含管狀孔隙黏性土滲透性試驗(yàn)研究

魏常琦

摘要：黏性土在水利工程建設(shè)中常被認(rèn)為是不透水層或隔水層，其滲透性多為弱透水或微透水，若黏性土發(fā)育有較多管狀孔隙，其土體結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生變化，滲透性也會(huì)改變。含管狀孔隙黏性土常發(fā)育在山前洪積扇的前緣。受目前鉆孔內(nèi)取土樣設(shè)備所限，土樣采取時(shí)對(duì)管狀孔隙結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，室內(nèi)制環(huán)刀樣時(shí)容易對(duì)管狀孔隙造成破壞或堵塞，不能得到含管狀孔隙黏性土真正的滲透系數(shù)。為正確認(rèn)識(shí)含管狀孔隙黏性土的滲透性，采取了多種室內(nèi)和室外滲透試驗(yàn)手段，并經(jīng)過反復(fù)對(duì)比分析，觀察到其滲透性等級(jí)多為中等透水，明顯大于一般意義上的黏性土，并且其滲透具有方向性，經(jīng)抽水試驗(yàn)分析驗(yàn)證，在垂直方向的滲透性要遠(yuǎn)大于水平方向的滲透性。

關(guān)鍵詞：管狀孔隙：黏性土;滲透試驗(yàn);滲透性能

中圖分類號(hào)：TU4II;TU413

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.05.03l

1 研究背景及意義

黏性土層在水利工程建設(shè)中常被作為不透水層或隔水層，但若黏性土層中出現(xiàn)了較多管狀孔隙，其滲透性會(huì)發(fā)生變化。近年來，在某些水利工程勘察及施工開挖后均發(fā)現(xiàn)了含管狀孔隙黏性土，其不僅發(fā)育在淺表層土體當(dāng)中，在深度達(dá)40 m的土體中仍見有管狀孔隙發(fā)育。管狀孔隙在土體中的分布范圍之廣，發(fā)育深度之大，已改變了工程場(chǎng)區(qū)的水文地質(zhì)條件[1-3]。由于其滲透性的變化可能引起一系列的工程地質(zhì)問題，若在前期的勘察設(shè)計(jì)階段不能夠很好地認(rèn)識(shí)這類土的滲透性，且對(duì)這類土所引發(fā)的工程地質(zhì)問題沒有采取有效的處理措施，將會(huì)直接影響到工程施工的進(jìn)度、費(fèi)用，甚至影響到工程效益、工程安全，因此，找到含管狀孔隙黏性土的分布規(guī)律，并確定工程場(chǎng)區(qū)含管狀孔隙黏性土的滲透性質(zhì)非常必要。

一般情況下，黏性土的滲透系數(shù)主要是通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔內(nèi)取原狀土樣，并進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)而得到。采取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)時(shí)，用環(huán)刀切土樣易對(duì)含管狀孔隙黏性土中的管狀孔隙造成破壞或堵塞，使測(cè)得的滲透系數(shù)與真實(shí)值相差很大，不能得到含管狀孔隙黏性土真正的滲透系數(shù)。本文采用多種測(cè)試方法，分別對(duì)含管狀孔隙黏性土的滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)其發(fā)育成因和滲透性質(zhì)進(jìn)行分析和研究。

2 管狀孔隙發(fā)育成因分析

一般來說，土壤中孔隙的成因主要有生物因素及自然氣候變化等。生物因素為動(dòng)物孔隙和植物根孔，動(dòng)物活動(dòng)形成的孔隙直徑一般較大，一般為1- 50mm，且導(dǎo)水性能強(qiáng)。植物根系孔徑一般較小，一般為0.5 - 2.5 mm.約8%的孔徑大于4.5 mm。另外，黃土的本質(zhì)特征之一是具有孑L隙，根孔、蟲洞和裂隙等是黃土中最常見的大孔隙類型。

