不同水流作用对单向拉伸编织布覆砂系统渗透性能的影响

戎梦玉,满晓磊,吴英杰,路承斌,王晗悦

(滁州学院土木与建筑工程学院,安徽 滁州 239000)

土工织物作为一种新型的反滤材料,具有质量轻、运输方便、价格低廉、排水通畅、便于施工等优点,被广泛应用于土建、水利等工程中[1-2]。凭借这些优点,可将土工织物制成土工管袋应用于充填管袋筑堤技术[3]。相较于传统的土石筑堤技术,充填管袋筑堤技术具有可就地取材、工艺简单、价格低廉、工期可控等优势,因此得以在国内外快速发展[4-5]。相关研究[6]表明,充填管袋自身的渗透性能是管袋坝整体稳定性的重要影响因素之一,因而充填管袋渗透性能已成为当下国内外众多学者研究的热点问题。

充填管袋是由土工织物和充填土料组成的土-土工织物系统,因此管袋的渗透性能受土工织物和充填土料的共同影响。关于土工织物对管袋渗透性能的影响,已有研究表明,土工织物的堵塞情况[7]、孔隙率、孔径大小[8]、等效孔径[9]等因素均会对管袋的渗透性能产生影响。为进一步揭示土工织物对管袋渗透性能的影响机制,满晓磊等[10]在常水头渗透试验研究中发现土工织物会抑制充填砂中细颗粒的流失。李国栋等[11]利用自主改进的梯度比实验装置,对不同的土工织物进行渗透试验,结果表明不同条件下土工织物的渗透性能也不同。翟超等[12]在常水头作用下对3种不同孔径的土工织物进行梯度比试验,结果表明梯度比随着土工织物孔径的增加而减小。王微等[13]采用正交试验对处于单向水流作用下的无纺土工织物的透水性能及反滤性能进行研究,得出其与水力学参数之间的相关关系。蔚成亮等[14]采用室内试验与图像分析相结合的方法,对处于单向水流作用下的管袋坝芯砂体破坏并沿袋间接缝流失的问题进行研究。满晓磊等[15]分别在有、无土工织物覆砂条件下进行常水头渗透试验,拟合得到纯砂及土工织物覆砂系统渗透系数的经验公式。关于充填土料对管袋渗透性能的影响,颗粒级配和黏粒含量等充填料参数均会对土工织物覆砂系统的渗透性能产生影响。

在实际工程中,充填管袋的袋体织物因受冲灌力而产生应变[16]。针对袋体织物的应变是否会对管袋的渗透性能产生影响的问题,相关研究发现,织物的拉应变越大,有纺织物的透水性能及防淤堵性能越强,保土性能越弱,无纺织物则与之相反[17],并且随着拉应变的增大,土工织物的渗流流速也增大[18],而这种拉应变的影响程度与土工织物的厚度有关[19]。拉伸作用之所以会对土工织物覆砂系统的渗透性能产生影响,主要原因是拉应变改变了土工织物的等效孔径[20],拉应变的增加会使无纺织物孔径减小,有纺织物孔径增加[21]。

根据以上所述,目前对充填管袋的渗透性能的研究均是在单向水流作用下进行的。而实际工程中,大多数管袋应用于河口海岸处,遭受水流冲刷,经受往复水流作用。因此,对处于不同水流作用下单向拉伸编织布覆砂系统的渗透性能进行研究才更符合实际工程情况。

本文在传统的梯度比渗透仪的基础上进行了创新改良,并使用该渗透试验装置对自然状态下和经单向拉伸后的土工织物覆砂系统在单向和往复水流作用下的渗透性能进行试验研究,对比分析不同水流作用对单向拉伸编织布覆砂系统渗透性能产生的影响。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

采用自主研制的能提供单向水流和往复水流的渗透试验装置,如图1所示。

图1 不同水流渗透试验装置

该装置由梯度比渗透仪、往复水流发生器和数据采集装置3部分组成,其可为单向拉伸状态下的土工织物覆砂系统提供单向和往复两种不同的水流作用,并可测定其梯度比、渗流流速和漏砂量等渗透性能参数。

