黃土鋪蓋滲流固結(jié)機(jī)理研究

黃土鋪蓋滲流固結(jié)機(jī)理研究

1床砂土層防滲目前，土石壩防滲透技術(shù)的發(fā)展趨勢是，水平防洪逐漸被垂直防洪所取代。只有那些沒有垂直防洪技術(shù)和河床覆蓋層特別深層的人才能采取水平防洪。例如，西部大開發(fā)中新疆下坂地水庫就是由于河床砂礫土層深厚達(dá)150m，垂直防滲墻技術(shù)尚無先例，只好采用粘土鋪蓋防滲設(shè)計(jì)方案。該斜心墻土石壩高81m，設(shè)計(jì)洪水位2960m，粘土鋪蓋長916m，厚12～4m，其下地基中還有兩層斷續(xù)的軟粘土，因此，鋪蓋沉降裂縫問題就成為該水庫設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。按照習(xí)慣上的防滲鋪蓋設(shè)計(jì)，滲流場計(jì)算與沉降量計(jì)算是分別進(jìn)行的，而且，沉降計(jì)算多是查規(guī)范引用一些經(jīng)驗(yàn)或固結(jié)近似公式簡單地估算，故自然會(huì)發(fā)生較大的誤差。為此，本文結(jié)合下坂地水庫對(duì)粘土鋪蓋在蓄水荷載情況下的沉降問題，概括地論述了滲流固結(jié)機(jī)理，并提出引用滲流場數(shù)值計(jì)算方法去研究分析粘土鋪蓋和軟基的沉降過程問題。2粘土層中的壓力分布土力學(xué)中的固結(jié)理論與滲流水力學(xué)中的滲流理論是密切相關(guān)的，都是從孔隙水壓力、有效應(yīng)力和滲透力等概念出發(fā)論述軟粘土的排水固結(jié)理論，或者直接說成是滲透誘發(fā)固結(jié)理論。但是，研究領(lǐng)域不同，所習(xí)用的名詞也不完全相同，以致會(huì)發(fā)生誤解，例如，固結(jié)理論中把施加荷載引起的孔隙水壓力稱之為超孔隙水壓力，以區(qū)別不施加荷載時(shí)的孔隙水壓力；也有區(qū)別于靜水壓力與超靜水壓力等。其實(shí)，完全可以顧名思議地理解孔隙水壓力，在滲流中就是土體孔隙中充水的壓力，它包括無壓滲流的靜水壓力，也包括封閉的承壓水或施壓荷載的超靜水壓力（即驅(qū)動(dòng)水壓力），它們都可以用某點(diǎn)的測壓管水頭表示。仔細(xì)地研究這些力就知其間互相溝通轉(zhuǎn)換的關(guān)系，例如驅(qū)動(dòng)水壓力（外力，表面力）與滲透力（內(nèi)力，體積力），孔隙水壓力與有效應(yīng)力，靜水壓力與浮力及浮重，超靜水壓力與有效應(yīng)力等如果在飽和粘土層上迅速增加砂石或建筑物的荷重，其超靜水壓力隨時(shí)間的消散將同時(shí)在粘土層上下邊界開始，最終沉降相應(yīng)于粘土層中孔隙超靜水壓力為0的情況，而不象漲水荷重最終形成的三角形分布的超靜水壓力分布。穿經(jīng)弱透水覆蓋的下滲過程，實(shí)際上是非穩(wěn)定滲流。如圖1中的中部所示，粘土層中的孔隙水壓力分布只是代表水位上升后的超靜水頭增量H。