基于新型导渗结构的散浸险情抢险效果试验研究

赵延浩 王金龙 张伟 裴怡

摘 要：在长江中下游历史险情资料调研的基础上，提出了一种盲沟管与传统人字沟相结合的新型导渗结构，并开展了不同水力梯度下不同土工织物长期淤堵试验和新型导渗结构排水物理模型试验。结果表明：改进后的盲沟管具有良好的反滤排水特性和抗淤堵特性，可为汛期散浸险情抢险提供参考。

关键词：盲沟管；新型导渗结构；抗淤堵特性；散浸；抢险效果

中图分类号：TU46+2；TV443                             文献标志码：A

0 引言

2020年汛期，长江中下游堤防工程累计出现各类险情4 335处。其中，管涌1 439处、散浸1 524处，共占险情总数的68.3%，可见管涌和散浸是堤防险情最主要的类型[1]。而开沟导渗是处理散浸险情最有效的措施之一，通过导渗沟排水来控制渗流范围、引导渗流方向、降低浸润线、加速孔隙水压力消散从而增强堤坡的渗透稳定性[2]。传统导渗沟多用人工开挖，砂石料回填，耗费大量人力物力，抢险效率低，亟需一种携带轻便，价格低廉，可高效利用的新型导渗结构来满足汛期抢险的需求。已有的工程经验表明，土工织物作为堤防工程防排水系统的“反滤层”，其抗淤堵性能是新型导渗结构能够长期稳定运行的一个关键技术难题。如果选用不合适，可能导致排水性能不满足要求，造成不可预计的危害[2]。国内外学者[3-10]针对影响土工织物抗淤堵性能的各种因素进行了大量的淤堵试验研究。现阶段的研究[11-18]主要是利用土工织物淤堵试验仪或改善后试验设备开展渗流梯度比试验，分析水力梯度、土工织物和土体中的颗粒直径等因素对土工织物抗淤堵性能和透水性能的影响，而没有结合实际散浸险情下导渗结构的防排水结构特点进行研究。

本研究选取汉江李家洲险段散浸险情点的土样作为室内模型试验的试样，比选出5种土工织物作为滤层，用自制试验仪进行了长期淤堵试验，测定在一定水流条件下土与不同土工织物系统的渗透系数和抗淤堵情况。依据淤堵试验结果，推荐一种适合新型导渗结构的土工织物，作为盲沟管的滤布。构建新型导渗结构排水试验模型，通过试验分析4种工况条件下新型导渗结构的排水效果和反滤性能，最终提出适用于散浸险情抢险的新型导渗结构。

1 試验材料

1.1 试验土样

参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），对汉江李家洲险段（桩号212+500～213+380）土样进行颗粒分析试验，根据得到的土样颗粒组成情况（见表１），将该土样定名粉细砂。

1.2 土工织物试样

试验所采用的土工织物共5种。3种白色聚丙烯长丝针刺土工布，规格型号为300 g/m2、400 g/m2、500 g/m2，试验编号分别为C1、C2和C3；短纤针刺非织造土工布和软式透水管滤布，试验编号为C4和C5。依据《土工合成材料测试规程》（SL 235—2012）[20]进行取样、称量及试验，5种土工织物的物理特性见表2。

2 长期淤堵试验

2.1 试验装置和试验方法

长期淤堵试验选用小型垂直渗透仪（见图1）。在试验仪器准备就绪后，将土工织物平铺在透水板上，土样松填在土工织物上，土样装填按照干密度1.053×103 kg/m3控制，装样高度为10 cm。试验前将上下游测压管关闭，并从仪器底部进水口进水，缓慢抬升水头直至土样饱和，样面出水后将土工织物和填土浸泡5 h以充分排气饱和。排水试验时，改为顶部进水，底部排水，水流方向为自上向下，通过滤层的水流进入下游室后从侧向排出。试验过程中通过供水系统进行水位调节，观测记录水位、流量数据。试验中逐级抬高上游水位，总水头差分别为10、30、50、100 cm，对应水力梯度i为1、3、5、10。长期排水淤堵试验共历时63 d，试验完成后，取出5种土工织物试样，清除附着在其表面的浮土后进行烘干，称量淤堵物质量，以评价土工织物抗淤堵特性。

