A large-scale flume model test system with controllable/measurable hydraulic and gas boundary conditions
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摘要: 准确评价垃圾填埋场土质覆盖层的水气调控性能对于污染治理尤为重要。现有模型试验设备的密封效果大多不理想，无法准确地控制气压，不能较好地模拟垃圾填埋场实际工况的水、气边界条件。为解决此类问题，设计了水、气边界可控/测的大尺寸模型槽试验系统。该系统可监测覆盖层不同深度孔隙水压力、孔隙气压力和体积含水量的变化，并收集覆盖层的表面径流量、侧向导排量及底部渗漏量。模型槽侧壁通过内外套板及卡套挤压O型圈进行密封，经检验，该密封装置可确保模型槽具备良好的闭气性和闭水性，有助于进一步研究土质覆盖层防渗闭气规律及机理。通过应用该试验系统，评估了强降雨条件下植草（狗牙根草）倾斜双层毛细阻滞覆盖层水气耦合运移的短期响应。初步试验结果表明，植草倾斜覆盖层在强降雨结束时渗漏量占降雨量的2.4%，降雨时坡顶处砂土层的吸力大于击穿吸力，毛细阻滞作用未失效，若忽略气压的影响会低估覆盖层的导排性能。Abstract: The accurate evaluation of water-gas transport is important for pollution control in landfill earthen covers. With poor sealing effects, most of the existing model test instruments cannot accurately control the air pressure and simulate the boundary conditions of landfills. To solve this problem, a large-scale flume system with controllable/measurable boundary conditions is developed. The pore water pressure, pore air pressure and water content in the inclined cover layer are monitored to calculate the percolation, surface runoff and lateral drainage. Each side of the flume is sealed by squeezing the O-ring through the sleeve and inner/outer sleeve plates. After checking, the sealing devices ensure the effectiveness of the test system in evaluating the cover performances to minimize infiltration and gas emissions. The flume system is used to investigate the short-term performance of an inclined capillary barrier cover with Bermuda grass in coupled water-gas migrations under heavy rainfall. It is found that the final cumulative percolation through the cover accounts for 2.4% of the total rainfall depth. The suction in the top sand layer is higher than the breakthrough value during rainfall, indicating the effectiveness of capillary barrier. Also, the lateral drainage capacity is greatly underestimated, without considering the pore air pressure.
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Keywords:
- flume model /
- boundary condition /
- sealing /
- coupled water-gas /
- earthen cover
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0. 引言
隧道掘进是城市地下空间开发最重要的方式[1]。在遭遇复杂地质环境时，施工中的隧道可能会出现大规模的破坏。2003上海地铁4号线董家渡段238 m长隧道垮塌和2018年广东佛山地铁2号线由于40 m长隧道垮塌造成了巨大的经济或生命损失[2-3]。目前对于深层地下结构破坏的致灾机理的认识远远不足，迫切需要开展相关的机理研究。
隧道掘进引发的土体变形破坏机理很早就引起了关注。土工离心机采用离心场模拟重力场，能够在小尺寸模型中再现原型特性和破坏机理，从而被广泛用于研究隧道开挖面稳定性、应力传递、多隧道施工和结构的变形破坏问题研究[3-14]。
本文开展了三个离心模型试验，考虑均质粉土地基和有黏土夹层的粉土地基，模拟开挖面失稳过程和地下水条件变化，观察地基和多层既有地下结构的响应，讨论了地基中拱效应、开挖面位移等因素影响下的局部破坏和整体失稳模式。
1. 离心模型和试验方法
