不同水流作用對單向拉伸編織布覆砂系統滲透性能的影響

戎夢玉,滿曉磊,吳英杰,路承斌,王晗悅

(滁州學院土木與建筑工程學院,安徽 滁州 239000)

土工織物作為一種新型的反濾材料,具有質量輕、運輸方便、價格低廉、排水通暢、便于施工等優點,被廣泛應用于土建、水利等工程中[1-2]。憑借這些優點,可將土工織物制成土工管袋應用于充填管袋筑堤技術[3]。相較于傳統的土石筑堤技術,充填管袋筑堤技術具有可就地取材、工藝簡單、價格低廉、工期可控等優勢,因此得以在國內外快速發展[4-5]。相關研究[6]表明,充填管袋自身的滲透性能是管袋壩整體穩定性的重要影響因素之一,因而充填管袋滲透性能已成為當下國內外眾多學者研究的熱點問題。

充填管袋是由土工織物和充填土料組成的土-土工織物系統,因此管袋的滲透性能受土工織物和充填土料的共同影響。關于土工織物對管袋滲透性能的影響,已有研究表明,土工織物的堵塞情況[7]、孔隙率、孔徑大小[8]、等效孔徑[9]等因素均會對管袋的滲透性能產生影響。為進一步揭示土工織物對管袋滲透性能的影響機制,滿曉磊等[10]在常水頭滲透試驗研究中發現土工織物會抑制充填砂中細顆粒的流失。李國棟等[11]利用自主改進的梯度比實驗裝置,對不同的土工織物進行滲透試驗,結果表明不同條件下土工織物的滲透性能也不同。翟超等[12]在常水頭作用下對3種不同孔徑的土工織物進行梯度比試驗,結果表明梯度比隨著土工織物孔徑的增加而減小。王微等[13]采用正交試驗對處于單向水流作用下的無紡土工織物的透水性能及反濾性能進行研究,得出其與水力學參數之間的相關關系。蔚成亮等[14]采用室內試驗與圖像分析相結合的方法,對處于單向水流作用下的管袋壩芯砂體破壞并沿袋間接縫流失的問題進行研究。滿曉磊等[15]分別在有、無土工織物覆砂條件下進行常水頭滲透試驗,擬合得到純砂及土工織物覆砂系統滲透系數的經驗公式。關于充填土料對管袋滲透性能的影響,顆粒級配和黏粒含量等充填料參數均會對土工織物覆砂系統的滲透性能產生影響。

在實際工程中,充填管袋的袋體織物因受沖灌力而產生應變[16]。針對袋體織物的應變是否會對管袋的滲透性能產生影響的問題,相關研究發現,織物的拉應變越大,有紡織物的透水性能及防淤堵性能越強,保土性能越弱,無紡織物則與之相反[17],并且隨著拉應變的增大,土工織物的滲流流速也增大[18],而這種拉應變的影響程度與土工織物的厚度有關[19]。拉伸作用之所以會對土工織物覆砂系統的滲透性能產生影響,主要原因是拉應變改變了土工織物的等效孔徑[20],拉應變的增加會使無紡織物孔徑減小,有紡織物孔徑增加[21]。

根據以上所述,目前對充填管袋的滲透性能的研究均是在單向水流作用下進行的。而實際工程中,大多數管袋應用于河口海岸處,遭受水流沖刷,經受往復水流作用。因此,對處于不同水流作用下單向拉伸編織布覆砂系統的滲透性能進行研究才更符合實際工程情況。

本文在傳統的梯度比滲透儀的基礎上進行了創新改良,并使用該滲透試驗裝置對自然狀態下和經單向拉伸后的土工織物覆砂系統在單向和往復水流作用下的滲透性能進行試驗研究,對比分析不同水流作用對單向拉伸編織布覆砂系統滲透性能產生的影響。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

采用自主研制的能提供單向水流和往復水流的滲透試驗裝置,如圖1所示。

圖1 不同水流滲透試驗裝置

該裝置由梯度比滲透儀、往復水流發生器和數據采集裝置3部分組成,其可為單向拉伸狀態下的土工織物覆砂系統提供單向和往復兩種不同的水流作用,并可測定其梯度比、滲流流速和漏砂量等滲透性能參數。

