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有机玻璃材料的试验达到失稳状态

2022-05-28 17:20:09

随着上游水位提高,水力坡降增大,3种材料覆盖层的表现不同:(1)水泥砂浆材料的试验表现为,砂沸泉眼数量增多,规模变大,渗流出口内砂面“涌高”,形成悬浮层,可看见孔口上游侧砂浆板下砂层被冲掏成空腔。

  上游水位进一步升高,空腔向上游扩展。升高水位,水量及砂量增加,稳定水位则水量及砂量也稳定,还未达到失稳状态。只有扩展到一定程度后,渗流量急剧增加,细砂大量涌出,才是真正的贯通破坏。

  (2)有机玻璃材料的试验有冲淘,但没有明显空腔,而是很早就出现被水流冲蚀形成的弯曲小沟通道(这可以在有机玻璃面下直接观察到)。随着上游水位进一步升高,覆盖层下砂土形成摆动不定、弯弯曲曲的冲刷通道,逐渐向上游上溯,同样也未达到失稳状态。后当通道抵达上游,流速增加,通道内砂急剧淘刷。

  (3)柔性水袋施压下的试验,当上游水位低于水袋水位时,既无空腔又无冲蚀小沟通道(这也可以从透明的水袋下直接观察到)。只有当上游水位升至接近或略高于水袋水位时,水袋塑料薄膜自上游向下游逐渐与砂层脱离,并快速发展到渗流出口,会出现与水泥砂浆覆盖相类似的破坏,但这已不是要讨论的范畴。

  用上游隔板和渗流出口孔边的水头差比两点间的距离作为试验的平均坡降,发生贯通破坏时的平均坡降定义为平均临界坡降Jx,则在已做的几组试验中,有机玻璃覆盖层,J=0.10;水泥砂浆覆盖层,=0.13;柔性水袋模拟的覆盖层,J的大小则随着随着水袋内的压力大小而变化,当水袋内压力为=0.17,当水袋内压力为150mm水柱时,J=0.28.它们都是发生在上游水位升至接近或略高于水袋水位时,因此,实际要达到贯通破坏需要的水头差应该更大。

  对试验现象的讨论(1)试验开始时,砂沸出现的位置在渗流出口不限定在上游侧,说明此时的水头分布基本与出口中心对称,可近似将出口看成一个浅井,便于分析、计算。实际工程中,出口往往是覆盖层在高水头作用下的破坏口,在其次出现时,水头差会很大,渗流通道空腔渗流出口渗流通道覆盖层(水泥砂浆)砂层渗流方向周红星等:双层堤基渗透破坏机制和数值模拟方法研究可能会超出本试验的步。但若是在已有破坏点出口,则会经过这一步。

  (2)整个区域可分为两部分:一是渗流集中通道,二是通道以外土体。通道类似于水平放置的具有近似半圆形截面的非完整井,其截面尺寸随通道的发展而变化。渗透破坏发展的过程,是集中渗流通道形成和上溯的过程。

  (3)覆盖层特性对堤基渗透破坏发展影响显著。有机玻璃试验贯通时水平临界坡降小,水泥砂浆次之,柔性水袋大。这与材料和砂层接触特性相关。有机玻璃表面光滑,易形成接触冲刷。一旦局部薄弱点砂层颗粒被冲走,由于有机玻璃的刚度使该处架空,成为压力为0的自由表面,更易被进一步冲刷。水泥砂浆与砂面接触好,避免了接触冲刷。当集中渗流通道形成并上溯时,通道以外区域仍保持受压,但由于水泥砂浆板的刚度大,通道内会脱空。柔性水袋变形适应强,可与砂层表面充分接触,施加压力,约束砂层不被冲刷。实际工程中的覆盖层有一定刚度,应该是居于水泥砂浆板和柔性水袋之间,因此其对渗透破坏的发展过程的影响也应该在两者之间。

  堤基渗透破坏机制探讨堤基渗透破坏首先是从渗流出口开始,不论是已有的渗流出口(如前述试验),还是由高水压顶破覆盖层薄弱处的新出口,在出口都具有很大水力坡降,出现砂沸或喷砂。但此时尚不是终的贯穿破坏。进一步的破坏是形成集中渗流通道并上溯的过程。集中渗流通道上溯的尖端,通道内流量较小,但砂土内水力坡降较大,而在出口处水流量大。

  从侧壁观察试验可见,通道与砂土的交界面由于渗透水力坡降大,砂颗粒从土体中松动脱离,在通道的尖端由于坡降大表现得明显。而后在水流冲刷下,松动的砂粒沿通道向渗流出口方向滚动。通道与砂土的交界面砂粒处于平衡交换状态,流速大则砂粒被冲动,流速小则砂粒就会沉积,这在试验中通过改变模型上游水位即可清楚地看到。

  由于流速与通道内的过水断面成反比,砂粒冲动则断面增大,流速降低;砂粒沉积则断面减小,流速增加,在过水流量稳定时会达到断面稳定,对应的流速由砂土的抗冲刷能力决定。因此通道的规模受水力坡降大小的控制,也受周边土体抵抗冲刷能力的控制。