图 1为模拟既有地下结构和开挖面失稳的离心模型。既有结构为地下室、既有隧道、储存库和地下污水沟以及正在施工的新隧道。图 1中竖向加载设备可以在地下室施加300 kPa竖向应力以模拟建筑自重。模型结构采用厚5 mm透明有机玻璃制成，结构法向刚值为327 MPa。模型箱侧面透明有机玻璃板外侧布置数字摄像头。地基侧面布置标志点，利用图象处理技术分析标志点位移获得土体和结构变形特征。
本文开展了三个离心模型试验。模型1为均质粉土地基，开挖面位移为2.9 m；模型2在粉土地基中设黏土夹层，开挖面位移为6.6 m；模型3为均质粉土地基，开挖面最大位移为6.9 m。粉土的液塑限分别为25%和18.5%，制样含水率6%，制样干密度1.50 g/cm3，其有效黏聚力为6.0 kPa，内摩擦角28.9o。黏土具有较高塑性，其塑性指数为15.8，制样含水率为17%，干密度1.60 g/cm3，其有效黏聚力c=0.7 kPa，内摩擦角φ=30°。通过击实法制样，顺序布置地下结构。
模型箱底部设置小型液压油缸连接钢板，降低油压可模拟开挖面失稳并控制开挖面水平位移，每次位移增量约为10 mm。该技术的难点是克服高离心加速度下接触阻力，实现小油缸活塞的水平运动。左储藏库和污水沟侧面和底面布置了7个微型土压力传感器以测量试验过程中土压力变化，如图 2所示。模型地基表面布置激光位移传感器测量地表沉降。
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图 2 左储藏库和污水沟表面布置土压力传感器Figure 2. Earth pressure transducers on warehouse and sewer line离心模型试验在清华大学土工离心机上进行，离心加速度为60g和80g，遵循离心模型相似比尺[2]。当模型地基在离心场中沉降稳定后，向地下室施加300 kPa均布荷载，再次沉降稳定后，模拟开挖面失稳过程。试验过程中通过摄像机记录地基和结构的变形和破坏。
2. 离心模型试验结果及分析
2.1 有限开挖面位移下拱效应和局部破坏
本节采用原型尺寸描述试验结果。模型1采用离心加速度60g。试验中控制开挖面最大位移为2.9 m，或者0.48H，H为开挖面的高度，考察及时控制开挖面位移对变形破坏机理的影响。
图 3为通过图像分析得到的地基中土体破坏区域的发展过程。图中数字为当前开挖面位移下结构最大沉降。图 3显示了随开挖面位移增加，土体在开挖面附近形成土拱，土体失稳导致脱空和孔洞，失稳区域向上发展，在污水沟附近形成土拱，终止于局部破坏。
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图 3 均质粉土控制开挖面位移造成的拱效应和局部破坏Figure 3. Local failure due to arching at limited face displacement由于既有隧道对不均匀变形非常敏感，是工程设计关注的重点。图 4为通过图像分析获得的隧道沿轴线方向的竖向变形，图中D为既有隧道直径，横坐标中的零点为开挖面位置。图 4显示，隧道变形随开挖面位移增加而快速增加，最大竖向变形发生在开挖面上部。在开挖面水平位移为2.9 m时，既有隧道最大竖向变形为0.3 m，这时土体的位移矢量如图 5所示，污水沟上方土体沉降最为显著，最大约为0.6 m。
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图 5 开挖面位移为2.9 m时土体的位移矢量Figure 5. Displacement vectors of soil at face displacement of 2.9 m图 6为试验中测量的土压力变化过程。污水沟底部由于土体破坏脱空，导致#6位置处土压力迅速降低，#4和#5位置因地基沉降土压力略有增加。图 7比较了三种既有结构的沉降随着开挖面位移变化过程，当开挖面位移超过2.7 m时有迅速增大的趋势，如果在此位移节点及时控制开挖面位移，可能能够有效控制地基和既有结构的变形。
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图 7 既有结构竖向变形随开挖面位移增加的特征Figure 7. Settlements of existing structures versus face displacement2.2 粉土夹黏土层地基中的拱效应和局部破坏
模型2离心加速度提高至80g，地基土深度达到40 m。粉土地基中夹有一层厚度为4 m的高塑性黏土层。该黏土层位于开挖面与污水沟之间，如图 8所示。试验目的在于考察黏土夹层和地下水变化对于土体和既有结构变形破坏机理的影响。开挖面水平最大位移达到6.6 m，即0.83H。开挖面失稳的过程中，污水沟处模拟了0.75 kg（模型比尺）的地下水渗漏。
图 8显示了当开挖面位移相对较小，为0~1.9 m时，土体的变形从开挖面发展至黏土层，形成土拱。土体的继续破坏使得脱空区达到污水沟底部，然后在污水沟左边向上发展，造成左储藏库和污水沟的沉降增加。当开挖面位移增至6.6 m，破坏区域有所发展，但是由于拱效应的影响，破坏区域局限在污水沟附近。左储藏库和污水沟的最大沉降分别为0.3 m和0.5 m，地下室的沉降为0.15 m。
图 9为开挖面位移为6.6 m时既有隧道的最终竖向变形和计算得到的拉应变，其中最大竖向变形为0.35 m，最大拉应变为850 με（με是微应变）。与模型1相比，隧道最大变形相似，这两个模型中出现的土拱效应降低了对既有隧道的影响。
2.3 均质粉土地基中整体失稳
模型3为均质粉土地基，采用80g的离心加速度。试验中控制开挖面位移逐级增加，最大达到6.9 m，即0.86H。试验主要目的是与模型1相比，观察开挖面位移不加控制的条件下，地基和既有结构的变形破坏机理。试验中没有引入地下水的变化。
