土工织物覆砂渗透特性试验研究

满晓磊，汤艺伟，张春伟，汪万升

(滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000)

充填管袋技术始于20世纪50年代[1]，最先被应用于国外的海岸防护工程中[2-4]；自1985年被引入中国后，凭借其优点在河口蓄淡水库、深水航道整治、近海交通设施、内河整治等多种基础设施的建设中得到广泛的应用[5-6]。但目前充填管袋坝的渗流机制尚不明确，渗透模型也未能建立，限制了充填管袋坝的渗流计算与分析，制约着新建坝体的结构设计与已建坝体的安全评价。

揭示充填管袋坝渗流机制的首要任务是探究单个管袋的渗流特性。由于单个管袋是由充填砂和袋体材料共同组成的非均质结构，故其渗透性能受到充填砂和袋体材料的共同影响。目前，对于管袋材料与充填料各自的渗透特性研究已比较充分。

对于影响管袋袋体材料—土工织物的渗透性能问题，国内外学者对不同条件下的土工织物的渗透系数进行了深入研究。对于无应变下的土工织物，周蓉等[7]通过对不同规格针刺土工织物连续24 h的反复实验,进行土工织布淤堵程度的量化分析和渗透性能的预测；PALMEIRA等[8]、李富强等[9]分析织物堵塞对渗透特性的影响，并提出压力折减系数与堵塞折减系数。此外，国内外学者还研究织物拉伸状态下的渗透反滤特性。HONG等[10]研究持续荷载、脉冲荷载以及复合荷载等不同类型的荷载作用下土工织物渗透系数的变化，试验结果表明：土工织物系统的整体渗透系数均随荷载的增大而增大；FOURIE等[11]对不同厚度的土工织物进行单向拉伸和双向拉伸试验，试验结果表明土工织物的等效孔径均会随拉力的变化而变化；WU等[12]对土工织物沿纬向施加单向拉力后进行透水试验和梯度比试验，试验结果表明土工织物在受到单向拉伸时等效孔径孔隙会增大，渗透系数也随之增大；陈轮等[13]则研究经向拉应变对土工织物渗透性能的影响，研究表明拉应变会使土工织物发生淤堵，进而降低土工织物的渗透性能；满晓磊等[14-15]通过横纵向吊袋脱水试验，间接说明经、纬向拉伸对土工织物渗透特性影响不同。

有关纯土的渗透性能研究主要从两方面进行：无黏性土渗透性研究和黏性土渗透性研究。其中，在无黏性土渗透性的研究方面，王小江等[16]通过试验发现：在粗砂岩的变形渗透破坏过程中，轴向应变和环向应变对渗透性的影响基本上呈阶段性一致，但渗透性对环向应变的变化更为敏感；王俊杰等[17]通过室内试验发现渗透系数随颗粒级配特征值d20和曲率系数的增大而增大，随干密度的增大而减小，随颗粒球形度的增大而减小；苏立君等[18]研究同一粒径级砂土渗透系数随孔隙率的变化和同一孔隙率下不同粒径级砂土渗透系数随均值粒径的变化规律，并拟合出渗透系数与相关影响因素的经验公式；孔令伟等[19]通过试验发现砂土渗透系数具有明显的细粒效应，渗透系数随着细粒的增加而降低。对于黏性土渗透性的研究方面，凌华等[20]研究应力条件下黏土的渗透性试验，结果表明在相同的应力条件下，颗粒和黏土的含量越高，土壤的渗透系数越小；梁建伟等[21]通过常水头渗流试验研究极细颗粒黏土的渗流特性，结果显示试样渗透系数随着孔隙液离子浓度的增大而增大。

而充填管袋渗透机制的研究主要受制于管袋材料的非均质性和充填料的非连续性，并且目前对于管袋材料与充填料组成系统的渗透特性研究相对较少，因此，有必要就土工织物覆砂条件下系统的渗透特性进行研究。为此，文中采用常水头渗透试验，分别探究纯砂条件下与土工织物覆砂条件下的渗透系数以及颗粒运移情况，并对比分析土工织物对充填砂渗透特性的影响。

1 渗透试验

通过室内常水头渗透试验，对土工织物覆砂和纯砂条件下的砂料渗水速率以及试验结束后渗透仪器内部砂料的级配数据进行采集计算，了解土工织物对砂料渗透系数的影响以及渗透过程中仪器内砂料的运移情况，进一步揭示充填管袋坝的渗流机制。

1.1 试验装置

试验采用TST-55型渗透仪(以下简称南55型渗透仪)，在渗透仪上方设置一个有水源供应的固定水箱，为渗透仪提供稳定的常水头条件，试验装置整体结构如图1所示。

图1 渗透试验装置

1.2 试验材料

本试验采用单位面积质量为200 g·m-2、等效孔径为0.31 mm的土工织物；砂料选用天然黄砂，其级配曲线如图2所示。

图2 砂料初始级配曲线

1.3 试验方案与步骤

在实际坝体工程中填充砂料的渗透系数除了与外部条件温差、水压力相关外还与自身孔隙率和颗粒级配等因素有关。为了有效地探讨土工织物对细粒砂渗透系数的影响，本试验严格控制砂料孔隙率、颗粒级配、有效粒径、中值粒径等影响因素不变，具体试验方案如表1所示。

