戍浦江堤防工程砂土注浆改良下渗透力学试验研究.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gA u g,李德宝,孙昌雨戍浦江堤防工程砂土注浆改良下渗透力学试验研究J水利科学与寒区工程,():戍浦江堤防工程砂土注浆改良下渗透力学试验研究李德宝,孙昌雨(温州宏源建设集团有限公司,浙江 温州 )摘要:为研究戍浦江堤防工程砂土渗透力学特征,采用力学试验与变水头渗透测试方法,分别开展了注浆压力、含水量影响下的渗透力学试验.试验结果表明,注浆压力与砂土试样承载应力为正相关,可尽可能选择注浆仪最大限值工作,围压愈大,试样承载应力受注浆压力影响敏感性愈高.不论注浆压力为何值,不改变同一围压下试样应变发展特征.含水量与试样承载应力为负相关,且含水量不超过 时,具有应变软化特点,而含水量超过 后,应变塑性特征较显著.围压效应可减弱含水量对承载应力的抑制作用.从渗透试验中可得到砂土渗透系数与注浆压力为正相关,与含水量为负相关,且在含水量递增过程中,超过 后,渗透系数的增长较快.研究成果可为堤防工程砂土改良治理提供试验依据.关键词:戍浦江;堤防;砂土;试验中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:李德宝(),男,黑龙江七台河人,工程师,主要从事水利工程施工管理工作.E m a i l:a z c o m.水利工程中岩土体渗透特征以及力学水平 ,均为工程设计关注重点,探讨岩土体渗透力学行为,有助于拓展水工设计参考成果,提升水工设计水平.研究岩土体渗透力学特征,有多类型方法,李泽闯等、沈筠等采用颗粒流仿真方法,从微观角度评价了土体力学影响变化特征,引入了土体各种类型微观参数,揭示了土体颗粒骨架微观破坏特征,为土体宏观力学水平研究提供参照.李丽华等、李东旭采用室内力学试验方法,开展了三轴土体剪切试验,并设计了不同影响因素分析,如围压、工程环境等,为工程设计直接性提供试验成果.针对土体渗透特征,杨党校等、李佳敏从稳态、瞬态法以及达西定律等不同角度入手,开展了土体的渗透试验,研究了加载前、加载中、加载后等不同阶段的土体渗透特性,有助于系统性评价土体渗透特征.本文为研究戍浦江堤防砂土经注浆改良下渗透力学特性,设计了三轴与变水头渗透试验,基于试验结果开展了注浆设计、含水量因素对砂土渗透力学特征影响,为堤防工程砂土改良治理提供参考.工程概况戍浦江为浙南地区重要地表供水通道,上游长度 k m称之为龙溪,该支流为瓯江水系辐射浙南的重要体现,全干流长度超过 k m,年均流量为 万m,控制流域面积超过 k m,全干流上建设有泽雅水库、杨坑节制闸等重要水工设施,作为对水资源利用的控制枢纽,全干流坡降约为 .目前戍浦江沿线支流中,水资源较丰富,流量较大,特别是在夏季台风天气,常出现河道水位暴涨,引起沿线干流堤防较大防洪压力.从河道沿线水工设施监测得知,泽雅水库正常 运 营 期 最 大 库 容 为 万m,蓄 水 位 m,受上游泄流蓄水影响,库容年超标天数超过 .丰水期工况下,坝体内渗透坡降会出现波动,整体防渗体系,如面板、L型墙等,均处于安全运行,但溢洪道、引水隧洞等水工建筑,受较大泄流或蓄洪影响,常出现局部非稳定渗流场分布,水头线、流场受扰动影响显著,年夏季流域内特大洪水时期,在溢洪道下游监测到流速最大可达 m/s,流速波幅超过 .结合水文资料得知,戍浦江下游分布有 h m农田,平均每年被淹面积超过 h m,受淹时间甚至达d,淹没深度超过m,流域内所辖泵、闸等水工建筑受损程度超过,河道安全性受很大挑战.究其根本原因,笔者认为,戍浦江沿线河道设防等级过低,以及部分河道堤防存在砂土沉陷、渗漏等现象,且无法满足级防洪标准,导致河道上、下游泄流、防洪全面失控.为 此,工程部门基于戍浦江沿线 k m病险段以及泽雅水库等水工设施踏勘调研,认为首要应提升堤防工程防渗能力及其安全稳定性,确保堤防行可靠性.根据目前戍浦江堤防现状,堤防砂土渗透特性乃是不可回避的问题,必须探讨解决方法,提升其渗透力学特性.试验方法为研究戍浦江堤防工程砂土渗透力学特征,据调查,戍 浦 江 堤 防 全 段 内,砂 土 层 占 比 超 过,而堤防防渗能力与之具有紧密关联性.为此,采用三轴土体试验仪与变水头渗透测试装置,开展砂土试样渗透力学试验研究.该试验仪器具有自动化数据调整功能,可对误差超过一定许可的抹零处理,设备最大轴荷可达 k N.