本次滲透試驗中采用的充填料為非連續級配砂料,其中粗砂占40%,中砂占50%,細砂占10%。

本試驗中所用土工織物為單位面積質量為120 g/m2和150 g/m2的聚丙烯裂膜絲編織布,其具體規格參數如表1所示。

表1 土工織物規格參數

1.2 試驗方法

1.2.1 單向水流作用試驗方法

1)將W120和W150的編織布裁剪成長為20 cm,寬為15 cm的長方形。

2)將裁剪得到的土工織物分別放置在具有伺服系統的萬能拉伸機的拉伸模具中,并以6 mm/min的速率單向拉伸至3%。

3)拉伸完成后,組裝梯度比滲透儀。用梯度比滲透儀的上筒和下筒將拉伸狀態下的土工織物固定,并剪去多余部分的土工織物。在組裝過程中,為加強儀器的密封性能,土工織物與上筒以及土工織物與下筒之間用發泡膠帶粘一圈后再使用螺絲固定夾具。

4)組裝完成后,將配制完成并混合均勻的砂樣裝入安裝好的梯度比滲透儀中。

5)打開給水裝置,使水流由出水口進入,使水流緩慢浸透土料。試驗前土料應浸泡12 h,使土料中的氣泡排盡,減少試驗誤差。

6)浸泡完成后,將試驗裝置的左側集水室關閉,使裝置成為一個單向水流滲透試驗裝置。

7)使土工織物覆砂系統在單向水流作用下持續一段時間,觀察并記錄在單向水流作用下測壓管和電子秤讀數的變化,再根據達西定律,求出滲流流速和梯度比等滲透系數,繪制其隨時間變化的曲線圖。

8)試驗結束后,將筒內充填料取出,烘干并計算漏砂量。

1.2.2 往復水流作用試驗方法

1)織物的裁剪、拉伸、裝置組裝、砂樣裝填以及砂樣浸泡等步驟與單向水流作用滲透試驗中相同。

2)浸泡完成后,將試驗裝置的左側集水室打開,使裝置成為一個往復水流滲透試驗裝置。

3)將土工織物覆砂系統置于周期往復的水流作用下,并持續24T(1T=1.5 h),觀察并記錄在往復水流作用下測壓管和電子秤讀數的變化,再根據達西定律,求出滲流流速和梯度比等滲透系數,最后繪制其隨時間變化的曲線圖。

4)試驗結束后,將筒內充填料取出,烘干并計算漏砂量。

2 試驗結果與分析

2.1 不同水流作用對土工織物覆砂系統滲透性能的影響

根據達西定律可知,在水力梯度相同的情況下,流速與滲透系數成正比,因此,本文使用土工織物覆砂系統的滲流流速來反映其滲透性能。單向和往復水流作用下土工織物覆砂系統流速隨時間的變化情況如圖2和圖3所示。

圖2 單向水流作用下流速隨時間變化圖

由圖2可以看出,在單向水流作用下,各土工織物覆砂系統的滲流流速隨著試驗時間的持續均呈現出先減小后趨于穩定的趨勢。不同之處在于,同種拉伸狀態下不同規格的土工織物滲流流速不同,并且同種規格的土工織物在不同的拉伸狀態下其覆砂系統的滲流流速也不同。

未拉伸狀態下,W150的土工織物覆砂系統滲流流速相較于W120明顯較大,而單向拉伸后,W150的土工織物覆砂系統滲流流速相較于W120的明顯較小。通過比較同一規格的土工織物拉伸前后的覆砂系統滲流流速大小可以發現,單向拉伸后的土工織物滲流流速明顯增大,并且W120的增幅要明顯大于W150的增幅。由此可知,土工織物在自然狀態下,其覆砂系統的滲流流速大小與土工織物規格(單位面積質量)呈正相關的關系,而拉伸會使得土工織物孔徑變大,進而導致其滲流流速變大。在相同應變的拉伸狀態下,單位質量較小的土工織物孔徑會變得更大,因此拉伸會使土工織物覆砂系統的滲流流速與其規格(單位面積質量)呈負相關關系。

由圖3可以看出,在往復水流作用下,各土工織物覆砂系統的滲流流速隨著試驗時間的持續均呈周期性波動變化,并且各波波峰的出現時間均大致相同,不同在于各波峰的峰值有所差別。其中,未拉伸狀態下,相較于W150,W120的土工織物覆砂系統滲流流速較大。由圖3中同種規格的土工織物拉伸前后的覆砂系統滲流流速曲線波峰值的比較可知,單向拉伸后,土工織物覆砂系統的滲流流速減小。由此可知,在往復水流作用下,單向拉伸會使土工織物覆砂系統的滲流流速減小,并且土工織物規格(單位面積質量)越大,其覆砂系統的滲流流速越小,滲水率越小。該現象的產生主要是由于水流在沖刷時,非連續級配土中粒徑較小的土顆粒被沖刷至土-土工織物最上方,而粒徑較大的土顆粒落下,當土工織物的孔徑過大時,粒徑較大的土顆粒會卡在土工織物孔隙中,導致其覆砂系統的滲流流速減小,滲水率減小。