這種荷載的分布，開始沿整個(gè)粘土層深度是相等的；由于下面強(qiáng)透水砂層的排水作用（認(rèn)為砂層中原有水頭不變），在粘土底部瞬時(shí)產(chǎn)生很大的水力坡降，開始由底部向砂層排水滲透，并逐漸推向粘土頂部；歷經(jīng)一個(gè)非穩(wěn)定滲流的過程，如圖所示t顯然，在穩(wěn)定滲流時(shí)，這個(gè)增加水深H的荷重（?H）也就是穿過土層厚度T的滲透力若繪制沿深度線全部孔隙水壓力及其有效應(yīng)力分布，如圖1的右邊所示，也可得到同樣的解釋。圖中底部橫線總寬度代表底面的總應(yīng)力；最右側(cè)的斜影線三角形為土體浮重有效應(yīng)力分布，當(dāng)孔隙水壓力中的超靜水壓力（驅(qū)動(dòng)水壓）H逐漸滲透消散后，最終轉(zhuǎn)變?yōu)閳D中水平影線三角形的有效應(yīng)力分布，虛直線就是最后穩(wěn)定滲流完全固結(jié)時(shí)的孔隙水壓力，沿粘土層深度的分布線相當(dāng)于圖的中部的BC線；這就說明超靜水頭向下滲流作用能誘發(fā)固結(jié)應(yīng)力，使土層底面增加了有效應(yīng)力?H，此值也就是土層厚度滲流的總滲透力，即水頭能量的損失改變了應(yīng)力分布。3高水勢結(jié)構(gòu)滲流場計(jì)算庫區(qū)粘土鋪蓋及其下臥軟土地基在蓄水荷載作用下，將逐漸沉降，甚至裂縫。這個(gè)排水固結(jié)問題，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非穩(wěn)定滲流過程，因?yàn)?，從軟土層上下邊界面排出的水量等于其壓縮量。將通過單位表面積的軟土層每個(gè)單元體厚度dz及整個(gè)厚度T所排出的水量表示為式中h為水頭，隨垂直向z變化；S利用有限元計(jì)算程序若設(shè)沿土層厚度的水頭變化是線性的，則式(1)中的積分，即為圖3所示水頭改變之間的面積。故得最終壓縮沉降量為：最厚粘土層其次，引用一維滲流方程利用有限元程序計(jì)算各軟土層沿深度各時(shí)段t的水頭分布，如圖3所示曲線代表孔隙水的消散過程，計(jì)算時(shí)的滲透系數(shù)，鋪蓋為k=0.00864m/d，下臥軟土層k=0.00118m/d，初始水頭條件為設(shè)計(jì)蓄水位2960m，最終為形成的穩(wěn)定滲流場，嚴(yán)格說應(yīng)進(jìn)行三維計(jì)算并模擬蓄水過程。由圖示水頭改變曲線之間的面積，代入式(1)就可得出蓄水后任意時(shí)刻的沉降量及其固結(jié)度。例如蓄水半年沉降為1.323m，固結(jié)度為77.8%；蓄水一年沉降為1.58m，固結(jié)度為92.9%；蓄積水兩年沉降為1.68m，固結(jié)度為99.8%，最終沉降為1.7m等。以上計(jì)算結(jié)果，若與設(shè)計(jì)書中以沉降公式估算的最終沉降2.31m，蓄水兩年沉降2.2m，固結(jié)度達(dá)95%相比較，有一些差距。因此，研究排水固結(jié)沉降問題，例如，在施工期采取預(yù)壓砂井等加快沉降和蓄水運(yùn)行期間減少沉降，以及避免不均勻沉降等措施，看來引用可壓縮滲流場的數(shù)值計(jì)算方法是比較合理的。同樣，可計(jì)算出上游壩腳處最厚（12m）鋪蓋和上游端最薄處（4m）鋪蓋在蓄水后的沉降過程：最終沉降在壩腳處為1.512m，上游端為1.556m，蓄水半年、一年、兩年的沉降量在壩腳依次為1.5m,1.506m,1.508m,上游端依次為1.225m,1.446m,1.533m。