Seepage stability of dispersive soil-structure interface
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摘要: 分散土具有遇水分散流失的特性,位于分散土体中的建筑物在土-水-建筑物耦合作用下往往会出现界面处的渗透变形而发生破坏,常导致水利工程出现险情。采用人工配制的不同程度的分散土,开展分散性试验与抗渗试验,同时考虑穿堤建筑物因不均匀沉降和振动等因素导致的与接触位置填土的分离脱空,对非分散土与分散土开展脱空区在管道上侧和下侧两种位置的裂缝冲刷试验。结果表明:①随着碳酸钠掺量的增加,土样逐渐从非分散向分散转化,临界坡降从120.0降低到12.9,14.7,抗渗性能显著下降。②分散土与非分散土的自身裂缝(无建筑物)均可在反滤料的保护下逐渐愈合,裂缝段试验末分别能承担大于59.0,51.2的坡降,抗渗性能显著提高。③在相同干密度的条件下,与非分散土相比,分散土中的裂缝愈合更快,在较低速的流动水的条件下即可迅速填充堵塞渗流通道。④建筑物-土界面存在裂缝,当裂缝位于建筑物上部时,裂缝可以在反滤料的保护下逐渐愈合,非分散土和分散土分别能承担大于87.4,63.1的坡降,具有一定的抗渗性能;当裂缝位于建筑物下部时,裂缝段基本不承担坡降,在反滤料的保护下裂缝也难以愈合且在高水头下易发生反滤料的管涌破坏。Abstract: The dispersive soil has the characteristics of dispersing and losing when encountering water. The buildings located in the dispersive soil often suffer from seepage deformation at the interface under the coupling effects of soils-water-buildings, which often leads to dangerous situations in water conservancy projects. By using different artificially dispersive soils, conducting dispersivity and impermeability tests, and considering the separation and void from the soils and buildings caused by factors such as uneven settlement and vibration, the crack erosion tests are conducted on the non-dispersive soil and dispersive soil in the void area at the upper and lower sides of the pipelines. The results show that: (1) With the increase of sodium carbonate content, the soil samples gradually change from non-dispersibility to dispersibility. The critical hydraulic gradient decreases from 120.0 to 12.9 and 14.7, and the impermeability decreases significantly. (2) The cracks (without buildings) of the dispersive soil and non-dispersive soil can be gradually healed under the protection of filter, and the crack section can bear a slope drop greater than 59.0 and 51.2, respectively at the end of the tests, the anti-permeability performance is significantly improved. (3) Under the same dry density, compared with those in the non-dispersive soil, the cracks in the dispersive soil heal faster and can quickly fill and block the seepage channel under low-speed flowing water. (4) When the cracks are located in the upper part of the buildings, the non-dispersive soil and dispersive soil can bear hydraulic gradients greater than 87.4 and 63.1, respectively, and they can gradually heal under the protection of the filter and have certain impermeability properties. When the cracks are located at the bottom of the buildings, the crack section basically does not bear the hydraulic gradient. It is difficult to heal under the protection of the filter, and it is prone to piping of the filter under high water head.