与仪器设备相匹配的是,含有智能式加载控制程序,可实现试样加载全过程可视化、实时化以及精确化控制,包括有L V D T、轴向仪器位移等,均与该程序绑定控 制,试 验所采用L V D T设备 量 程 为 mm,仪器位移可作为设备自我保护限值.变水头渗透测试装置如图所示,采用渗透仪与变水头管控制进水压力,水头差的形成来自高低供水箱,以进水管夹作为水头节制装置,该设备渗透测试灵敏性可达 c m/s,通过渗透测试,可获得各管路上水头值、流量值等,进入计算获得试样渗透特性.从戍浦江堤防工程取样获得的砂土试样,经实验室勘测表明,该批砂土试样物理力学参数较为接近,中值粒径为 mm,颗粒细度模数为 ,含 水 量 分 布 为 ,密 度 为 g/c m,孔隙分布差异性较小,杂质含量较低,仅为.在室内经土工制样,获得了砂土 试 样,所 制 备 的 试 样 直 径、高 度 分 别 为图渗透测试装置 mm、mm,所有制备后试样须在恒温恒湿环境下养护 h,方可进行渗透力学试验.试验研究不仅需要探讨原状砂土渗透力学特征,同样对砂土提高防渗能力的关注也较为重要.因此,笔者计划采用高聚物注浆方式,加强砂土试样颗粒骨架的完整性与整体性,使之防渗能力提高.从已有注浆固结经验考虑,注浆物以高聚物为主,多采用空压机注浆系统开展注浆,注浆时间控制在 s,注射位置位于两端头,注浆压力按 照 试 验 优 化 原 则,设 定 有 MP a、MP a、MP a、MP a四种.试验中另设定有不同含水量组试样,分别为、,试 验 围 压 为 k P a,梯次为 k P a,试验方案设计如表所示.从戍浦江堤防砂土渗透力学试验入手,评价高聚物注浆设计对其改良效果.表试验设计方案围压/k P a注浆压力/MP a含水量/、堤防砂土力学特征 注浆压力的影响基于砂土试样力学试验,获得了注浆设计下水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷砂土力学特征,如图.依据图中力学特征可知,在同一围压下,注浆压力愈大,试样承载应力愈高,在 围 压 k P a时,应 变下 注 浆 压 力 MP a试样加载应力为 k P a,而在同围压同变形程度下注浆压力 MP a、MP a试样加载应力较之前者分别提高了 、.从试样峰值应力参数对比来看,在围压 k P a下,注浆压力 MP a试样为 k P a,而注浆压力 MP a、MP a试样峰值应力较之前者分别增大了 、,当注浆压力每增大 MP a,则 试 样 峰 值 应 力 平 均 可 提 高 ,相比之下,各试样间峰值应力增幅基本接近,如注浆压力 MP a试样间,为 ,与平均增幅也接近.由此可知,不同注浆压力下,试样增幅具有一致性,且作用程度较为均衡.当 围 压 增 大 至 k P a时,注 浆 压 力 MP a试样峰值应力为 k P a,较之围压 k P a下增大了 ,而其他三个注浆压力下试样 峰 值 应 力 较 之 围 压 k P a分 别 提 高 了 ,围压效应 可 耦 合 注 浆 固 结 作用,进 一 步 提 高 砂 土 试 样 承 载 能 力.在 围 压 k P a下,当注浆压力每提高 MP a,其峰值应 力 平 均 增 长 了 ,该 增 幅 较 之 围 压 k P a下有所提高,表明围压效应有助于促进高聚物在试样内部扩散、固结.图注浆压力影响下试样应力应变特征对比应变特征可知,不论是围压 k P a或是 k P a下,试样应力应变发展趋势基本一致,围压 k P a下具有应变脆性,而围压 k P a下具有硬化特点,这在同一围压下各注浆压力试样中均是如此,表明注浆压力不会改变砂土试样应变破坏特征.在围压 k P a、k P a下,两组试样峰值应变稳定在 、,弹性模量随注浆压力变化特征与峰值应力影响类似.综合注浆压力对砂土试样力学影响,注浆压力的选取可尽量靠近注浆仪最大限值,此可增大高聚物在试样内部的扩 散,进一 步激发试样 骨架完整体 承载性.含水量的影响同理,基于不同含水量组试样力学试验,获得了含水量对注浆固结改良后试样应力应变特征,该组试样注浆压力均为 MP a,如图所示.从图中可看出,同一围压下不同含水量试样应力应变发展特征具有差异性:在含水量不超过 时,试样具有应变软化、应力跌落现象,而含水量为、下试样具有持续性应变塑性特征,应力下降不明显.