表1 渗透试验方案

本试验为常水头渗透试验，在72 cm高的水头作用下待渗透装置出水管口有稳定水滴逸出后即可开始秒表集水计时并记录数据。每记录一次数据算出该数据下的渗透系数，当渗透系数保持不变时试验结束。渗透系数具体计算公式为

式中：k为渗透系数；M为一次数据记录下的渗出水质量；L为仪器内填料高度；A为装置出水口过水断面面积；t为一次集水时间；H为测压管水头差。

在渗透试验结束后将环刀内充填砂取出，并按层从下到上均等分为4层块，其中，试验A的4个层块分别记作：A1，A2，A3，A4；同理，试验B的4个层块分别记作：B1，B2，B3，B4。

2 试验结果分析

2.1 土工织物对渗透系数的影响

将充填料分别压实到同一孔隙率进行渗透试验，根据各组试验整体渗透系数随时间变化结果，绘制A,B两组试验渗透系数随时间变化曲线,如图3所示。由图3可知,A,B两组试验渗透系数随时间变化趋势明显不同，其中,A组渗透系数曲线在试验前期呈抖动式上升，主要是因仪器内细砂颗粒在水流渗透力作用下由渗水口渗出，形成通道，在通道稳定之前细颗粒的运移会形成频繁的淤堵以及淤堵破坏的现象。试验后期渗透系数逐渐趋于稳定，是因为形成稳定的颗粒通道结构；而试验B的渗透系数变化曲线呈现抖动下降变化，这是因为土工织物对于充填砂中细颗粒的流失具有抑制作用，在渗流过程中逐渐形成致密的反滤层结构，最终渗透系数不再发生变化，达到渗透稳定。

图3 A，B组试验渗透系数对比

2.2 仪器内颗粒运移规律

将试验A，B结束后的各层砂用BT-9300H型激光粒度分布仪测试其级配，测试结果如图4、图5所示。由图可知，试验结束后，A，B两组填料的各层砂料级配变化趋势大体相同，仪器内砂颗粒空间位置上表现为上细下粗。由下到上填充料逐渐变细，主要是由于大颗粒缝隙间的细颗粒在水流渗透力的作用下沿水流方向向上移动，且试验前期有部分细颗粒由渗透仪出水口处渗出，在细颗粒上移的过程中会形成渗流通道，与此同时，部分大颗粒通过通道发生沉降现象。在大颗粒沉降的过程中又会重新填堵通道，由此往复，最终表现为试验前期渗透系数抖动变化。

图4 A组各层砂颗粒级配曲线

图5 B组各层砂颗粒级配曲线

由图4可知，纯砂条件下待试验结束后A3层砂料细颗粒含量最多，这是因为随水流渗透力流到最上层的细砂颗粒由出水口处流出，使得最上层细颗粒占比降低。与此相反的是，如图5所示，在土工织物覆砂条件下待试验结束后最上层B4层的细颗粒含量最多，说明土工织物对随水流渗透力作用上移的细颗粒具有拦截作用。

图6所示为试验A，B结束后最上层的砂料颗粒级配，由图6可知，在土工织物覆砂条件下，渗透试验结束后上层堆积更多的细颗粒砂料。由图4、图5可知，在土工织物覆砂条件下，试验结束后各层间的级配曲线较纯砂条件下的更为离散；又由图6可以看出，土工织物覆砂较纯砂条件下试验结束后最上层的细颗粒含量更高，说明土工织物对仪器内砂料产生反滤作用，从而使得细颗粒很难流出，堆积在最上层，而上层细颗粒的大量堆积会对土工织物产生淤堵作用，进而使试验B的渗透系数呈下降趋势。当反滤与淤堵结构稳定时渗透系数降到最低并趋于稳定。

图6 A，B组试验最上层砂级配曲线对比

图7所示为A，B两组试验在整个渗透试验过程中收集的渗出水。由图可知，有土工织物的渗出水较无土工织物时的浊度更低，达到渗透平衡时的渗水量更少，说明土工织物的存在对砂土料的正常渗透产生较为严重的淤堵与反滤作用。

图7 A，B组试验集水对比

3 结论与展望

1)在常水头渗流过程中细颗粒填充料在水流渗透力的作用下沿水流方向运移，而土工织物对于砂料中的细砂颗粒的流失具有抑制作用，并可与砂料形成致密且稳定的反滤结构，因此，土工织物覆砂条件下的渗透系数小于同级配纯砂的渗透系数。

2)充填砂以及袋体材料的渗透性能各异，且存在相互影响是导致单管袋渗透系统的渗流机制至今无法明确的主要原因。而本试验及其结论仅能显示土工织物覆砂系统对渗透系数有影响，但具体的影响范围、影响程度还有待进一步试验探究。