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Keywords:
- dispersive soil /
- soil-structure interface /
- crack /
- seepage stability
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0. 引言
工程质量缺陷导致的溃坝是水库溃坝的主要原因,又以穿堤建筑物的接触渗漏问题最为突出[1]。中国水坝溃坝分析中发现坝下埋涵、与坝体连接的溢洪道、两坝肩结合部成为小型水库大坝安全的薄弱环节,尤其是小型水库大量采用坝下涵管的布置型式,涵管工程结构和质量较差,运行多年后老化渗漏的现象较普遍,底板脱空等导致的安全问题相对比较突出,由此引发的堤坝溃决事故时有发生[2]。2013年新疆乌鲁木齐市米东区联丰水库由于穿坝建筑物引起渗漏破坏而溃坝,2004年新疆八一水库由于新建泄洪涵洞与原土坝之间的新填土体出现坝顶裂缝发生渗透破坏溃决[3]。与漫顶溃坝相比,这种破坏较少受天气降雨的影响,而是一种内部侵蚀的过程,因而存在较大隐蔽性与突发性,极易造成严重影响。
在水利工程中,分散土作为一种水敏性的特殊土,遇水表现出不稳定和高度易侵蚀[4-5]。其形成机理在于土体中黏粒含量低或土体中含有较多的钠离子和酸碱度呈碱性[6-7]。另外分散土在与水相互作用的情况下极易受到管道等建筑物的影响而发生破坏,影响工程的安全性与使用寿命[8-9]。Foster等[10]对管涌的工程案例总结中,发现在51例管涌事件中土性为分散土的有9例,且这9例管涌事故中有6例发生在管道周围或溢洪道附近。分散土与建筑物界面的破坏见图 1。
刘杰等[11]通过试验发现分散土的渗透变形特性具有无黏性土的特征,反滤层仍然是防止分散土渗透变形的有效措施。在实际工程中,例如青海班多土石坝心墙料[12]和文家沟水库筑坝土料[13]均属于分散土,前人在对这些工程中遇到的分散土筑坝料和人工配制的不同分散程度的土[14]的抗渗试验和反滤试验研究中,均得出在合适的反滤层保护下,分散土具有较好的抗渗性能,可以作为土石坝防渗心墙的填筑土料。但其结果均基于在土体内部自身裂缝或孔洞的条件下设置反滤层,并未考虑埋设地下结构物与土体间裂缝这一情况。实际工程中土体渗漏常出现于建筑物附近,建筑物存在对于反滤料的防护效果的影响研究十分重要。
研究人员通过开展不同的模型试验研究埋地建筑物-土界面渗透特性与侵蚀规律。Sato等[15]通过模型试验揭示了埋地管道破裂和管道位置对内部侵蚀和地下洞穴发育的影响。Guo等[16]通过模型试验模拟了水头高度和埋深对下水管道周围砂砾的侵蚀。部分学者考虑了土壤物理性质如细粒含量、压实度和含水率等对管道附近产生洞穴和空洞的影响[17-18],但少有考虑土壤化学特性如分散性的土-结构界面研究。
分散土广泛分布于干旱与半干旱地区,受经济水平制约,大量水利工程需要考虑采用分散土作为筑坝土料。实践表明,采取适当的工程措施后是可以采用分散土筑坝的[19],例如美国的洛斯·埃斯特罗斯坝、澳大利亚的班加尔坝、阿根廷的乌鲁姆坝和巴西的苏帕雷定柯坝,所用土料均为分散土。采用的处理措施为在分散土心墙与底部基岩间填筑掺石灰层,在下游坡面设置反滤层等[20]。分散土-结构的界面改性已经成功用于实践,然而分散土-结构界面的侵蚀破坏规律还有待研究。其界面在非改性且存在裂缝的不利情况下单独设置反滤层是否有效也有待研究。