2.2 试验结果分析

试验系统渗透系数（土工织物+土样）按照常水头渗透系数公式计算：

式中：K为通过土工织物的渗透系数（mm/s）；t为时间（s）；Q为在时间t内渗出的水量（mm3）；L为渗径（mm）；A为试样面积（mm2）；H为上下游水头差（mm）。

历时63 d不同水力梯度（i=1，3，5，10）的长期淤堵试验中，下游出水一直保持澄清，仅有少量细颗粒进入滤层，但是土样没有任何渗透破坏现象，说明5种土工织物的反滤效果良好，可适应长期的反滤排水情况。

不同水力梯度下，试验系统渗透系数随时间的变化曲线如图2所示。可知，试验系统渗透系数随着试验时间的延长均有不同程度的降低，原因主要有两个方面，一方面，土工织物长期排水存在一定的淤堵；另一方面，本次试验采用松填土样，随着渗透坡降的增加，土体挤密，造成系统渗透系数的降低。试验坡降变化时，曲线均出现一定程度的波动，表明试验系统产生了一定的调整，之后逐步趋于稳定。C3试验系统渗透系数降低幅度最大，C5试验系统渗透系数降低幅度最小，防淤堵性能最优。

试验后土工织物内淤堵物质量见表3。可知，淤堵试验结束后分析了土工织物淤堵物质量，C3淤堵物质量最大，为7.4 g；C5试验系统淤堵物质量最小，为4.9 g，也表明C5试验系统防淤性能最优。

试验前后土工织物渗透系数见表4。可得，长期淤堵试验后土工织物渗透性均有降低，渗透系数约减小一个数量级，其中C3试验系统降低幅度最大，C5试验系统最小。

造成长期淤堵试验系统渗透系数下降的原因还有很多[17]，比如气泡的影响，纤维类织物（C1、C2、C3、C4）具有一定的滤气作用，可导致土工织物渗透系数衰减到10-4～10-5 cm/s，而编织类织物（C5）则滤气现象不明显，受气泡影响相对较小。纤维类土工织物孔隙率在一定渗透压力下可迅速下降，可高达50%左右，使其过水断面大幅降低织物截留细小土颗粒的能力增强，进而导致纤维织物渗透性降低，而编织类土工织物孔隙率随压力变化影响相对较小。

综上，通过比较土工织物反滤排水性能、试验系统渗透系数变化规律，淤堵物重量等，可知C5试验系统综合性能最好，其采用的软式透水管滤布可以作为新型导渗结构的反滤层。

3 新型导渗结构排水模型试验

3.1 试验模型

选用软式透水管滤布作为新型导渗结构中盲沟管的反滤层，并结合实际抢险工况，研制了新型导渗结构排水模型，开展系列反滤排水试验，检验新型导渗结构的排水效果，为散浸险情处理提供参考依据。

研制的试验模型如图3所示，尺寸为100 cm×80 cm×100 cm（长×宽×高），试验模型底部为上游进水室，试验过程见图4。

3.2 试验方法

采用汉江李家洲险段（桩号212+500～213+380）散浸险情点土样模拟土石堤坝填筑料，选用直径10 cm的盲沟管作为新型导渗结构的排水管。盲沟深30 cm，宽20 cm，长80 cm。依据通常开沟导渗处置可能出现的情况，模型试验设计了盲沟管周围4组不同回填土料工况，分别为：工况PS1，盲沟管周围直接回填原位土；工况PS2，盲沟管周围回填粗砂；工况PS3，盲沟管周围模拟泥浆回灌（原位土掺＜0.075 mm细粒，＜0.075 mm颗粒含量按15%控制）；工况PS4，盲沟管周围垮塌的地基土随水流包裹盲沟管。