2.2 不同水流作用對土工織物覆砂系統防淤堵性能的影響

梯度比是反映防淤堵性能的直觀參數,梯度比越小,防淤堵性能越好。單向和往復水流作用下土工織物覆砂系統梯度比隨時間的變化圖如圖4和圖5所示。

圖5 往復水流作用下梯度比隨時間的變化圖

由圖4可以看出,在單向水流作用下,各土工織物覆砂系統的梯度比均先隨試驗時間的持續而增大,并在約22 h后趨于穩定。不同在于,未拉伸時,W120土工織物覆砂系統的梯度比大于W150土工織物覆砂系統的梯度比。單向拉伸后,土工織物覆砂系統的梯度比減小,說明土工織物規格越大,土工織物覆砂系統的梯度比越小,防淤堵性能越好。該現象產生的原因在于拉伸會使土工織物孔徑變大,進而使其覆砂系統的梯度比減小,防淤堵性能變好。

由圖5可以看出,在往復水流作用下,各土工織物覆砂系統的梯度比隨試驗時間的持續呈周期性變化,并且隨著試驗時間的延續,其振幅逐漸變小,梯度比減小。不同之處在于,未拉伸時,相較于W120,W150土工織物覆砂系統的梯度比較大。由圖5中同種規格土工織物拉伸前后的覆砂系統梯度比曲線波峰值的比較可知,單向拉伸后,土工織物覆砂系統的梯度比增大,防淤堵性能變差,并且單向拉伸后,相較于W150,W120土工織物覆砂系統的梯度更大。由此可知,在往復水流作用下,自然狀態下的土工織物規格越小,其覆砂系統的梯度比越小,防淤堵性能越好。單向拉伸后,土工織物規格越大,其覆砂系統梯度比越小,防淤堵性能越好。該現象產生的主要原因是,在水流的沖刷下,非連續級配砂料中粒徑較小的砂顆粒被沖刷至土-土工織物上層,而粒徑較大的土顆粒與孔徑較大的土工織物接觸時形成了淤堵,土工織物孔徑較小時,因為水流的周期性沖刷,淤堵較小,當土工織物孔徑大到一定程度時,會有一部分孔徑比砂顆粒大,無法形成淤堵,所以梯度比較小。

2.3 不同水流作用對土工織物覆砂系統保土性能的影響

漏砂量能直觀地反映出土工織物覆砂系統的保土性能。漏砂量越小,保土性能越好。不同水流作用下W120和W150土工織物覆砂系統的漏砂量如圖6、圖7所示。

圖7 不同水流作用下W150土工織物覆砂系統的漏砂量

由圖6、圖7可以看出:在單向水流作用下,土工織物拉伸后,其覆砂系統的漏砂量大于未拉伸時土工織物覆砂系統的漏砂量;在往復水流作用下,土工織物拉伸后,其覆砂系統的漏砂量小于未拉伸時土工織物覆砂系統的漏砂量。這說明,往復水流作用時未拉伸的土工織物覆砂系統的保土性能較差,而單向拉伸可使土工織物覆砂系統的保土性能變好;單向水流作用時未拉伸的土工織物覆砂系統的保土性能優于單向拉伸后的土工織物覆砂系統的保土性能。由圖6、圖7對比可知,單向水流作用時土工織物覆砂系統的漏砂量遠小于往復水流作用時土工織物覆砂系統的漏砂量。這說明往復水流作用時土工織物覆砂系統的保土性能弱于單向水流作用時土工織物覆砂系統的保土性能。

3 結論

1)單向水流作用時,土工織物單向拉伸使土工織物覆砂系統的滲透性能和防淤堵性能增強,保土性能減弱。

2)往復水流作用時,土工織物單向拉伸使土工織物覆砂系統的滲透性能和防淤堵性能減弱,保土性能增強。

3)往復水流作用對單向拉伸土工織物覆砂系統滲透性能的影響遠大于單向水流作用對單向拉伸土工織物覆砂系統滲透性能的影響。