对分散土地区建筑物周围土体破坏调查发现,不仅只有管道破损导致的土体侵蚀,也存在土体侵蚀导致的建筑物失去支撑而破坏。因此本文采用不同程度的分散土,考虑土与建筑物刚性不同,在不均匀沉降或振动等因素下,其接触位置易产生裂缝,又由于分散土的易流失,裂缝易发展为脱空。考虑脱空区在建筑物的不同部位,研究沿建筑物水平渗流时,其脱空区的发展和反滤料的保护作用,研究结果对分散土地区水利工程安全提供科技支撑。
1. 试验材料与方法
1.1 试验用土
本试验用土为陕西杨凌示范区某工地黄土,基本物理指标均根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行试验测定,见表 1。根据颗粒分析和塑性图判断为级配良好的低液限黏土。前人在研究分散土力学性能[21]、抗渗性能[14]、热力加固[22]处理以及分散判别方法中[23],采用人工添加无水碳酸钠的方法模拟自然条件下土样从非分散到分散的不同程度的化学分散性。参考前人经验,本试验研究对杨凌黄土中分别掺入质量分数为0%,0.04%,0.06%,0.08%,0.12%,0.16%的分析纯碳酸钠,配制不同分散程度的土。
表 1 土样基本物理性质Table 1. Physical properties of soil samples取土地点 颗粒相对
密度液限/% 塑限/% 最大干密度/
(g·cm-3)最优含水率/% 颗粒组成/% 砂粒 粉粒 黏粒 杨凌 2.70 33.1 18.4 1.74 17.9 2.0 68.1 29.9 1.2 建筑物砂浆
试验研究中建筑物采用1︰3水泥砂浆进行模拟。主要材料为普通硅酸盐水泥32.5级、中砂和水,3种材料以质量比1︰3︰0.6混合,并用刮刀对表面进行抹平,养护至终凝后按要求放置于试验装置中。
1.3 试验装置与方法
研究穿堤建筑物与分散土界面渗透稳定性,首先对不同碳酸钠掺量的杨凌黄土进行分散性判别;对不同分散性土样进行渗透变形试验,研究填土本身分散性对抗渗性的影响;以人工设缝模拟建筑物与填土脱空区,针对非分散土与分散土、脱空区在上部与脱空区在下部进行裂缝冲刷试验,设置没有建筑物的填土内部裂缝作为空白对照组,研究在有反滤料的保护下不同情况裂缝愈合和发展规律,进一步阐明分散土与建筑物界面易产生脱空与土体渗透破坏的原因。
(1)分散性判别试验
在杨凌黄土中掺入质量分数为0.04%,0.06%,0.08%,0.12%,0.16%的分析纯碳酸钠,干拌均匀后加入适量去离子水继续搅拌均匀成泥浆状,待自然风干后碾碎过筛备用。参照美国《ASTM D4647—13》、《ASTM D6572—21》和中国《非饱和土试验方法标准》(T/CECS 1337—2023)中的相关规定,以及前人关于细粒土分散性判别适用性研究[23-24],本研究主要利用针孔试验、泥球崩解试验和泥柱水蚀试验(专利号:202320715105.X)对6种不同碳酸钠掺量土样进行分散性判别。其中泥球崩解试验是在静水中观察泥球崩解后在崩解皿底产生的胶粒悬液多少;泥柱水蚀试验是在动水中观察塑性状态下泥柱侧壁受水流侵蚀情况;针孔试验是观察一定水头高度水流冲刷土样内1 mm孔道,通过流出水浑浊度、试验末水头高度和针孔大小判断土样分散性。
(2)渗透变形试验
为研究不同分散程度土样抗渗性高低,采用自制的渗透变形装置,试验装置如图 2,包括供水部分、测压部分、模型部分和称量部分。供水部分由可调节的空气压缩机和可升降水箱组成;测压部分由压力表和测压管组成;模型部分模拟黏土最不利的情况,水流方向竖直向上,土样上部填充为卵石,防止土样受向上渗透力沿侧壁滑动破坏。土样下部有土工布和透水板支撑保证土样表面不会侵蚀破坏,测压管布置在土样上游与下游表面;称量部分由精度为0.01 g的电子天平和盛水容器组成。试样尺寸为直径100 mm,高40 mm,压实系数控制为0.95。为保证试样的均匀性,分3层装样,并采用击实法击实至控制高度。试验采用抽气饱和法饱和后逐级加压进行,在每级压力稳定后测记3次流量,直至试样破坏,计算出渗透流速和渗透坡降,绘制渗透坡降与渗透流速关系曲线(i-v曲线),绘制临界坡降、临界流速、渗透系数随碳酸钠掺量变化的曲线。
