土力学中的岸坡渗流研究

土力学中的岸坡渗流研究

崩塌是河流海岸上的主要灾害类型之一，分布相当普遍。大量江河崩岸研究表明,大多数崩岸都与渗流有关。崩岸主要是由于水流冲刷近岸河底,岸坡变陡而逐渐失去安全富余,在河道退水期由于地下水渗流的出逸作用,使河岸发生崩塌。鞠建华将长江中下游崩岸因素分为三大类,地下水渗流就是其中之一。向外渗流可大幅降低岸坡泥沙起动条件,加剧坡脚冲刷,引发崩岸。不过,崩岸中的渗流与山坡滑体中的渗流有着较大的区别,即岸坡外的水位是变动的,而且水是运动着的水流。水流流速大小是否影响岸坡渗流,至今尚未见相关研究的报道。与该问题相伴而生,渗流是否会影响其边界水流流速、流态等特征呢?国外有不少学者进行了这方面的实验研究,结果表明渗流对边界水流影响显著,并明显影响相应的泥沙冲淤变化,同时也产生相应考虑渗流影响的冲刷预测模型。在建立准确的水文模型时,同样需要合理考虑渗流的发生发展过程。因此,对于作为边界条件的水流,其对渗流的影响可能在一定条件下也不容忽略,有必要通过专门实验进行研究。岸坡渗流的计算方法仍然采用达西定律,目前为止,均未考虑江河水流的直接影响。达西定律可描述线性的渗流规律,但对于介质为透水性很强的碎石、处于低雷诺数的渗流、渗流介质各向异性等情况则有所偏离。洪水水位降低引起的江河崩岸,其水流流速往往很大,研究江河水流对岸坡渗流的影响有利于进一步弄清崩岸的内在机理。在崩岸治理的设计中,特别是抛石护岸,往往需要考虑垂线平均流速达2.5～4.5m/s的水流作用,因而,进行重要岸坡稳定分析的时候,不宜忽略江河水流的影响。针对该问题,需要设计专门的实验设备,对江河水流的影响进行深入分析,定量地研究切向水流流速对土中渗流的影响。1管流细度与渗流强度利用室内大型的江河岸坡模型可以研究水流对岸坡渗流的影响,但是,得到的试验结果是岸坡坡面各处不同渗透比降、不同水流流速等复杂土力学和水力条件的综合影响,难以定量研究某一土力学条件下的水力条件影响。为此,设计了一个便于进行水流单因素对渗流影响研究的实验设备,即通过变化渗透比降和切向水流速度二者中的一个,研究单因素变化的结果。图1为设备结构示意图,设备由两流作用室、供水池、供水管、水流循环管路、循环池1和循环池2等组成。供水管将供水池与两流作用室连接,而水流循环管路将循环池1、水泵、两流作用室和循环池2依次连接构成水循环回路,水流循环动力由水泵提供。两流作用室由4部分组成:圆筒型渗流池、砂土环柱试样、过流管和测压装置。渗流池提供稳定的渗流水头H1,由供水池供水。砂土环柱试样长度30cm,外直径20cm,内腔直径4.7cm,试样的内表面和外表面均为不锈钢丝网,其孔径比砂土最小粒径稍小,即透水不过砂。钢丝网的细丝直径不足0.01mm,比砂粒粒径小得多,而且表面的钢丝网与砂组成的多孔介质,并不影响试验中研究水流对渗流的影响。过流管,就是砂土环柱试样的内腔,其水流为试样内表面提供水力边界条件,模拟岸坡坡面上某点的水流条件。测压装置有两根测压管,一根连接渗水池(水头H1),另一根连接到过流管的内管壁上(水头H2),位置均位于试样中部。江河水流会对岸坡渗流产生影响,需对岸坡坡面附近水域切向水流流速在垂直于坡面方向上的梯度进行研究,因为岸坡坡面上的切向水流流速为0。试验中,采用过流管内平均流速来反映壁面剪切层流速梯度大小。当管内水流为层流运动时,其流速分布为抛物线分布(图2(a)),可由式(1)计算。静水时流速梯度为0,平均流速越大,则管内壁面流速梯度越大。当管内流速进一步加大,则管流从层流逐渐过渡到紊流,流速分布曲线趋于均匀化(图2),平均流速逐渐加大,v¯=(0.67∼0.80)vmaxv¯=(0.67∼0.80)vmax,壁面流速梯度也加大。