  上述试验现象说明,当渗流强度大到使土体破坏松动,还不足以使集中渗流通道上溯,还必须形成砂粒在集中水流作用下冲蚀平衡的条件,使破坏后土颗粒能在水的作用下运移。因此,渗透破坏发展过程是2种作用的组合:一是在渗流作用下土体结构的破坏,实质是达到土体的极限强度;二是集中水流作用下,土体表面砂粒的冲刷平衡,主要运动形态为滚动,已属于泥沙运动力学范畴。

  集中渗流通道对于通道内的水、砂而言是过水运砂的管道,对于周边砂土而言,是临空的边界,对土中的水而言是渗流的出口。集中渗流通道本身应满足水力学关系,通道以外的土中水应满足渗流控制方程,通道的边界由水压连续、水量平衡、砂土量平衡等关系控制。

  通道界面的2个判断依据渗透破坏发展包括在渗流作用下土体结构的破坏和在集中水流作用下,土体表面砂粒的冲刷平衡2个过程。以下给出相应的判断依据。

  (1)土体强度破坏的判据堤基渗透破坏终形式是流土破坏,其实质是土体骨架不能承受荷载。大多数研究者基于水力学角度研究渗透破坏现象,破坏判断准则一般采用临界水力坡降,其值多为经验值,也过于简单。事实上,土体受多种作用力控制,临界水力坡降描述的仅为渗透力的大小与重力的关系,不能涵盖复杂的应力分布。采用考虑渗透力作用的土体有效应力强度更为合适。本文仅考虑土体特性满足莫尔?库仑条件,故土体应力必须满足的强度条件为式中:′分别为沿单元渗流方向的剪切力和正应力;c′为有效黏聚力;′为有效内摩擦角;′为土体小主应力。

  只要式(1)中任一个条件不满足,且具有临空面的土体即破坏。式(1)中判据第二式′≥,即要求土体不能受拉,适用于临空面接近水平时。例如,当临空面为水平时,渗流方向向上,采用判据第二式,即为太沙基公式;而临空面倾斜,没有渗流时,对于砂土,由式控制,稳定条件是倾角小于休岩石力学与工程学报止角;有渗流时,正应力减小,稳定角会小于休止角。因此,采用式(1)考虑渗透力作用下沿渗流方向土体应力强度公式,能准确地反映了渗透破坏的本质,体现了土体性质和应力环境对堤基渗透破坏发展的影响。

  (2)集中水流作用下,砂颗粒运移的平衡判据从试验现象观察,“水中土”在集中渗流通道中其运动形式是沿通道与下卧砂层接触面在水流带动下滚动前进。砂粒已脱离土体骨架。因此,此时砂粒平衡条件已不能通过应力平衡关系推导。但可以运用泥沙水力学方法进行推导。考虑到砂颗粒滚动往往位于底面砂层顶部,而此处渗透力较小,故忽略其作用。假设土体颗粒是圆形(见图4),由颗粒滚动力矩平衡条件有式中:F为流体拖曳力,为阻力系数;F为流体上举力,u为作用于集中渗流通道与稳定土体接触面上砂粒的流速,C为上举力系数;W′为颗粒浮重力;为渗流通道横剖面与水平方向的夹角,取图中方向为正值;为土颗粒接触角,可采用土体摩擦角计算。

  C取值与集中渗流通道和土体接触面砂土颗粒的绕流流态有关,C取值分别为0.1~2.0和0.5~10.0.因此,式(1),(2)分别为土体颗粒和水中土颗粒的极限平衡条件,两者只要有一个满足,土颗粒是平衡的,不会运动。只有这2个条件同时不满足,集中渗流通道才开始扩展。

  数值模拟方法堤基渗透破坏是三维问题,但从现场和试验观察,堤基渗透破坏区域在整个堤基所占比例较小,若采用三维方法进行模拟,就比较难以集中关注于较小的集中渗流通道区域。若采用二维平面应变方式计算,则扩大了集中渗流通道影响范围,需要对计算进行修正根据堤基在渗透破坏过程的应力特性,以无渗透时的应力场作为初始应力场,渗流引起的应力变化作为附加应力叠加到初始应力场,而渗流场的计算可通过轴对称模式进行,这样就可以较好地解决计算分析问题。

  关键的问题是解决好渗流通道的水力学关系与砂土中的渗流关系的界面协调和平衡。

  集中渗流通道内的水头流量关系集中渗流通道内的水流沿程变化较复杂,水由砂中渗出到通道,流向出口,沿程流量增大,截面积也变大。在试验中观察到通道断面形状近似为稍偏浅的半圆,为便于分析,假定通道截面形状为半圆形。

  通道外砂土体中的应力分布和渗流场根据双层堤基土层结构渗流场的特点,将砂层土体应力分解为3个部分:(1)砂层本身的自重应力,按等厚度均匀分布覆盖层通道与稳定土体接触面水流方向周红星等:双层堤基渗透破坏机制和数值模拟方法研究考虑,实际是侧限条件的应力;(2)覆盖层压重在砂层中产生的应力,按平面应变条件考虑,可利用土力学中条形基础的相关公式计算应力;这2个部分经一次计算即可作为初始应力,以后不再变动。


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