一定值時,材料結構強度下降,容易在較低的水流下發生破壞。

(3) 在水力梯度的加載過程中,滲透力壓縮試樣導致其顆粒重新排列,使得有效孔隙減小,試樣的滲透系數降低。根據前人的對臨界水力梯度的研究分析,提出了臨界水力梯度計算公式,該公式可用于連續級配材料的管涌計算,但對于材料中某一粒組占比較多表現為級配不均勻時,計算結果準確率較差,還有待進一步驗證。

本研究通過埋設傳感器來監測內部滲流的發展,然而在礦渣型堰塞壩寬級配和非恒定流的影響下,滲透破壞出現的時間和空間具有不確定性,僅通過局部的傳感器并不能真實反映材料內部的滲透破壞過程,且接觸式傳感器埋設之后,對堰塞壩材料自身的滲透特性也會產生一定的影響。因此,在今后的研究中,將開展更大規模的滲透試驗,以盡可能的降低小尺度模型的邊界效應。