u(r)=γωi4η(R2−r2)(1)u(r)=γωi4η(R2-r2)(1)式中γω为水的容重;η为动力粘滞系数;i为水头坡降;R为管径;r为计算点距管轴线的距离。随着距管壁距离的增加,流速从0逐渐增大,所以管流之水力边界条件可以模拟岸坡坡面之水流条件。图3为实验原理示意图。调节供水阀,可得到需要的供水流量qe,从而决定了试样的相应渗流强度q=qe/L,L为试样长度。qe由供水水头Hw决定,所以只要在渗流过程中Hw变化不大,则渗流强度可以认为保持恒定。恒定的渗流强度q对应一个渗流总水头差dH。若水流对渗流没有明显影响,则dH将不会因为水流流速变化而呈规律性改变;反之,若dH随着流速改变而呈规律性变化,则说明水流条件对渗流产生的影响是明显的。对于同一组渗流强度q的试验中,稳定渗流池水位和供水水头,只需要改变管内水流速度,则可以比较分析水流条件对渗流的作用效果。砂土试样是空心圆柱,其渗流呈轴对称性。同时,试样外表面各点之总水头完全一样,试样内腔的水流模拟江河水流条件,内表面各点的总水头、水流动水边界条件也近似相同。因此,每次试验代表的是岸坡上一个点的情况,便于单因素研究。尽管试样内表面的渗透比降方向垂直于土水界面,与岸坡有一定差别,但可用于研究其规律性。对于静水渗流,渗流强度完全可以由总水头差dH决定;对于动水边界条件,渗流强度可由总水头差dH和水流条件确定。试验中,用过流管之水流平均流速来表示水流条件。试样的内外表面各点具有相同的土力学条件和水力条件,因此可以较为精确地进行水流条件单因素对渗流的影响研究。可见,该水流渗流耦合实验设备设计简单,操作容易,这是其重要优点之一。2单位长度试样渗流试验结果静水渗流情况,其计算模型见图4,试样外径R1,内径R2,内部某点半径为r,括号里面注明了相应的渗流总水头分别为H1、H2和h。可推导出单位长度试样的渗流量公式。静水渗流中,水流速度非常小,可忽略速度水头,所以总水头H为位置水头z和压力水头pγwpγw之和,即式中(dh/dr)r为试样中某点半径为r处的渗透比降;k为土体渗透系数。由式(4)可知故单位长度试样的渗流量(渗流强度q)、试样中任意一点之渗透比降i分别为按式(7)、式(8)计算的结果可以看作是表观渗流结果,不代表动水边界条件下的渗流。在下面试验中,渗流溢出面为动水边界条件,通过固定渗流强度q(即透过单位长度试样进入管内的水量),变化水流流速以比较试样内表面渗透比降实测值的变化。相同渗流强度,实际渗透比降越小则说明该水流条件促进渗流,加强了试样的透水能力,反之则阻遏渗流,削弱了试样的透水能力。试样内表面的表观渗透比降可以由式(9)来计算。3试验结果和数据分析试验用砂采用粒径范围为0.2～0.3mm的均匀砂,避免了试验过程中砂粒的重新分布,平均粒径为0.25mm。试验过程中一直监测供水池的水温,约27℃,水温变化均在1℃以内。试验中的渗流强度采用了3级(3.1×10-5、6.3×10-5、8.5×10-5m3/(s·m)),对应的水头差范围为1.5～5.0cm,试样最大渗透比降为0.45～1.50。考虑到工程应用中主要以近岸底部流速来判定,过水管内水流特征以平均流速表示,试验流速采用了5级(0.26、0.49、0.57、0.60、0.63m/s)。试验按渗流强度分组,渗流总水量固定。对于每一组渗流强度的试验,都需要变化过水管内水流流速v,并记录相应的测压管读数H1、H2和渗流时间t。由测压管读数可以整理出各个试验中的渗流水头,并按式(9)计算试样内表面的表观渗透比降,从而得到水流流速对渗流的影响图。渗流时间t可以复核试验中渗流强度是否保持不变。整理3组试验的渗流水头数据可得结果图(图5),图中数字代表试验顺序。