深厚覆蓋層地基滲透破壞試驗研究

辛圓心，詹美禮

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安710065；2.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京210098）

深厚覆蓋層是指第四紀松散堆積物厚度大于30 m且主要堆積在河床之中的地層［1］，主要由漂卵礫石層、塊碎石層、粉砂及細砂層等組成。其形成原因及方式異常復雜，造成地基地層結構較為松散，往往表現出級配的不連續性，多數缺乏中間粒徑，且在水平和垂直方向上土體級配均變化懸殊，最終導致地基土體的滲透特性、物理性能等都有極大的不均勻性。由于這種地基對水流的阻力非常小，透水性較強，建壩后，在上下游高水頭差作用下很容易發生滲透穩定問題，因此，開展深厚覆蓋層地基滲透破壞試驗研究非常有必要。

目前，對深厚覆蓋層滲透穩定問題的研究并不系統和深入，多數都集中于不同因素對試樣滲透特性的影響。劉杰等［2］研究了二元堤基中砂礫石層不同的細顆粒含量對管涌破壞的影響，發現當細顆粒含量超過20%時，上部土層的穩定性與滲流通道的形成有密切關系；丁留謙等［3］進行了不同層地基土的滲透試驗，研究了管涌發展破壞全過程；張家發等［4］采用室內試驗模擬了滲透破壞發生破壞全過程，得出懸掛式防滲墻對防滲效果并不顯著的結論；陳群等［5］研究比較了最大粒徑和細顆粒含量不同的缺級試樣土條件下對應的管涌滲透規律；劉杰等［6］基于砂槽模型研究了兩層地基的滲透破壞特性以及地基滲透破壞機理，得出地基下層礫石層對滲透穩定起關鍵性作用的結論；段祥寶等［7］通過砂槽模型試驗，模擬了水庫水位降落過程中由粉砂、黏土等多種材料組成的大壩邊坡的非穩定滲流過程；羅玉龍等［8］進行了大量不同應力狀態下堤基砂礫石層的管涌破壞機理試驗研究，并提出臨界滲透坡降經驗公式；陳建生等［9］通過對雙層堤基土的滲透變形研究得出管涌過程中流量隨時間變化規律；詹美禮等［10］建立了堤壩飽和-非飽和滲流系統，進行了土樣的非飽和導水率試驗以及堤壩在不同水位變化工況下的非飽和滲流試驗研究；王璠［11］也通過大尺度流固耦合試驗對深厚覆蓋層上建壩地基內管涌發生-發展-破壞的全過程進行分析研究，準確描述了不同階段試樣內部水壓力和滲透梯度對應的不同變化規律。

針對深厚覆蓋層上建壩出現的一系列滲透穩定問題，以及目前對于深厚覆蓋層地基滲透破壞研究的現狀和不足，本文介紹了自行研制的大土柱滲透破壞試驗裝置，并對設計的管涌型土體開展了0.0、0.3、0.5、0.7 MPa上覆壓力作用下相同顆粒級配土樣的滲透破壞試驗研究，揭示了滲透破壞前、破壞發生、破壞后的全過程，并討論了基準局部滲透坡降的變化規律以及滲透破壞前后滲透特性變化規律。

1 試驗裝置及原理

1.1 試驗裝置

試驗裝置見圖1，該裝置可以較好模擬深厚覆蓋層地基所處實際應力狀態。

圖1 試驗裝置

該裝置量程為20 t，壓力儀單位為kN，精確度為0.1 kN。桶壁四周鉆了4排圓孔，共9個，用來安置透水石、測定土樣中不同位置的水頭，探頭均放置于試樣中心位置。裝置供水主要通過溢流桶，可供給0.0～3.0 m的水頭，通過人工調節溢流桶的高度來改變進水口處水頭；當需要的水頭大于3.0 m時，則需要利用實驗室自來水管的水壓調節水頭的大小。在小于3.0 m水頭低壓條件下，由測壓管直接讀取；當水頭高于3.0 m時，由孔隙水壓力傳感器測量。為了試樣受力均勻，同時不影響水流出流，在試樣上表面放置透水石板，在試樣下表面放置土工布防止砂子下漏堵住進水口。

1.2 試驗原理

認為水流服從達西定律，由此得出滲透坡降與流速的關系。

式中：Q為流量；A為土樣截面積；V為流度；J為水力梯度；K為滲透系數；H1、H2分別為上下游水頭；L為滲流長度。

2 試驗設計與步驟

2.1 試驗設計

2.1.1 幾何條件

為了使得滲透破壞現象明顯，易于觀察，本試驗所選土體為“管涌型”級配土體，此種級配土體在一定水力梯度作用下會發生滲透破壞。本試驗裝置采用圓桶型，直徑為0.46 m，根據土工試驗土樣設計要求，本次試驗選用的土樣最大粒徑為0.04 m，密度為2 000 kg/m3，總重為211 kg，分5次填筑。試驗土樣顆粒級配見表1。