近些年，在焦作、濟(jì)源等地的某些水利工程施工開挖后，在黏性土層中均發(fā)現(xiàn)了管狀孔隙。鑒于此，從地形地貌、地層結(jié)構(gòu)的角度分析管狀孔隙的成因，為研究管狀孔隙的形成提供了一個(gè)思路。該類工程所在區(qū)域地貌上多為低山丘陵區(qū)與沖洪積平原的過渡地帶。場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為上黏性土、下粗粒土二元結(jié)構(gòu)，上部主要為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)褐黃色、褐紅色重粉質(zhì)壤土，呈可塑一硬塑狀，土體表面局部呈蜂窩狀，多發(fā)育近垂直向管狀孔隙，如圖1所示，且層與層之間連通較好，該層厚約30 m;場(chǎng)區(qū)下部為第四系上更新統(tǒng)砂卵石，呈密實(shí)狀，次圓一渾圓狀，卵石含量約為60%，少量泥質(zhì)充填，厚約Sm。

為查明某工程場(chǎng)區(qū)地下水位埋深以及壤土層與砂卵石層之間的水力聯(lián)系，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)布置了水文試驗(yàn)鉆孔，首先測(cè)得鉆孔內(nèi)①層重粉質(zhì)壤土中水位埋深，然后鉆至②層砂卵石后，在鉆孔中采用分層止水的方法，測(cè)得砂卵石層中承壓水位埋深，結(jié)果見表1，

從表1中可以看出，各鉆孔內(nèi)①層重粉質(zhì)壤土中的穩(wěn)定水位與采取分層止水后測(cè)得套管內(nèi)②層砂卵石中的承壓水位埋深基本一致，說明重粉質(zhì)壤土中的地下水主要受下部砂卵石層中的承壓水垂直向補(bǔ)給。考慮到工程場(chǎng)區(qū)位于山前洪積扇的前緣，為地下水的排泄區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)為上部含管狀孔隙的重粉質(zhì)壤土和下部砂卵石的二元結(jié)構(gòu)，下部砂卵石層中地下水具有承壓性，對(duì)上部重粉質(zhì)壤土不斷產(chǎn)生頂托補(bǔ)給作用，隨著水壓力的持續(xù)增加，上部黏性土土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將在土體中產(chǎn)生排泄通道，釋放承壓水頭，排泄通道即形成重粉質(zhì)壤土中的豎向管狀孔隙。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在水利工程開挖的基坑邊緣排水溝內(nèi)出現(xiàn)了地下水沿重粉質(zhì)壤土層中管狀孔隙自流溢出的現(xiàn)象，在場(chǎng)區(qū)附近低洼處的河溝及水井內(nèi)有較多呈點(diǎn)狀涌出的小泉眼，均是承壓水沿著重粉質(zhì)壤土中的管狀孔隙滲流溢出的結(jié)果。

3 土體的滲透性試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步研究該類含管狀孔隙黏性土的滲透性，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，分別對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注水、抽水試驗(yàn)。其中對(duì)淺部包氣帶土層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)單環(huán)注水試驗(yàn)和大型試坑滲水試驗(yàn)，對(duì)深部土體進(jìn)行鉆孔注水及抽水試驗(yàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算分別獲得了這種土的滲透系數(shù)[4-9]。

3.1 室內(nèi)滲透試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1.1 常規(guī)室內(nèi)滲透試驗(yàn)

根據(jù)場(chǎng)區(qū)內(nèi)布置水文地質(zhì)試驗(yàn)孔揭露的地質(zhì)情況，在黏性土層中均發(fā)現(xiàn)有管狀孔隙發(fā)育，對(duì)鉆孑L內(nèi)不同深度取得的簡(jiǎn)裝樣，均嚴(yán)格依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（ SL 237-1999）的規(guī)定進(jìn)行了土樣制備和滲透試驗(yàn)，并根據(jù)公式計(jì)算其滲透系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

3.1.2 改進(jìn)制樣方法的室內(nèi)滲透試驗(yàn)

