水流条件也是织物滤层选择的重要因素之一。在《水利规范》中已经明确指出,第4.2条的反滤准则是“对单向渗流”而言的。所谓“渗流”,它的流速一般较低,处于层流状态,符合达西定律。因此,本准则对于反复流、动力流、以及紊流和管涌时的挟砂流都未必适用,这点往往会被忽略。例如在1998年长江洪水时,有的地方用一般无纺织物抢大型管涌险情,结果织物被严重堵塞并且顶起,酿成更大的险情。这是没有把土工织物“用对地方”的一个典型例子,应引以为训。
除上述单向渗流以外,其他的水流以双向循环水流最为常见。河岸海岸迎水面护坡反滤或堤坝心墙、斜墙的上游反滤均属双向流。其主要特征有两个:①水流可以从迎水面流向背水面,也可以由背水面流向迎水面,称为往复流;②该应用场所往往有波浪作用,使反滤层受到一种“泵吸(真空)作用”,可称为动力水流。在这种情况下,土工织物下游的被保护土往往难以形成一种“天然滤层”,单靠土工织物来阻挡土的颗粒,尚不能很好地实现过滤的功能。
有关循环往复流问题,也有一些学者作过研究(陈轮,2006;Cazzuffi D.A等,1999),下面作一简单介绍。
陈轮等人对循环往复水流条件下,内部稳定土和内部非稳定土与孔径较大的滤网组成的反滤系统的结构稳定性进行了试验,其结果可为减少淤堵而使用较大孔径的土工织物滤层的设计提供资料。
试验采用的钢丝滤网孔径为0.3mm。土样为粉土,c=19.2kPa,φ=27.1°,往复水流的周期分别为62.5min、12.5min、2.5min、0.5min和0.1min。
对于内部稳定土,当水头差为8cm时,渗透系数随往复周期的变化如图4.7、图4.8所示。可以看出,在靠近上、下滤网较近的0~8mm和75~100mm土样,渗透系数增大较多,也较快,而在试样中部25~75mm,则渗透系数较小。这反映了在近滤网处,土中的细粒移动和流失较多,并且随往复水流频率的加大(周期的缩短)渗透系数增大较多。因此,频率快的往复水流更容易加剧对堤岸边界的冲刷。
图4.7 土样1各土层稳定渗透系数与往复水流周期的关系曲线
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图4.8 土样2各土层稳定渗透系数与往复水流周期的关系曲线(稳定土)
试验也表明,若将往复水流总的水头差增大,同样会使已经形成稳定渗流的土体发生新的颗粒移动和流失,从而导致渗透系数增大(图4.9),分析梯度比的情况可发现,在试验中反滤系统的梯度比均小于1.0,说明淤堵并未发生。随着往复水流最大水头差的增大,梯度比逐渐减小,说明滤层附近土颗粒流失增多。不过,在该次试验中,虽然渗透系数增大了,但整个反滤系统仍然是稳定的。
图4.9 土样4的土层渗透系数与水流的往复周期的关系曲线(非稳定土)
对于内部非稳定土,循环水流的影响比内部稳定土更大,当循环水流的水力梯度超过1.6时,系统的渗透系数增率加速,整个反滤系统的稳定性下降了。由此也印证了下面将要谈到的梯度比标准宜由3.0降为1.5以下的看法的正确性。
工程中常采用土工织物与粗状材料共同组成的“混合滤层”的办法,即在土工织物之上铺一层10cm左右的砂料(或较细的砂砾石或小碎石加石屑等),它不仅有助于过滤功能的发挥,而且也有助于使土工织物反滤层紧贴被保护土的表面。除了使用“混合滤层”之外,另一个措施是加大土工织物的厚度(如受力后的厚度达到7~8mm以上,有的甚至建议在10mm左右),而对大风浪地区则要更厚。
对于动力水流,情况与双向流的相似。有些国家(如德国)规范中曾建议了相关的准则,JTJ/T 239—98《水运工程土工织物应用技术规范》也参考使用了这个准则。
对于挟沙水流,尤其在汛期大型管涌发生时出现的水流,其特点是水压高、水量大,含沙量也大。这时,阻止管涌的方法就与一般的反滤层完全不同。根据经验,其抢护的步骤是,首先应消刹水头,减少涌水量,然后上覆以特制的过滤垫,厚度在10mm左右,以阻挡沙土流出,最后再压以粒状材料充填的土袋或块石,才能制住大型管涌。南京水利科学研究院对此作了研究,并经国家防汛总指挥部组织鉴定通过,可以参考《堤防工程土工合成材料应用技术》等(包承纲,1999;Fourie A B,1994)。
刘宗耀把这种挟沙水流称为“喷沙管涌”,他在2004年,用5种过滤材料,3种无纺织物(O90分别为0.08mm,0.17mm和0.47mm)和两种窗纱(大窗纱孔径1.4mm×1.4mm,开孔面积约50%;小窗纱孔径0.7mm×0.7mm,开孔面积约40%)对含沙量为10%的挟沙水进行了抢护试验,结果表明:①无纺织物孔径过小,虽可阻止水流喷出,但不能自动将管涌通道堵闭,织物要长期承受很大的水头压力,织物容易被顶起,使抢护失效;②大孔窗纱由于孔径过大,不能降低水流的流速和挟沙能力,管涌通道无法堵塞;③小孔窗纱孔径适当,可降低水流流速,减小水流的挟沙能力,使大部分泥沙沉积下来,将管涌通道堵闭,抢护喷沙管涌效果十分明显。2007年,刘宗耀又进行了补充试验研究,获得了相似的结果,同时又从泥沙运动学的理论对试验结果进行验证,两者十分接近。由此可见,利用小孔窗纱抢护较大的挟沙水流管涌快捷、简便和有效。窗纱的孔径约在0.7~0.8mm,开孔面积在40%左右,同时其上必须压以足够的盖重,才能保证安全(刘宗耀,2008)。这个研究结论与上述的经验方法也是一致的。
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