表1 試驗土樣顆料級配

2.1.2 試驗模型

本試驗將進水口設在裝置底部，出水口設在上部，為了防止砂子堵塞進出水口，在裝置底層和頂層分別鋪設厚度為0.01～0.02 m、粒徑為0.005 m的粗石子充當反濾層，在上游進水口處鋪設土工布，為了真實模擬深厚覆蓋層地基滲透破壞，本試驗水流采用自下而上。試驗土樣設計高度為0.55 m，在圓柱中心處以高度0.07 m為單位共放置9個測壓管探頭，進行不同位置的水頭測量。

2.1.3 壓力組合

本試驗分別設計了上覆壓力為0.0、0.3、0.5、0.7 MPa時土體的滲透特性研究，上覆壓力組合見表2。

表2 上覆壓力組合

2.2 試驗步驟

（1）試驗裝置氣密性檢查。

（2）土樣裝填。首先進行砂子篩分配置，配置好以后加入適量水將其攪拌均勻。然后按設計的模型在試樣底部鋪設反濾層，為了防止細顆粒流入粗顆粒里面，在其表面放置直徑0.046 m的土工布，試樣分5次填筑，每次填筑好以后必須用擊打實器進行擊實。裝填過程中需時刻量取試樣裝填高度并在圓桶外壁標注好測點的放置高度進行測壓管的放置，因測頭較多，埋設位于試樣中間部位，在此過程中需要保證測壓管“對號入座”。填筑完成后在上層同樣鋪設反濾層，放上透水板并保證水平，放上蓋子，擰好螺絲完成裝填。

（3）飽和試樣。首先用夾子將9個測壓管夾死，將進水口閥門關閉，然后將溢流桶和進水口連接好，并將溢流桶提高到圓柱筒靠近下邊緣約三分之一的位置，打開閥門往溢流桶內沖水直至其發生溢流為止，關閉供水裝置閥門，打開試樣進水口閥門往試樣內部注水進行飽和。

（4）加壓排氣。飽和過程中摘掉所有測壓管上的夾子進行排氣，待每根測壓管徹底排完氣以后接上去，飽和完成后記錄各測壓管壓強。

（5）滲流特性試驗。首先把溢流桶提高到略高于下游出水口的位置，保證有水流流出。然后給溢流桶供水，并調節閥門使溢流桶始終保持穩定溢流狀態，保證恒定水頭條件，試驗中每隔10 min進行一次流量測量，待連續兩次所測得流量基本相同時認為水流達到穩定狀態，記錄流量值，與此同時，記錄各個測點的水頭數據，且在每一級滲壓過程中需時刻觀察記錄圓桶邊壁發生的現象。如此重復，待溢流桶達到最高時，關閉測壓管及進水口閥門，將進水口連接到有水壓表的自來水上面，打開所有閥門，調節水壓大小重復上述步驟直至測壓管超過其量程，改用孔隙水壓力計進行測壓管壓力大小的測量，繼續增大水頭直至發生滲透破壞。

（6）完成試驗以后進行壓力卸載，然后取出桶內的試樣進行重新烘干、配樣，繼續進行下一級試驗。

3 試驗結果分析

3.1 滲流場演變規律

3.1.1 上覆壓力0.0 MPa（無上覆壓力）滲流場

為使得土體完全飽和且不發生滲透破壞，飽和歷時13 h。上覆壓力0.0 MPa的試驗過程見表3。

表3 上覆壓力0.0 MPa試驗過程

無上覆壓力作用下水力梯度隨時間的變化關系如圖5所示。水力梯度隨時間增加而增大，且增加幅度越來越大。在水力梯度為0.516的時候水力梯度增幅產生微弱的減小，驗證了上面分析結論，即此刻土體發生滲透破壞，對應的水力梯度稱為臨界坡降；在水力梯度達到1.893的時候水力梯度變化并不明顯，由上文分析初步認為此時為土體滲透破壞后的階段，對應的水力梯度稱為破壞坡降。

3.1.2 上覆壓力0.3 MPa滲流場

土體飽和歷時11 h。上覆壓力0.3 MPa的試驗過程見表4。

圖2 水力梯度隨時間變化（0.0 MPa）

上覆壓力為0.3 MPa時水力梯度隨時間的變化如圖3所示。水力梯度隨時間增加不斷增大，在達到0.800的時候增幅突變減小，驗證了滲流場分析結論，表明此刻發生細顆粒移動，也就是滲透破壞開始發生；水力梯度為2.527的時候水力梯度增幅突變減小，初步分析此時為滲透破壞后階段。