為了對(duì)比常規(guī)室內(nèi)滲透試驗(yàn)的結(jié)果，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)開挖豎井取I級(jí)土樣，對(duì)豎井內(nèi)含管狀孔隙黏性土層（2-6 m深度范圍）采樣，共采集6塊方塊樣，邊長(zhǎng)均為20 cm。室內(nèi)制樣過程中對(duì)滲透試驗(yàn)環(huán)刀兩端先預(yù)留1 cm厚土，然后用修土刀垂直下切薄層（小于5mm）剝離，局部采用鋼針進(jìn)行了挑毛，后清理表層土屑，盡可能保持土樣原有管狀孔隙的通透性，見圖2，并對(duì)環(huán)刀側(cè)壁擾動(dòng)的土樣進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。各土樣垂向滲透試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3.1.3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)兩次室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，改進(jìn)試驗(yàn)方法后，所取I級(jí)方塊樣測(cè)得垂向滲透系數(shù)約為鉆孔巖芯土樣滲透系數(shù)的100倍，滲透性等級(jí)由弱透水變?yōu)橹械韧杆＝?jīng)進(jìn)一步分析，常規(guī)滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)結(jié)果偏小的原因主要有兩方面：一是受目前鉆孔巖芯取土設(shè)備所限，土樣在鉆孔內(nèi)采取時(shí)，其受擠壓擾動(dòng)較大，對(duì)管狀孔隙結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重;另一方面《土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定切土?xí)r削土刀與環(huán)刀平面呈300角，切土過程中有涂抹現(xiàn)象，堵塞了環(huán)刀試樣上下表面分布的管狀孔隙，從而導(dǎo)致了含管狀孔隙黏性土滲透性受到極大的影響。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)單環(huán)注水試驗(yàn)

考慮到場(chǎng)區(qū)內(nèi)含管狀孔隙黏性土滲透系數(shù)偏大，根據(jù)工程區(qū)內(nèi)不同的地貌單元，在地下水位以上的重粉質(zhì)壤土中選取了6個(gè)試坑單環(huán)注水試驗(yàn)點(diǎn)。單環(huán)直徑為35.7 cm，面積0.1 m²，單環(huán)注水試驗(yàn)嚴(yán)格按照《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》（ SL 345-2007）要求進(jìn)行[10-11]，并在圓形試坑開挖過程中，充分保護(hù)試坑底部管狀孔隙不被堵塞和涂抹。從所挖試坑斷面上看，管狀孔隙比較發(fā)育，孔徑多為0.05 - 0.50 cm，分布間距0.5 -3.0 cm，見圖3。

在注水試驗(yàn)過程中，可以明顯看出單環(huán)內(nèi)水流沿著坑底管狀孔隙不斷滲入，在一些大的管狀孔隙上還形成有小旋渦，注水試驗(yàn)結(jié)果見表4。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)

為進(jìn)一步查明場(chǎng)區(qū)地下水位以下的深部土體孔隙發(fā)育情況和滲透性等級(jí)，根據(jù)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》，在6個(gè)水文地質(zhì)試驗(yàn)孔不同深度范圍內(nèi)分別進(jìn)行了鉆孔常水頭注水試驗(yàn)。根據(jù)鉆孔揭露情況可見，在深部重粉質(zhì)壤土層中管狀孔隙仍較為發(fā)育，見圖4。

根據(jù)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》計(jì)算試驗(yàn)段土層的滲透系數(shù)（結(jié)果見表5）。式中：k為試驗(yàn)巖土層滲透系數(shù)，cm/s;Q為注人流量，L/min;H為試驗(yàn)水頭，cm，等于試驗(yàn)水位與地下水位之差;A為形狀系數(shù)，cm。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔抽水試驗(yàn)

根據(jù)《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（SL320-2005），在水文地質(zhì)鉆孔中進(jìn)行3個(gè)降深的單孔抽水試驗(yàn)，并對(duì)砂卵石與重粉質(zhì)壤土中的地下水位進(jìn)行了分層觀測(cè)。根據(jù)《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》潛水非完整孔的公式計(jì)算滲透系數(shù)（結(jié)果見表6）。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)大型試坑滲水試驗(yàn)