(3)裂缝冲刷试验
分散土的裂缝冲刷试验是在土样与建筑物之间用设缝器预先设置裂缝,渗水为去离子水的条件下进行的,裂缝冲刷装置的模型部分见图 3。渗流方向为水平方向,内部建筑物沿渗流方向布置,裂缝冲刷模型由土、建筑物和反滤料组成。土样直径100 mm,高40 mm,压实系数为0.95。反滤层厚度为60 mm,相对密度为0.7。其中土样中预先埋设一段长70 mm、厚8 mm的砂浆块,土料与砂浆块间用设缝器预设3 mm缝。采用缝在建筑物上、缝在建筑物下、无建筑物3种情况(图 3)模拟建筑物与土界面裂缝的不同相对位置。模型前后端填充卵石用于支撑和均匀水流。为了分析在渗透水流作用下土样裂缝的变化,在土样裂缝上游位置、裂缝与反滤层分界面处、反滤层前端1 cm处以及反滤层末端均安装有测压管。考虑饱和时会对裂缝产生破坏,试验采用不饱和直接施加水头并逐级提高的方式进行。
2. 试验结果与分析
2.1 分散性判别试验
分散性极大影响土样的渗透系数与抗渗性能,采用泥柱水蚀试验、泥球崩解试验和针孔试验进行分散性判别。3种试验的现象与结果见图 4。
由图 4可知,在泥柱水蚀试验中,当碳酸钠掺量增加到0.04%时,土样分散性由非分散转变为过渡;当碳酸钠掺量增加到0.08%时,转变为分散。在泥球试验中,非分散到过渡、过渡到分散的界限掺量分别为0.08%,0.12%;针孔试验中过渡和分散的界限分别是0.06%,0.12%。
3种试验结果存在差异时,考虑到泥柱水蚀试验是在动水条件下的表面冲蚀,分散的土颗粒更容易在水流和重力作用下流失,因而其结果在工程中更安全,同时考虑到该试验是一种简单快速的新型分散性判别试验。因此建议在进行分散性判别时,先采用泥柱水蚀试验和泥球崩解试验,若结果均为非分散则土体为非分散;若结果显示有分散性,再进行室内试验如针孔试验等。本试验综合判别结果主要依据泥球崩解试验和针孔试验的结果,当二者结果不一致时取偏安全的结果。
(1)泥柱水蚀试验判别:分散土,试样侧面水蚀沟明显,盘中水流明显浑浊;过渡土,试样侧面没有出现或出现些许水蚀沟,盘中水流稍有浑浊;非分散土,试样侧面没有出现水蚀沟,盘中水流清澈。
(2)泥球崩解试验判别:分散土,土水之间严重反应,土-水界面模糊;过渡土,土水之间轻微反应,土-水界面轻微模糊;非分散土,土水之间没有反应,土-水界面清晰。
(3)针孔试验判别:分散土,在50 mm水头下针孔迅速扩大1.5倍以上,水流浑浊;过渡土,在180,380 mm水头下针孔扩大,水流浑浊;非分散土,在1020 mm水头下针孔没有变化,水流清澈。
综合判别结果:碳酸钠掺量为0,0.04%的土为非分散土;碳酸钠掺量为0.06%,0.08%为过渡土;碳酸钠掺量为0.12%,0.16%为分散土。因此可知杨凌黄土随着碳酸钠掺量的增加,土样分散性不断增强。
模型试验所用土料选取碳酸钠掺量变化的土样分别为0%,0.04%,0.08%,0.12%,0.16%,并分别编号为YL1(非分散),YL2(非分散),YL3(过渡),YL4(分散),YL5(分散)。
2.2 渗透变形试验
分散土-建筑物界面土体渗透稳定性与填土的性质关系密切,采用自制的渗透变形装置研究不同分散程度土的抗渗性,试验结果见图 5。
