河床下切深度对二元堤基渗透变形的影响

刘光磊,王保田,李守德

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098)

河流位置不同,河床下切深度也不同,同一河段的左、右岸也会因河水冲刷作用差异等产生不同的下切深度,因此,在进行堤坝灾害防治时,应根据河床下切深度采用相应的处置方法.目前许多学者的模拟试验研究都是在上游入渗条件不变的情况下进行的,他们通过室内试验或数值计算来研究渗透变形,所采用的入渗方式大多为点入渗和平行入渗2种.如:陈西安等[1-3]采用点入渗方式模拟了河床底面刚好与堤基透水层接触的情况,但这种情况实际并不多见;张家发等[4-12]采用平行入渗方式模拟了模型给水深入透水层底部,即整个透水层临水的情况,这种情况不仅少见,而且试验结果也过于保守.堤基现场地质勘探资料显示,介于平行入渗和点入渗之间的入渗情况较为普遍,但目前关于河床下切深度对渗流场影响的研究却很少.为此,笔者针对较为普遍的二元结构堤基,即上、下层分别为弱透水性的黏性土和强透水性的细砂土,通过逐步改变河床下切深度的二维室内砂槽模型试验,研究了渗透变形的发生和发展过程.

1 模型及试验方法

室内试验所采用的渗流模型如图1所示,其长、高、宽分别是200 cm,100cm,10 cm.距左侧40 cm处设有进出水装置,通过该装置进出水阀门的开闭来调节上游水头,水头调节间距为5 cm.距左侧100 cm和198 cm处分别设有直径2 cm的圆形渗流出口,即出水口和远处溢出口.出水口用来模拟堤脚附近所存在的薄弱环节或管涌口,通过出水口可以观察二元结构堤基下层透水层的渗透变形情况;远处溢出口用于模拟无穷远处的渗流出口.为便于观察土的渗透变形过程,试验模型外壁采用1 cm厚的透明有机玻璃.为了监测沿程的水头变化情况,在仪器一侧距顶部向下20 cm和40 cm处各设置了一排测压管.此外,还设置有饱和装置,供试验前饱和土样之用.

图1 砂槽渗流模型Fig.1 Seepage model of sand flume

为模拟二元结构堤基,模型下层填筑85 cm厚的具有相对强透水性的细砂层,上层填筑15 cm厚的具有弱透水性的粉质黏土.为保证室内试验和现场情况的相似性,上述2种土均取自于长江大堤南京段.粉质黏土的渗透系数为6.16×10-6cm/s,干密度为1.6g/cm3,相对密度为2.75;细砂的渗透系数为1.28×10-2cm/s,干密度为1.42g/cm3,孔隙率为42%,相对密度为2.65.

上游进水装置下方设置了塑料排水板,通过调节排水板的埋置深度,可将上游水头引至透水层相应位置,从而达到模拟河床下切进入细砂层深度H′变化的目的.本试验共分5组,5组的H′分别为0cm,10cm,20 cm,30 cm,40 cm.在进行每组试验时,上游水头从7 cm起开始提高,待一级水头稳定后再提高下一级水头,每级水头的提高幅度为5 cm.每一组试验都由渗透变形发生到最终破坏,即形成贯通的通道时结束.由于砂土材料结构不均等因素的影响,破坏水头的形成不确定因素很多,因此,本次试验偏重于渗透变形发生的研究.

表1 试验结果Table 1 Results of laboratory tests

2 试验结果及分析

2.1 临界及破坏水头变化

试验结果如表1所示.从表1可以看出:当临界水头由22 cm降为17 cm时,破坏水头由42cm降为37cm;当临界水头由17 cm降为12 cm时,破坏水头由37 cm降为32 cm.这表明,塑料排水板下切细砂层深度对渗流场渗透变形的发生和发展都有一定的影响,塑料排水板下切细砂层越深,临界水头和破坏水头就越低.从表1还可以看出,第5组与第6组试验所得到的临界水头和破坏水头一样.这说明,河床下切超过一定深度后,河床下切深度对研究区域内渗透变形影响幅度会减小.

2.2 测压管水头沿程变化

为了说明上游水头不变情况下,渗透变形发生前渗流场受排水板下切深度的影响,绘制了上游水头为12 cm时的测压管水头沿程变化曲线,如图2所示.从图2可知:随着排水板下切深度H′的增加,曲线位置会不断向上抬升,即研究区域内相同位置的水头值在增加;随着排水板下切深度H′的增加,相邻曲线间的距离也越来越小,即下切深度对渗流场的影响越来越小.

图2 上游水头12 cm时,不同下切深度H′下测压管水头沿程变化曲线Fig.2 Hyd rographs of water head in piezometric tube under different entrenchment depths for upstream level=12 cm

2.3 渗透变形的发生和发展

根据物理指标,可判断试验细砂破坏属流土类破坏.试验结果表明:在渗透变形刚发生时,出水口出现浑浊现象(图3),出水口下方黏性土与细砂土接触处出现流土型破坏,并且出水口附近的细砂体呈现蜂窝状(图4);随着上游水头的增加,浑浊现象更加明显,蜂窝状砂体部位也在扩大,出水口下方出现向上游发展的接触冲刷现象(图5);当上游水头达到破坏水头时,出现明显的接触冲刷和渗流通道贯通现象(图6);通道形成后,出水口渗流量明显增加,而远处溢出口流量有所下降.

图3 出水口的浑浊现象Fig.3 Turbidity at outlet

图5 出水口下方的接触冲刷现象Fig.5 Contact scour below outlet

图6 渗透变形发展的通道Fig.6 Channels for generation and development of seepage deformation

2.4 出水口流量变化

出水口渗流量与上游水头关系曲线如图7所示.从图7可知,在渗透通道贯通前,各曲线近似为直线,即出水口渗流量随着上游水头的增加而增加,而局部渗透变形对出水口流量的影响并不明显.图7所示最后一级水头为破坏水头,流量因通道发展至上游入水口而急速增加,记录的仅为贯通后的某一瞬间数值.图7表明,当 H′从 0 cm增加到10 cm,再从 10 cm增加到20 cm时,同一上游水头下的出水口渗流量会相应增加,但当H′＞20 cm时,曲线几乎重合.这说明排水板下切深度对出水口渗流量的影响仅在一定范围内产生.试验结果表明,当下切度P′≥0.24时,排水板下切深度对出水口渗流量的影响就趋于稳定了.

图7 出水口渗流量与上游水头关系曲线Fig.7 Relationship between seepage discharge at outlet and upstream water level

3 结 论

a.相同上游水头作用下,随着河床下切深度的增加,研究区域内渗流场会发生变化,临界水头和破坏水头均有所降低;当河床下切到一定深度,即下切度P′达到某一数值(0.5)后继续增加时,河床下切深度对渗流场的影响就趋于稳定.

b.二元结构堤基中渗透变形的发展过程:首先在出水口下方出现流土类破坏;随着上游水头的增加,流土范围向出水口上游并在深度上有所发展,而且有向上游发展的接触冲刷现象出现;至破坏水头时才出现明显接触冲刷现象,以致渗流通道贯通.

c.局部渗透变形的发生对出水口渗流量的影响并不大,渗流量基本上还是随着上游水头变化而变化;河床下切度对出水口渗流量的影响仅在某一数值范围(0～0.24)内产生,超过这一范围,影响就很小了.

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