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》，試坑法滲水試驗(yàn)是野外測(cè)定包氣帶非飽和（巖）土層滲透系數(shù)的簡(jiǎn)易方法。為模擬工程開挖后含管狀孔隙黏性土的滲透性，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)挖3處試坑，坑底均高出潛水位3-5 m，然后向試坑內(nèi)均勻注水，使試坑中的水位始終高出坑底一定高度，并在坑內(nèi)設(shè)置標(biāo)尺，以觀測(cè)坑內(nèi)水位變化情況，測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)注入試坑的水量Q，近似計(jì)算試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)。

當(dāng)試坑坑壁四周無防滲措施時(shí)

F=（L+2z）（B+2z）

（4）式中：F為試坑滲透面積，cm²;L為試坑長(zhǎng)度，cm;B為試坑寬度，cm;z為試驗(yàn)水深，cm。

平均滲透速度v=Q/F，當(dāng)坑內(nèi)水位保持不變時(shí)，可以認(rèn)為水力梯度近于1，因而滲透系數(shù)k=v。這種求解方法因?yàn)槭軅?cè)向滲透的影響較大，所以所測(cè)綜合滲透系數(shù)精度稍差。當(dāng)試坑足夠大時(shí)，側(cè)滲影響可忽略不計(jì)，測(cè)得的滲透系數(shù)可認(rèn)為是垂向滲透系數(shù)。

本次共設(shè)置3個(gè)大型試坑，見表7，其中：1#、2#試坑規(guī)模較小，坑內(nèi)水深稍淺，3#試坑尺寸和試驗(yàn)水深均遠(yuǎn)大于前兩個(gè)試坑。

3#超大型試坑滲水試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬實(shí)際工程的滲漏條件，所獲得數(shù)據(jù)接近試驗(yàn)土層的綜合滲透系數(shù)。本次試驗(yàn)對(duì)根孔、蟲孔發(fā)育的上部土壤層均未作為測(cè)試土層，以排除試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，各試坑滲水試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為8h，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

3.6 滲透試驗(yàn)結(jié)果匯總分析

匯總以上幾種試驗(yàn)的結(jié)果，見表8。對(duì)黏性土進(jìn)行常規(guī)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，沒有考慮其具有管狀孔隙結(jié)構(gòu)，在取樣時(shí)巖芯常受到機(jī)械擠壓擾動(dòng)，管狀孔隙結(jié)構(gòu)多被破壞。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員由于沒有引起足夠的重視，或僅把它當(dāng)成普通的針狀孔隙來考慮，因此在進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)時(shí)，制作環(huán)刀樣也就沒有考慮管狀孔隙的因素。制樣的過程中所產(chǎn)生的“抹涂”效應(yīng)堵塞了部分管狀孔隙，使所測(cè)得的滲透系數(shù)和一般的黏性土沒有很大差別，其滲透性等級(jí)常為弱透水。而現(xiàn)場(chǎng)采取的方塊樣和鉆孔內(nèi)注水、抽水試驗(yàn)避免了對(duì)土體管狀孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，土體擾動(dòng)較小，滲透性等級(jí)多為中等透水性[12]。現(xiàn)場(chǎng)單環(huán)注水試驗(yàn)受試驗(yàn)裝置影響，試驗(yàn)環(huán)外用黏土填實(shí)可能不夠擠密，部分滲透性等級(jí)為強(qiáng)透水性。現(xiàn)場(chǎng)大型試坑滲水試驗(yàn)受施工機(jī)械影響，坑底及側(cè)壁管狀孔隙被擾動(dòng)破壞，滲透系數(shù)略小。

4 管狀孔隙發(fā)育方向性研究

為進(jìn)一步查明含管狀孔隙黏性土體在水平方向上孔隙的發(fā)育情況，在現(xiàn)場(chǎng)基坑內(nèi)選取了3個(gè)管井進(jìn)行抽水試驗(yàn)[13-15]。管井深約12 m，內(nèi)徑38 cm，外徑50cm，整個(gè)井身均位于含管狀孔隙的重粉質(zhì)壤土層中。在這3個(gè)管井周圍平行和垂直于地下水水流方向分別布置2個(gè)觀測(cè)井，圖5為J4管井與觀測(cè)井（J4PI -J4P4）的平面位置示意圖。