3.1.3 上覆壓力0.5 MPa滲流場

土樣飽和歷時11 h，飽和后上下游水頭差為8.9 cm。上覆壓力0.5 MPa的試驗過程見表5。

圖3 水力梯度隨時間變化（0.3 MPa）

表4 上覆壓力0.3 MPa試驗過程

表5 上覆壓力0.5 MPa試驗過程

上覆壓力為0.5 MPa時水力梯度隨時間的變化情況如圖4所示。水力梯度隨時間增加而增大，且增幅越來越大。在水力梯度為1.402的時候產生“拐點”，增幅突變減小，即在此刻開始發生滲透破壞；水力梯度為3.460時，水力梯度增幅突變減小，初步分析此刻為滲透破壞后的階段。

3.1.4 上覆壓力0.7 MPa滲流場

土樣飽和歷時10 h，飽和后上下游水頭差為14.2 cm。上覆壓力0.7 MPa的試驗過程見表6。

表6 上覆壓力0.7 MPa試驗過程

上覆壓力為0.7 MPa時水力梯度隨時間的變化情況如圖5所示。水力梯度隨時間增加不斷增大。在水力梯度為2.391時，增幅突變減小，此時發生滲透破壞；水力梯度為4.331時，增幅同樣突變減小，此刻為滲透破壞后的階段。

3.2 基準試驗局部滲透坡降的變化規律

以上覆壓力0.3 MPa為例，分析1～7測壓管之間局部滲透坡降規律和滲透破壞從發生至破壞后的全過程。

0.3 MPa上覆壓力作用下各測點之間局部滲透坡降隨上下游水頭差的變化情況如圖6所示。在低水頭作用下，典型測點之間滲流坡降基本同步增長，當上下游水頭差增大到 0.44 m 的時候，1～2、2～3、3～4 與 4～5、5～6、6～7出現差異，下游反濾層為潛在的薄弱區，隨著水頭差增大，首先在這個區域附近開始發生滲透破壞，細顆粒跳動并被運移，導致滲透性增大。水頭差增大到1.39 m 時，1～2、2～3、3～4產生了突變增長，4～5、5～6、6～7 產生了突變減小，說明滲透壓力沖破上游土顆粒的防御力，造成滲透性增大，細顆粒整體被運送至下游，填充了下游粗顆粒骨架，導致下游區域滲透性降低，局部滲透坡降減小。

圖4 水力梯度隨時間變化（0.5 MPa）

圖5 水力梯度隨時間變化（0.7 MPa）

3.3 土體滲透特性的變化規律

以上覆壓力0.5 MPa和0.7 MPa為例，流速與水力梯度的關系如圖7、圖8所示，圖中分別給出了滲透破壞前、破壞發生、破壞后對應的擬合曲線。不同上覆壓力作用下滲透系數及坡降見表7。

可見，隨著上覆壓力的增大，滲透破壞前、破壞發生、破壞后階段分別對應的臨界坡降與破壞坡降均呈現增長趨勢，滲透系數呈現減小的趨勢；在同一上覆壓力作用下，隨著上下游水頭差增大，滲透破壞前、破壞發生、破壞后對應的滲透系數也在不斷增大。

圖6 分段滲透坡降與上下游水頭差關系曲線（0.3 MPa）

圖7 流速與水力梯度的關系（0.5 MPa）

圖8 流速與水力梯度的關系（0.7 MPa）

表7 不同上覆壓力對應的臨界坡降、破壞坡降及滲透系數統計

4 結 論

分別進行了同一級配土樣在不同上覆壓力（0.0、0.3、0.5、0.7 MPa）作用下的滲流-應力耦合試驗，監測了大量的試驗數據，獲得了一系列的試驗成果。

（1）滲透破壞過程一般分三個階段：滲透破壞前的穩定滲流階段、滲透破壞發生階段、滲透破壞后階段。同時在此過程伴隨著顆粒的“運移—堵塞—帶走”反復、循環的過程。

（2）滲透破壞過程中局部滲透坡降變化規律：在較低水頭作用下，各測點之間滲流坡降基本相同，隨著水頭差的增大，上游水力梯度與下游水力梯度增長分組開來；當水頭差增大到一定程度的時候，下游區域水力梯度突變增大，對應上游區域附近突變減小；隨著水頭差繼續增大，上游區域附近水力梯度突變增大，對應下游區域附近突變減小，分析原因為滲透力使得上游細顆粒被帶走并運送至下游，填充了下游粗顆粒骨架，導致上游滲透性增大，下游滲透性減小。

（3）上覆壓力對滲透破壞的發生、發展有顯著影響，隨著上覆壓力的增大，滲透破壞前、滲透破壞發生、滲透破壞后階段分別對應的臨界坡降和破壞坡降均呈增大趨勢，對應的滲透系數呈減小趨勢；在同一上覆壓力作用下，滲透系數隨著滲透破壞前、滲透破壞發生、滲透破壞后呈現出增大的趨勢。