由图 5可知,随碳酸钠掺量增加,土体的临界坡降、临界流速和渗透系数均下降。对于YL1,因为土料不具备分散性,能够承担120.0的坡降;而当土料开始具有一定分散性时,如YL3(过渡土)或YL5(分散土),临界坡降分别为12.9,14.7,抗渗性能显著下降。破坏现象见图 6(a),(b),集中通道发展迅速。其原因是,带负电的土颗粒表面需吸附阳离子保持电中性,而阳离子自身又因为浓度差有向外的扩散运动,形成的吸附层和扩散层。扩散层越厚,土颗粒越容易分散,扩散层越薄,土颗粒絮凝。因此随着碳酸钠掺量增加,黏土双电层越厚,分散性越强,土颗粒分散间距越小越均匀,渗流水通道更小,渗透系数更低。在低流速水下,分散出的细颗粒容易逐渐流失,又因为土颗粒分散,颗粒间吸引力减小,整体性降低,黏聚力丧失,在较低水头下容易产生变形和渗透破坏,因此分散性越大,抗渗能力越低。
对于分散土来说,在低水头下即可发生渗透破坏。对于一些中小型坝,即使是在非雨期,当筑坝土体中存在缺陷如贯通裂缝、有压管破损等,防渗土料的实际防渗厚度会迅速减小,防渗压力会迅速增加。加之分散土本身容易因为雨水和干缩等因素在土体内部产生裂缝,若没有保护措施,其发生渗透破坏的几率将大大增加。
2.3 裂缝冲刷试验
研究表明,分散土在合适的反滤料保护下能作为可靠的防渗土料,土中裂缝可以在反滤料的保护下逐渐愈合并具备良好的抗渗性能。然而当土与建筑物之间存在脱空区时,该区域裂缝和土体内部裂缝的愈合规律并不一致,为研究反滤料对分散土在与建筑物接触区域的保护作用以及采用反滤料处理分散土引起的不同类型险情的适用性,开展有建筑物影响下的裂缝冲刷试验。
反滤料设计中考虑到被保护土掺加不同质量分数的碳酸钠引起级配的变化,对YL1(非分散土)和YL5(分散土)进行湿法的激光粒度试验,然后依据被保护土料级配,采用《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)推荐的反滤设计方法,区分被保护土分别为非分散土和分散土分别进行设计[10, 25]。以d85为控制粒径,其中对于非分散土YL1满足D15≤9d85,对于分散土YL5,应满足D15≤6.5d85。依据反滤排水、滤土等准则,分别计算两条上下包线,试验所用反滤料级配曲线在两包线之内。试验反滤料的级配曲线见图 7。
(1)无建筑物的情况下,由分散性试验结果,选取YL1,YL3,YL5(分别为非分散土、过渡土和分散土)进行无建筑物的土体内部裂缝冲刷试验,试验装置见图 3,流速随时间变化曲线见图 8,坡降随时间变化曲线见图 9。
由图 8可知,待流速稳定后,每提高一级水头,YL1,YL3,YL5流速先迅速增加,然后随时间逐渐减小并趋于稳定,表明在该总水头下渗流通道缩小或堵塞,裂缝逐渐愈合。由图 9可知,YL1,YL3,YL5随施加水头增加,缝内坡降逐渐增加,在试验最后一级水头下,YL1的裂缝段、反滤前段、反滤后段承担的坡降分别为68.9,6.2,0.6;YL3三段分别为59.0,0.7,0.3;YL5三段分别为51.2,3.7,0.1。说明在反滤层的保护下,YL1(非分散),YL3(过渡),YL5(分散)内部裂缝能够逐渐愈合,且愈合后裂缝端能承担主要的渗透力,最后具有良好的抗渗性能。该级配反滤料使得YL1,YL3,YL5防止渗透破坏能力有显著提升,土体中有贯通裂缝时仍然能愈合并恢复足够的抗渗性能。进一步证明在反滤料保护下分散土也能作为有效的防渗土料。
(2)土体中有建筑物存在时,YL1两种情况各段坡降变化结果见图 10(a),(b),YL5两种情况各段坡降变化如图 11(a),(b),YL1与YL5流速变化见图 10(c),11(c)。