本次渗透试验中采用的充填料为非连续级配砂料,其中粗砂占40%,中砂占50%,细砂占10%。

本试验中所用土工织物为单位面积质量为120 g/m2和150 g/m2的聚丙烯裂膜丝编织布,其具体规格参数如表1所示。

表1 土工织物规格参数

1.2 试验方法

1.2.1 单向水流作用试验方法

1)将W120和W150的编织布裁剪成长为20 cm,宽为15 cm的长方形。

2)将裁剪得到的土工织物分别放置在具有伺服系统的万能拉伸机的拉伸模具中,并以6 mm/min的速率单向拉伸至3%。

3)拉伸完成后,组装梯度比渗透仪。用梯度比渗透仪的上筒和下筒将拉伸状态下的土工织物固定,并剪去多余部分的土工织物。在组装过程中,为加强仪器的密封性能,土工织物与上筒以及土工织物与下筒之间用发泡胶带粘一圈后再使用螺丝固定夹具。

4)组装完成后,将配制完成并混合均匀的砂样装入安装好的梯度比渗透仪中。

5)打开给水装置,使水流由出水口进入,使水流缓慢浸透土料。试验前土料应浸泡12 h,使土料中的气泡排尽,减少试验误差。

6)浸泡完成后,将试验装置的左侧集水室关闭,使装置成为一个单向水流渗透试验装置。

7)使土工织物覆砂系统在单向水流作用下持续一段时间,观察并记录在单向水流作用下测压管和电子秤读数的变化,再根据达西定律,求出渗流流速和梯度比等渗透系数,绘制其随时间变化的曲线图。

8)试验结束后,将筒内充填料取出,烘干并计算漏砂量。

1.2.2 往复水流作用试验方法

1)织物的裁剪、拉伸、装置组装、砂样装填以及砂样浸泡等步骤与单向水流作用渗透试验中相同。

2)浸泡完成后,将试验装置的左侧集水室打开,使装置成为一个往复水流渗透试验装置。

3)将土工织物覆砂系统置于周期往复的水流作用下,并持续24T(1T=1.5 h),观察并记录在往复水流作用下测压管和电子秤读数的变化,再根据达西定律,求出渗流流速和梯度比等渗透系数,最后绘制其随时间变化的曲线图。

4)试验结束后,将筒内充填料取出,烘干并计算漏砂量。

2 试验结果与分析

2.1 不同水流作用对土工织物覆砂系统渗透性能的影响

根据达西定律可知,在水力梯度相同的情况下,流速与渗透系数成正比,因此,本文使用土工织物覆砂系统的渗流流速来反映其渗透性能。单向和往复水流作用下土工织物覆砂系统流速随时间的变化情况如图2和图3所示。

图2 单向水流作用下流速随时间变化图

由图2可以看出,在单向水流作用下,各土工织物覆砂系统的渗流流速随着试验时间的持续均呈现出先减小后趋于稳定的趋势。不同之处在于,同种拉伸状态下不同规格的土工织物渗流流速不同,并且同种规格的土工织物在不同的拉伸状态下其覆砂系统的渗流流速也不同。

未拉伸状态下,W150的土工织物覆砂系统渗流流速相较于W120明显较大,而单向拉伸后,W150的土工织物覆砂系统渗流流速相较于W120的明显较小。通过比较同一规格的土工织物拉伸前后的覆砂系统渗流流速大小可以发现,单向拉伸后的土工织物渗流流速明显增大,并且W120的增幅要明显大于W150的增幅。由此可知,土工织物在自然状态下,其覆砂系统的渗流流速大小与土工织物规格(单位面积质量)呈正相关的关系,而拉伸会使得土工织物孔径变大,进而导致其渗流流速变大。在相同应变的拉伸状态下,单位质量较小的土工织物孔径会变得更大,因此拉伸会使土工织物覆砂系统的渗流流速与其规格(单位面积质量)呈负相关关系。

由图3可以看出,在往复水流作用下,各土工织物覆砂系统的渗流流速随着试验时间的持续均呈周期性波动变化,并且各波波峰的出现时间均大致相同,不同在于各波峰的峰值有所差别。其中,未拉伸状态下,相较于W150,W120的土工织物覆砂系统渗流流速较大。由图3中同种规格的土工织物拉伸前后的覆砂系统渗流流速曲线波峰值的比较可知,单向拉伸后,土工织物覆砂系统的渗流流速减小。由此可知,在往复水流作用下,单向拉伸会使土工织物覆砂系统的渗流流速减小,并且土工织物规格(单位面积质量)越大,其覆砂系统的渗流流速越小,渗水率越小。该现象的产生主要是由于水流在冲刷时,非连续级配土中粒径较小的土颗粒被冲刷至土-土工织物最上方,而粒径较大的土颗粒落下,当土工织物的孔径过大时,粒径较大的土颗粒会卡在土工织物孔隙中,导致其覆砂系统的渗流流速减小,渗水率减小。