从颗粒结构微观角度考虑,在含水量达到一定程度时,有限的注浆压力无法完全使内部水分、孔隙填充,在逐步递增的轴荷下,试样骨架会逐步硬化,会呈现长期的高应力、高应变发展段.总体上看,含水量愈大,试样承载应力愈低,围压 k P a下,同为应变 时含水量、试 样 应 力 分 别 为 k P a、k P a,而含水量、试样在该变形下应力较之 试样分别减少了 、.同样也可以峰值应力参数作为宏观对比,在围压第期李德宝,等戍浦江堤防工程砂土注浆改良下渗透力学试验研究 k P a下,含 水 量、试 样 分 别 为 k P a、k P a,而随含水量每递增,则其 峰 值 应 力 平 均 减 少 了 ;而 围 压 为 k P a下,试样峰值应力受含水量影响平均降幅为 .分析可知,围压愈大,含水量对砂土试样承载应力的削弱总用有所减小,围压效应不仅可促进承载应力水平,也可控制含水量在砂土试样中的承载稳定性.从应变特征对比来看,含水量、试样均具有长期塑性应变段,围压 k P a下峰值应变分别为 、,而含水量不超过 时,峰值应变随含水量增大而增大.从堤防工程防渗考虑,避免砂土含水量过高,影响砂土承载能力,且注浆固结时应避免砂土含水量超过.图含水量影响下试样应力应变特征图试样渗透系数影响变化特征 堤防砂土渗透特性基于变水头渗透测试,获得了不同注浆压力、含水量下砂土试样渗透系数影响变化特征,如图所示.由图中试样渗透系数变化可知,注浆压力与砂土试样渗透系数为负相关,而含水量与之为正相关关系.在图(a)中,不论含水量为何值,试样渗透系数随注浆压力均为稳定递减特征,在含水量 试验组中,注浆压力 MP a试样渗透系数为 c m/s,而随注浆压力每递增 MP a,其渗透系数平均减少了 ,而在含水量、试验组中,砂土随注浆压力分别平均减少了 、,即含水量增大,砂土渗透系数受注浆压力影响敏感性愈大.相比之下,在图(b)渗透系数与含水量关系中,渗透系数随含水量变化具有“两段”性,当含水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷水量不超过 时,渗透系数随含水量变化幅度较低,平均增幅为 ,而在含水量超过 后,渗 透 系 数 增 长 了 ,达 c m/s.从渗透试验结果可知,砂土含水量超过 后,其渗透系数发展趋势处于不可控状态,工程土体改良时应尤为注意.结论()注浆压力愈大,砂土承载应力愈高,当注浆压力每增大 MP a,围压 k P a、k P a下试样峰值应力平均可提高 、,围压效应对高聚物注浆液的扩散有促进作用;注浆压力不 改变试样应 变趋势特征,围 压 k P a、k P a下分别具有应变脆性与应变硬化特征.()含水量愈高,砂土承载应力愈低,且围压效应可减弱含水量对承载应力的负面影响;含水量不超过 时,试样具有应变软化特征,峰值应变随含水量为递增,而含水量、时应变具有长期塑性特征.()渗透系数与注浆压力为负相关关系,与含水量为正相关特征,含水量增大,砂土渗透系数受注浆压 力 影 响 敏 感 性 愈 大;含 水 量 在 不 超 过 时,渗透系数随含水量增幅较低,但含水量超过 后,渗透系数增长处于不可控.参考文献:陈波,陈中飞,程攀苏北灌溉总渠右堤粉质黏土三轴力学及土水特性影响试验研究J甘肃水利水电技术,():,樊强冻融循环影响下水利工程坝基岩体力学性质研究J水利技术监督,():,李泽闯,刘志斌,程培峰,等基于颗粒流方法的含粗粒滑带土宏细观力学特性J辽宁工程技术大学学报(自然科学版),():沈筠,莘子健粗粒土三轴试验颗粒流细观参数敏感性分析J安徽建筑,():李丽华,盛宏志,廖新超,等应力路径对砂土宏细观力学特性的影响J中国科技论文,():李东旭水库花岗岩残积土三轴剪切力学特征的试验研究J西北水电,():杨党校,贺红,邓国华,等稳态渗流条件下复合地层水头损失模型试验研究J水利与建筑工程学报,():,李佳敏重塑弱膨胀土土水特征曲线及非饱和渗透特性试验研究D兰州:兰州交通大学,郭晋豪基于C F D D EM耦合计算的不同土体介质中的注浆浆液 扩 散 规 律 和 扩 散 范 围 研 究 D成 都:西 南 交 通 大学,傅旭,杨双锁,牛少卿,等砂性土地层的注浆加固试验研究J矿业研究与开发,():魏骁,KUT a e s e o,杨仲轩含水量对水泥加固含黏粒砂土的强度影响J地基处理,(S):第期李德宝,等戍浦江堤防工程砂土注浆改良下渗透力学试验研究