由图 10(a),(b),9(a)可知,对于YL1,当裂缝位于建筑物下部时,试验最后一级水头下的裂缝段/反滤前段/反滤后段坡降分别为2.6/15.0/4.8;而当裂缝位于建筑物上部时其数值分别为87.4/15.6/0.8;无建筑物存在的裂缝段/反滤前段/反滤后段坡降分别为68.9/6.2/0.6。对于土体自身内部裂缝和裂缝在建筑物上部两种情况,在反滤料的保护下随着水头逐级提高,缝内坡降逐渐增大,且能承担绝大部分渗透力;而当裂缝即空腔区位于建筑物下部时,裂缝段坡降较小且无增加趋势。由图 11(a),11(b),9(c)可知,对于YL5有类似的规律,当裂缝位于土体内部和建筑物上部时,在反滤层的保护下,最后一级水头裂缝段坡降分别为51.2,63.1。而当裂缝位于建筑物下部,缝段坡降仅为0.6。且整体明显低于无黏性土反滤层后端的坡降,施加的水压力大部分由反滤层承担,因此认为位于建筑物下部裂缝无法愈合或难以愈合。
由图 10(c),11(c)可知,对于YL1和YL5两种土,裂缝位于建筑物下的流速远大于裂缝位于建筑物上和土体内部两种情况的流速,表明不论对于非分散土或者分散土,建筑物下部存在的空腔区最难愈合。如图 10(c)所示,对于YL1裂缝在建筑物下的情况,在达到一定水头后流速始终增大,表明内部渗流通道正在不断扩大。由图 5可知,分散土破坏的临界状态较差,其遇水土壤团聚体反絮凝的特征使得土颗粒更容易在低流速水流冲蚀下产生流失,且高度分散的土在随水流搬运中常以胶体或类似胶体的状态存在,因而难以沉淀填充到缝隙中,而非分散土在缝隙中的湿化崩解的产物能够直接填充到裂缝中。裂缝上端建筑物的限制导致反滤层前端淤积土颗粒仅来源于裂缝下部土颗粒的起动,其土颗粒量少且分散土的抗渗能力也远小于非分散土,裂缝长时间不愈合容易导致反滤层破坏失去滤土作用,在缓慢的水流下分散土未受保护不断流失,在土体内部形成巨大安全隐患。典型的反滤料破坏现象见图 6(c)。
反滤试验中从施加水头到出水口有水流出的时间能反映裂缝在最初遇水时的发展情况。YL1与YL5出水时间见图 12。对于无建筑物和建筑物在下的情况,分散土从施加水头到出水口有水流出的时间分别为2625,2480 min,远远大于非分散土的240,83 min,这一方面因为分散土的渗透系数低,另一方面分散土的裂缝愈合效果比非分散土要好。当裂缝位于建筑物之下时,非分散土和分散土的出水时间分别为5,13 min远早于无建筑物和建筑物在下两种情况,这进一步反映了建筑物存在会抑制裂隙愈合,在裂隙位于建筑物下部时尤为显著。
3. 讨论
通过抗渗试验、土体内部裂缝冲刷试验和土-建筑物界面裂缝冲刷试验,可知分散土是一种具有较低抗渗能力的土料,在反滤料的保护下土料内部裂缝可以愈合,分散土的抗渗能力显著提升且可以作为防渗土料。但反滤料对裂缝愈合的促进作用仅对土体内部裂缝和建筑物上部裂缝有效,对于建筑物下部土体的裂缝并没有促进愈合的作用。结合试验结果和分散土的化学特性以及建筑物的限制作用可以做以下讨论。
(1)土-建筑物界面裂缝发展
图 13是分散土与建筑物界面贯通裂缝示意图。对于非分散土,颗粒间具有一定黏聚力,在低速水流作用下很难在裂缝中分散流失。而分散土在遇水后,颗粒间相互作用力较弱,分散后进入裂缝通道中,在反滤料的滤土作用下停止流失,裂缝愈合得更好。
裂缝位于建筑物上部时,由于土颗粒自身重力和湿化崩解作用,大量土颗粒可以进入裂缝中,堵塞集中渗流通道,恢复一定抗渗性能,尤其当土料具有一定分散性时,其裂缝愈合得更好。但当裂缝位于建筑物下部时,由于建筑物的约束,不论对于非分散土或是分散土,裂缝下部土颗粒很难短时间克服自身重力和向下的颗粒间吸引力而大量填充渗流通道。裂缝下部颗粒起动量少、时间长,裂缝不能迅速愈合而具有抗渗性,容易导致后端反滤料承担水压而破坏,进而导致土料进一步流失。
(2)不同类型裂缝反滤层的防护