在試驗(yàn)過程中，當(dāng)管井抽水流量穩(wěn)定至2.5 xl0^-3m²/s時(shí)，持續(xù)一段時(shí)間后分別對(duì)抽水管井和觀測(cè)井內(nèi)地下水位進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)抽水管井水位降深8m，而距抽水管井2m的觀測(cè)孔降深僅為1m時(shí)，其水位降深曲線見圖6，另外兩個(gè)管井及觀測(cè)井水位降深曲線與圖6相似。

根據(jù)之前的現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)結(jié)果，含管狀孔隙黏性土的滲透性相當(dāng)于粉細(xì)砂的滲透性，而粉細(xì)砂的影響半徑R經(jīng)驗(yàn)值為50-75 m，按50 m考慮，抽水井抽水量達(dá)到2.5xl0^-3m³/s時(shí)，水位降深為8m，距其2m的觀測(cè)井水位降深應(yīng)達(dá)到5-6 m。而根據(jù)這次管井抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，距其2m的觀測(cè)井實(shí)際降深僅為1 m。說明黏性土中的管狀孔隙發(fā)育具有一定的方向性，其垂直方向上孔隙發(fā)育要遠(yuǎn)大于水平方向的，因此使得這類土的滲透性也同樣具方向性，垂直方向滲透性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向的滲透性能。

5 結(jié)語

通過對(duì)含管狀孔隙黏性土進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，并在室外對(duì)淺部包氣帶土層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)單環(huán)注水試驗(yàn)和大型試坑滲水試驗(yàn)，對(duì)深部土體進(jìn)行鉆孔注水及抽水等試驗(yàn)，基本掌握了該類土的發(fā)育規(guī)律和滲透性能。其滲透性等級(jí)多為中等透水性，并且滲透具方向性，垂直方向滲透性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向的滲透性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立波，黏性土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2013：2-4.

[2] 劉海偉，考慮孔隙微細(xì)觀特征的黏性土滲透機(jī)理研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2016：1—12.

[3] 葉正強(qiáng)，李愛群，楊國(guó)華，等，粘性土的滲透規(guī)律性研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，29（5）：121-125.

[4] 張瑛玲，朱敬毅，粘性土滲透系數(shù)的室內(nèi)測(cè)定方法初探[J].地質(zhì)科技情報(bào)，1991（1）：74-78.

[5]劉小龍，土的不同滲透試驗(yàn)方法應(yīng)用與研究[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2011（3）：36-39.

[6]魏惠文，劉魯娜，張尚芳，土的滲透試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)[J].山東水利，2007（3）：25-25.

[7] 王秀艷，劉長(zhǎng)禮，對(duì)粘性土孔隙水滲流規(guī)律本質(zhì)的新認(rèn)識(shí)[J].地球?qū)W報(bào)，2003，24（1）：91-95.

[8] 陳崇希，林敏，地下水動(dòng)力學(xué)[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1999：122-123.

[9] 宿青山，段淑娟，對(duì)飽和粘性土滲透規(guī)律的新認(rèn)識(shí)及其應(yīng)用[J].長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994（1）：50-56.

[10] 中華人民共和國(guó)水利部，水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程：SL 345-2007[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：4-10.

[11] 張書林，土的原位注水法滲透試驗(yàn)兩種滲透系數(shù)計(jì)算公式差異研究[J].治淮，2016（7）：12-13.

[12] 雷繼威，鉆孔注水試驗(yàn)方法及其指標(biāo)值與室內(nèi)滲透試驗(yàn)值的對(duì)比分析[J].巖土工程技術(shù)，1995（2）：46-48.

[13] 楊利超，王旭升，焦赳赳，等，粘性土層井孔抽水試驗(yàn)的參數(shù)識(shí)別[J].工程勘察，2011（6）：32-35.

[14] 中華人民共和國(guó)水利部，水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程：SL 320-2005[S].北京：中國(guó)水利水電出版社， 2005：9-15.

[15] 常士驃，張?zhí)K民，工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4版，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：996-1003.

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