由于小型试验的渗流水头不大,为了获得较为可靠的数据,本试验采用了倾斜测压管方法来监测水头。为减小水头波动,加长了过流管前后的管长,并加大了循环水池2的水位,使试验中水头稳定。所用测压管所有特性(如材质、孔径)均相同,而且需要量测的数据是水头差,不受测压管特性的影响。从图5可以看出,随着流速的增加,试样的渗流水头开始阶段呈单调变化,但到达流速0.6m/s后,曲线折回。3组结果图表明,水流对渗流之影响是明显的。4不同流速对透水性能的影响对于各组试验结果,以低流速v1=0.26m/s为基准,由式(9)可以计算相应试样内表面的表观渗透比降i1分别为0.463、0.969、1.443。可见,3组试验分别反映了渗透比降为小、中、大的3种情况,比较接近工程实际情况。由于水流渗流耦合作用,水流条件发生改变,使得同一水流强度对应了不同的渗流水头,即不同的试样内表面表观渗透比降。对于各组试验,若以低流速v1情况试样的透水性能α为基准1.0,运用达西定律,可由式(10)计算其透水性能α在各个水流条件下的变化情况,计算成果见图6。α=i1i(10)α=i1i(10)式中i1为各组最小流速对应的试样内表面表观渗透比降;i为其它流速对应的渗透比降。从图6可见,流速对渗透性能影响明显,且呈规律性变化。当渗出面渗透比降较小,为0.463时,随着流速增加,透水性能呈非线性降低,在流速为0.6m/s时达到最低值,接近0.9,而流速再加大,则透水性能又有所回升。中等渗透比降0.969时,对应的变化规律与小渗透比降0.463相似,只是变化幅度较小。高渗透比降1.443,其透水性能随流速变化的规律则相反,随流速增加表现为非线性增加,但变化幅度很小,峰值1.023。总的来看,渗流溢出面渗透比降越小,流速阻碍渗流的程度就越大,本试验中0.463的渗透比降对应的流速最大阻碍程度接近10%;当渗透比降达到临界值以上(稍小于1.443,最大影响程度仅2%),透水性能表现为增强。5试验结果的分析图7示意了岸坡渗流溢出面处的水流渗流相互作用机理的一种可能解释。在渗流和水流共同作用下,渗流会逐渐稳定下来,并在渗流通道出口处产生局部微涡区和文丘里效应的低压区。正是由于局部微涡的产生,使得渗流阻力加大、难以通过,透水性能降低;也正是低压区的产生,对土中水产生卷吸作用,加快了渗流速度,提高了透水性能。因此,水流边界条件是加快渗流还是阻遏渗流,由低压区和局部微涡区各自产生的作用大小确定。当某水流条件不变(图6A-A线)时,将渗透比降从0逐渐增加,则局部微涡区会由于渗透强度的加大而向下游移动、减小,渗流变得容易,从而低压区效果越来越明显。从试验成果看,本试验中的临界渗透比降约为1.2。当坡面渗透比降大于1.2,低压区的作用较大,渗流强度得到了提高;当坡面渗透比降小于1.2,局部微涡的阻流作用占主要,渗流阻力加大,渗流强度被削弱。从图6可以看出,0.5m/s以下流速的水流均阻遏渗流或影响不大,也就是说,只有水流流速在0.5m/s以上,低压区效果才比较明显,可以抵消局部微涡的阻流作用。另外,渗流溢出面处的渗透比降如果足够大,则水流流速无论大小均加速渗流,这是由于渗透比降足够大可以削弱或者消除局部微涡的出现,低压区效果较局部微涡效果明显,渗流得到加强。6水流速度对透水性能的影响江河岸坡崩塌的一个重要诱发原因就是洪水期间江水水位下降引起的渗流。本文针对岸坡渗流的江河水流影响作用进行研究,研制了专门用于水流渗流耦合实验的新型设备,并对不同水流流速、不同渗流强度的多种组合情况进行试验,再现了水流渗流之联合作用效果。对试验成果进行分析可以得出以下结论:(1)水流对渗流有明显影响,呈规律性变化;(2)渗出面渗透比降越小,水流对透水性能的降低程度就越大,而