這樣，在粘土鋪蓋平面上各點(diǎn)的沉降量都可算出，從而，可以研究不均勻沉降發(fā)生裂縫的可能性及其防止措施。4采用懸臂板梁作為支護(hù)體系的臨界拉應(yīng)變分析人工鋪蓋蓄水后發(fā)生裂縫的首要原因是不均勻沉降。但是，缺少這方面的數(shù)據(jù)。因此，考慮利用上面計(jì)算各點(diǎn)的沉降量來分析沉降的不均勻程度作為判斷裂縫可能性的依據(jù)。例如取粘土鋪蓋單位寬度計(jì)算厚度T，長度為L，且為均勻荷載w的梁板時(shí)，將其簡單地考慮為懸臂板梁，采用結(jié)構(gòu)上的懸臂梁按照碾壓土壩裂縫的臨界拉應(yīng)變?chǔ)?1‰考慮應(yīng)該指出的是選取梁板彎曲模式不同（如簡支梁，連續(xù)梁等），其計(jì)算結(jié)果有別，而且，荷載分布不均勻（如波浪作用下的護(hù)坡設(shè)計(jì)）或斷面不均勻（如沿土壩軸線高度不同）時(shí)，就得分段考慮除了上述鋪蓋及其下臥軟土層因沉降量大、可造成鋪蓋不均勻沉降發(fā)生裂縫外，另一原因是滲透過程中的滲透力的不均勻性以及水力劈裂作用總的說來，無論從不均勻沉降，還是從滲流破壞方面分析，裂縫的發(fā)生都是在鋪蓋的上下邊界開始，所以，應(yīng)適當(dāng)防護(hù)，特別是鋪蓋底面。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)明白鋪蓋本身施工的不均勻性也將是發(fā)生裂縫甚至由裂縫發(fā)展到坍坑的原因，庫水位蓄水上升太快，瞬時(shí)局部滲透坡降很大，鋪蓋也容易發(fā)生滲透破壞。5鋪蓋防滲設(shè)計(jì)要注重實(shí)踐的科學(xué)性根據(jù)已有水庫的人工和天然的粘土鋪蓋，尤其是我國北部幾個(gè)省的次生黃土地區(qū)，蓄水運(yùn)行以后幾乎都發(fā)生裂縫，施工質(zhì)量差的可多達(dá)數(shù)十條以上。如果鋪蓋下面有砂墊層或是非管涌性砂礫石平整地基，則將保護(hù)沖蝕土不致于流失，裂縫逐年淤堵趨于好轉(zhuǎn)；但若底部墊層土有架空漏洞，裂縫會(huì)繼續(xù)發(fā)展，甚至形成坍坑。如塔貝拉（Tarbela）水庫，1974年首次蓄水，鋪蓋上發(fā)生坍坑362個(gè)，經(jīng)水中拋土處理后，1975年蓄水又發(fā)現(xiàn)坍坑429個(gè)，再連續(xù)三年拋土，坍坑逐年減少，淤積而漸趨穩(wěn)定。因此，采用水平鋪蓋防滲方案時(shí)經(jīng)常把塔貝拉水庫作為成功的經(jīng)驗(yàn)；其實(shí)，應(yīng)該說是失敗的教訓(xùn)。因?yàn)?，只有預(yù)防破壞性裂縫發(fā)生的鋪蓋設(shè)計(jì)才是成功的。由以上分析可知：防止粘土鋪蓋發(fā)生裂縫的設(shè)計(jì)思路，最要緊的是不使鋪蓋發(fā)生過大的不均勻沉降和不均勻滲透，例如，下坂地水庫照慣例設(shè)計(jì)已采用了預(yù)壓和打砂井、排水固結(jié)以減少下臥軟土層在蓄水后的沉降量，并在鋪蓋下設(shè)濾層等措施。其次，是在蓄水運(yùn)用期間不使下臥軟土層上下界面有較大水頭差，以減小軟土層中滲透力的擠壓排水作用，以及采取控制鋪