裂缝边壁的土体在较低的水头下充分湿化崩解,即使受到局部冲蚀,在经过低水头水流的持续作用后仍然能够愈合,且抗渗坡降也会得到提高[26]。而裂缝上部的建筑物能够极大限制裂缝四周土体的湿化崩解进而影响裂缝的自愈性(见图 14)。只有较高水头和较高流速时,裂缝下部土体崩解产生的土颗粒能够克服自重和颗粒间吸引力进入裂缝中参与裂缝的愈合,但反滤层破坏会在裂缝愈合前发生。
当建筑物下部存在裂缝时,反滤料无法起到保护作用,分散土与非分散土均无法愈合(见图 14)。但分散土由于自身的水敏特性,在纯净的雨水侵蚀下,土体本身易产生从表面向下的裂缝。当存在建筑物时,其结合处作为薄弱部位更易受到侵蚀,因此更加危险。建议工程中重视管道、水渠或路基等建筑物下部土体,提高该部位土料的填筑质量如压实度等。重视建筑物的接缝处,一旦产生渗漏,建筑物下部裂缝很难愈合且其发展为上部建筑物带来安全隐患。当分散土作为土料与建筑物接触时,建议对接触部位土料进行改性,且在建筑物周围和土体表面应做好防护。
在实际工程中,土和建筑物间的破坏往往是相互的。地表建筑物的存在会引起周围环绕流,导致表面产生冲沟,这种现象在坝坡或坡脚排水渠较为常见。埋设的建筑物会改变土体内部渗流网。由于不均匀沉降、振动等因素,与建筑物接触部分填土易产生裂缝,且建筑物的存在又会抑制裂缝的愈合,裂缝就会进一步发展为脱空区,建筑物失去支撑或受力不均匀会产生断裂或破损,当建筑物为排水或输水等建筑物时,内部渗漏的水进一步侵蚀土体,且能够为土体提供溢出口与土颗粒流失通道,破坏会进一步发展最终导致建筑物失去使用功能。
因此在实际工程中对分散土进行反滤料防护时,仍然要考虑建筑物的影响,尤其是反滤料对于建筑物下部的缺陷无法起到很好的保护作用。对于分散土地区水坝的修复和改建,针对不同的破坏形式应采取不同的修复方式。例如对于建筑物上部或土体内部的土颗粒流失可根据实际情况考虑加设反滤层,但对于建筑物下部缺陷的修复需要采用灌浆或换填等手段而不能采用反滤层让缺陷自行修复。
4. 结论
(1)随着碳酸钠掺量的增加,土样分散性逐渐从非分散向分散转化,具备一定分散性导致临界坡降从120.0降低到12.9,14.7,抗渗性能随着土样分散性增加显著下降。
(2)反滤料对分散土与非分散土均有保护作用,土体内部裂缝可在反滤料的保护下逐渐愈合。且有反滤料时,分散土的抗渗性能有显著提高,过渡土和分散土能承担大于59.0,51.2的坡降,能够作为防渗土料。
(3)在相同干密度和含水率的条件下,初始进水后分散土土体内部裂缝,建筑物上部裂缝,建筑物下部裂缝的出水时间分别为非分散土的10.9倍、29.9倍和2.6倍,分散土中的裂缝愈合更快,在较低速的流动水的条件下即可迅速填充堵塞集中渗流通道。
(4)当裂缝位于建筑物上部时,在反滤料的保护下,非分散土和分散土能承担大于87.4,63.1的坡降,裂缝可以逐渐愈合且具有一定的抗渗性能;当裂缝位于建筑物下部时,裂缝段基本不承担坡降,在反滤料的保护下裂缝也难以愈合且易发生反滤料的管涌破坏。因此在水利工程采用反滤料处理分散土时,要特别注意与建筑物接触的薄弱部位。
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表 1 土样基本物理性质
Table 1 Physical properties of soil samples
取土地点 颗粒相对
密度液限/% 塑限/% 最大干密度/
(g·cm-3)最优含水率/% 颗粒组成/% 砂粒 粉粒 黏粒 杨凌 2.70 33.1 18.4 1.74 17.9 2.0 68.1 29.9 -
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