模型采用分层装样，高50 cm，每层10 cm，盲沟管埋深30 cm，见图4（a）。共布置了5支测压管观测水头，其中，1#测压管为试验供水水头，对应堤基水位，2#测压管为盲沟管内水头观测，3#、4#、5#测压管对应距离盲沟管10 cm、30 cm、80 cm沟底高程处，见图4（b）。试验模型装填完成后，关闭盲沟管出口，从模型底部供水，逐步升高供水水头至试样表面高程，并饱和试样，初始试样饱和状态见图4（c）。试样饱和后，打开盲沟管出水口开始排水，试验过程中观测记录排水量及测压管水头，直至水位和流量稳定，见图4（d）。4组模型试验除了盲沟管范围内填料不同外，其余部分土体均为初期一次填筑，根据试验方案不同，将盲沟范围内土体进行挖出换填，见图4（e）。

3.3 试验结果与分析

总体上看，不同工况下盲沟管出水口仅有少量细土颗粒析出，水流保持清澈，表明新型导渗结构反滤特性良好。

不同工况下新型导渗结构排水稳定时浸润线位置见图5。可知，当排水稳定时，PS1、PS2浸润线较低，对周围土体排水减压效果较好，PS4周围土体浸润线较高，对周围土体排水减压效果较差。

3#测压管水位下降值（相对于初始水位值）变化过程见表5。可知，新型导渗结构周围土体水位均出现下降，排水10 min内各观测點处水位降低最快，随后水位缓慢下降直至最终稳定，从最终稳定水位看，PS2水位下降幅度最大，为19.6 cm；PS4水位下降幅度最小，为6.7 cm。试验结果表明PS2对周围土体的排水减压效果优于PS4。

不同工况下新型导渗结构排水量随时间变化过程见图6。可知，随着排水时间的延长，新型导渗结构的排水量均有一定程度的降低并逐渐趋于稳定，PS1、PS2、PS3、PS4稳定流量分别为16.8 ml/s、16 ml/s、6 ml/s、1.03 ml/s，PS1排水效果最好，PS4排水效果最差。盲沟管排水量在PS1、PS2工况下较快达到稳定状态且排水量较大，说明在这两种工况下，盲沟管与周围土地能迅速形成了稳定的反滤排水结构。PS3工况下排水量随时间不断减小，且持续时间较长，说明所掺的模拟泥浆回灌的粘粒会导致导渗结构的排水能力随时间不断减弱。PS4工况下在较短的时间内排水量就迅速降低直至丧失排水性能，原因是盲沟管滤布较易被垮塌的土水混合物淤堵，说明盲沟管在浑水情况下的抗淤堵性能较弱。

综上可知，新型导渗结构在滤层不发生淤堵的条件下，可以有效降低周围土体内的水位，达到处理散浸险情的目的，但实际应用时，应避免泥水混合物对盲沟管滤层的淤堵。

4 结论

通过长期淤堵试验对盲沟管的反滤层进行选材，且通过新型导渗结构排水模型试验来研究不同回填工况对采用C5反滤层的新型导渗结构排水性能的影响，主要结论如下。

（1）长期淤堵试验结果表明，土工织物作为新型导渗结构的反滤层是可行的，其中透水软管滤布（透水性土工织物及聚合物纤维编织物）防淤堵性能较优。

（2）新型导渗结构可以有效排出周围土体中的水，对一定范围内土体浸润线降低具有明显作用，可以用于散浸险情的处置。

（3）软式透水管滤布本身排水性较好，当滤层渗透性显著大于周围土体时，排水量主要受盲沟管周围土体渗透性的影响，实际应用中应尽量避免土体垮塌产生的土水混合物向排水管汇流聚集对排水滤层的淤堵。

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Abstract：Based on the investigation of historical dangerous situations in the middle and lower reaches of Yangtze River，we propose a new type of permeable structure combining blind drainpipe with traditional herringbone groove. To evaluate the drainage performance of the new seepage structure，we conducted long-term clogging tests on different geotextiles under varying hydraulic gradient and drainage physical model tests of the new permeable structure. Results indicate that the improved blind drainpipe boasts excellent antifiltering and drainage properties. The findings provide valuable insights into effective measures for responding to diffuse and infiltrated hazardous conditions during flood season.

Key words：blind drainpipe；new permeable structure；anti-clogging characteristics；spreading soaking；emergency rescue effect