2.2 不同水流作用对土工织物覆砂系统防淤堵性能的影响

梯度比是反映防淤堵性能的直观参数,梯度比越小,防淤堵性能越好。单向和往复水流作用下土工织物覆砂系统梯度比随时间的变化图如图4和图5所示。

图5 往复水流作用下梯度比随时间的变化图

由图4可以看出,在单向水流作用下,各土工织物覆砂系统的梯度比均先随试验时间的持续而增大,并在约22 h后趋于稳定。不同在于,未拉伸时,W120土工织物覆砂系统的梯度比大于W150土工织物覆砂系统的梯度比。单向拉伸后,土工织物覆砂系统的梯度比减小,说明土工织物规格越大,土工织物覆砂系统的梯度比越小,防淤堵性能越好。该现象产生的原因在于拉伸会使土工织物孔径变大,进而使其覆砂系统的梯度比减小,防淤堵性能变好。

由图5可以看出,在往复水流作用下,各土工织物覆砂系统的梯度比随试验时间的持续呈周期性变化,并且随着试验时间的延续,其振幅逐渐变小,梯度比减小。不同之处在于,未拉伸时,相较于W120,W150土工织物覆砂系统的梯度比较大。由图5中同种规格土工织物拉伸前后的覆砂系统梯度比曲线波峰值的比较可知,单向拉伸后,土工织物覆砂系统的梯度比增大,防淤堵性能变差,并且单向拉伸后,相较于W150,W120土工织物覆砂系统的梯度更大。由此可知,在往复水流作用下,自然状态下的土工织物规格越小,其覆砂系统的梯度比越小,防淤堵性能越好。单向拉伸后,土工织物规格越大,其覆砂系统梯度比越小,防淤堵性能越好。该现象产生的主要原因是,在水流的冲刷下,非连续级配砂料中粒径较小的砂颗粒被冲刷至土-土工织物上层,而粒径较大的土颗粒与孔径较大的土工织物接触时形成了淤堵,土工织物孔径较小时,因为水流的周期性冲刷,淤堵较小,当土工织物孔径大到一定程度时,会有一部分孔径比砂颗粒大,无法形成淤堵,所以梯度比较小。

2.3 不同水流作用对土工织物覆砂系统保土性能的影响

漏砂量能直观地反映出土工织物覆砂系统的保土性能。漏砂量越小,保土性能越好。不同水流作用下W120和W150土工织物覆砂系统的漏砂量如图6、图7所示。

图7 不同水流作用下W150土工织物覆砂系统的漏砂量

由图6、图7可以看出:在单向水流作用下,土工织物拉伸后,其覆砂系统的漏砂量大于未拉伸时土工织物覆砂系统的漏砂量;在往复水流作用下,土工织物拉伸后,其覆砂系统的漏砂量小于未拉伸时土工织物覆砂系统的漏砂量。这说明,往复水流作用时未拉伸的土工织物覆砂系统的保土性能较差,而单向拉伸可使土工织物覆砂系统的保土性能变好;单向水流作用时未拉伸的土工织物覆砂系统的保土性能优于单向拉伸后的土工织物覆砂系统的保土性能。由图6、图7对比可知,单向水流作用时土工织物覆砂系统的漏砂量远小于往复水流作用时土工织物覆砂系统的漏砂量。这说明往复水流作用时土工织物覆砂系统的保土性能弱于单向水流作用时土工织物覆砂系统的保土性能。

3 结论

1)单向水流作用时,土工织物单向拉伸使土工织物覆砂系统的渗透性能和防淤堵性能增强,保土性能减弱。

2)往复水流作用时,土工织物单向拉伸使土工织物覆砂系统的渗透性能和防淤堵性能减弱,保土性能增强。

3)往复水流作用对单向拉伸土工织物覆砂系统渗透性能的影响远大于单向水流作用对单向拉伸土工织物覆砂系统渗透性能的影响。