图 10显示开挖面位移在3.2 m时，土体中出现土拱现象。但是，随着开挖面位移增大，拱效应消失，土中破坏区域向上发展。当开挖面位移达到6.9 m时，污水沟突然坠落3.9 m，土体迅速发生整体失稳，形成一个漏斗形的塌落区域。该失稳区域延伸至地面，但是绕过既有隧道和地下室。地基破坏影响的区域主要是污水沟，对于储藏库和地下室的影响不明显。
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图 10 均质粉土开挖面失稳导致的地基和结构的变形破坏Figure 10. Deformations and failure induced by face failure in silt图 10中显示，地基整体失稳使得既有隧道下形成一个长12.8 m，深1.7 m的脱空区，该脱空区导致既有隧道产生显著变形，如图 11所示。当开挖面位移为2.5 m和2.7 m时，既有隧道的变形相对均匀。当开挖面位移为5.0 m时，土体破坏区域发展到污水沟，既有隧道中部的变形明显增加；当开挖面位移为6.9 m时，地基发生整体失稳，隧道的竖向变形达到0.48 m。图 12显示了隧道的最终变形和计算的隧道应变，隧道拉应变高达1900 με。
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图 11 粉土地基中随开挖面位移增加既有隧道的变形特征Figure 11. Deformations of existing tunnel with face displacement![]()
图 12 粉土地基中既有隧道的最终变形和应变Figure 12. Ultimate deformations and strains of existing tunnel表 1比较了三个模型试验的地基条件、开挖面位移、破坏模式和既有隧道的最终变形和拉应变。试验结果表明，及时控制开挖面失稳位移，如模型1，可以有效降低其引起的灾害，将破坏限制在开挖面附近。如果开挖面附近土体与结构的相互作用得到增强，如模型2，能够增强土体中的拱效应，显著减小破坏发展的范围。然而如果开挖面位移得不到有效控制，如模型3，地基将发生大规模的破坏，既有隧道的变形，尤其是最大拉应变显著增大。图 13比较了均质粉土地基和含夹层地基中，既有隧道的最终形和隧道底部拉应变。和模型1和2相比，模型3中既有隧道的竖向变形增大约37%~60%，隧道拉应变增加超过1倍。
表 1 三个模型试验条件和结果比较Table 1. Comparisons of model conditions and test results模型编号 模型1 模型2 模型3 地基 均质粉土 粉土夹黏土 均质粉土 开挖面位移 2.9 m 6.6 m 6.9 m 地基破坏模式 局部破坏 局部破坏 整体失稳 隧道最大竖向变形 0.3 m 0.35 m 0.48 m 隧道最大拉应变 — 850 με 1900 με 注：με是微应变。 ![]()
图 13 粉土和夹层地基中既有隧道变形和应变比较Figure 13. Comparisons of test results in silt and interlayered models3. 结论
本文开展了三个离心模型试验，模拟均质粉土地基和有黏土夹层的粉土地基中既有建筑地下室、浅层隧道、储存库和地下污水沟，研发了模拟隧道开挖面失稳的试验技术，通过数字图像处理技术分析了开挖面失稳引发的土体和既有结构变形破坏的机理。主要结论如下：
（1）均质粉土地基中开挖面最大位移为2.9 m或0.48H时，对于既有地下结构的变形是一个临界点。此时土体中出现拱效应，土体破坏局限于污水沟附近，对既有隧道的变形影响较小，既有隧道最终竖向变形为0.3 m。
（2）粉土中含有高塑性的黏土夹层时，如果夹层位于开挖面和污水沟之间，可以显著增强开挖面附近土与结构的相互作用，虽然地下水发生了变化、开挖面位移达到6.6 m或0.83H，污水沟附近出现了土拱效应，破坏区域虽有增加，但是仍被明显的限制在开挖面附近，从而降低了对既有隧道的影响，隧道最终竖向变形为0.35 m，隧道最终拉应变为850 με。
（3）如果均质粉土地基中开挖面失稳时没有及时得到控制，开挖面位移达到6.9 m或0.86H，开挖面失稳导致的破坏比较迅速地向上发展，造成污水沟发生坠落，诱发土体坍塌，形成整体失稳。该失稳对于既有隧道的影响非常显著。既有隧道最终竖向变形为0.48 m，隧道拉应变达到1900 με。
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图 1 水、气边界可控/测的大尺寸模型槽示意图
Figure 1. Schematic diagram of large-scale flume model devices
表 1 试验用土的基本参数[6]
Table 1 Basic parameters of test soil
基本参数 土的种类 干密度/(g·cm-3) 最优含水率/% 饱和透水系数/(m·s-1) 植被层和细粒层土 粉质砾砂 1.48 18.5 7.0×10-8 粗粒层土 粗砂 1.56 — 4.0×10-2 低渗透性层土 黏土 1.21 36.0 1.0×10-9 
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表 2 试验用土的植被参数
Table 2 Vegetation parameters of test soils
土体类型, , 干密度/(g·cm-3) 根体积密度/(cm3·cm-3) 叶面积指数/(cm2·cm-2) 含狗牙根CDG 1.47 3.98×10-2 1.592
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表 3 模型槽试验过程
Table 3 Procedures of model tests
时间/h 试验过程 0 试验开始、通气开始、降雨开始 0~12 降雨过程 12 降雨结束、试验结束
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