關于合理確定均質土堤滲透性參數的探討

汪燊 韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司

1.引言

堤防中均質土堤的結構形式最為簡單，在粘性土料豐富的地區應用也最為廣泛。在新建堤防設計及已建堤防的除險加固設計中，該類土堤堤身滲透系數是進行滲流和滲透穩定計算的關鍵性參數，但通過各類試驗方法提出該參數后，其代表性及真實性往往存在較大爭議，現結合工程實踐對比分析常用注水試驗的過程及成果。試驗背景：肇慶市某段土堤位于花崗巖地區，需加固的堤長約3.2km，堤頂寬度一般3.0～3.5m，堤頂多為土路，局部為砂石路及水泥路，堤高4.5～5.0m。堤身填土主要以硬可塑狀砂質粘土為主，堤身局部為粘土夾碎石，土堤與下部粘土質細砂及粘土層共同構成迎水面岸坡。該土堤存在多處蟻害，且局部段洪水期發生堤身滲漏，堤后坡有多處滲漏點。根據現有水利行業規程規范，為了獲得該段土堤堤身滲透性參數，各試驗點位均同時采用了現場鉆孔注水試驗、試坑注水試驗及室內滲透試驗等三種方法。

2.試驗設定

為了注水試驗在一定的堤身深度下進行，并查明堤身土層結構及可能存在的生物洞穴及裂縫分布情況，且雙環注水法的滲入深度也需采用挖坑法確定，因此全部試驗點位均布置了探坑。為了統一試驗環境，探坑均設置在終孔后的鉆孔孔位旁，且探坑深度H接近鉆孔降水頭試驗點深度h，各試驗方法的設定如下：

（1）試坑注水試驗：粘性土堤身毛細力作用一般較大，單環注水法雖然程序較為簡單耗時短，但測得的滲透系數誤差較大，因此選用雙環注水法更為合適。為了增加垂向滲流面面積，試環選50cm較大直徑的尺寸。該法用下列公式計算滲透系數值：

式中：K—滲透系數（cm/s)；Q—內環的注入流量（L/min)；F—內環的底面積（cm2)；H—試驗水頭（cm）；Ha—試驗土層的毛細上升高度（cm）；z—從試坑底算起的滲入深度（cm）。

（2）鉆孔注水試驗：堤身為滲透性較小的粘性土，常水頭注水試驗不適用，大部分堤身均位于水位以上，試驗區域均可視為在包氣帶內，宜采用降水頭注水試驗方法，其計算公式如下；

式中：K—試驗土層的平均有效滲透系數（cm/min)；r—注水管內半徑（cm)；t1、t2—觀測時間（min）；H1、H2—當t=t1、t=t2時從孔底算起的管內水柱高度（cm）；Sr—試驗土層的最終飽和度；n—試驗土層的孔隙度。

（3）室內滲透試驗：堤身為細粒土，宜采用變水頭試驗。試驗的試樣來源于試坑的坑壁及坑底，其計算公式如下：

式中：a — 變水頭管截面積（cm2）；L—滲徑（cm）；h1、h2—開始、終止時水頭（cm）；A—試樣的斷面積（cm2）。

3.試驗成果對比

由于各點進行的三種注水試驗土層基本一致，且各試驗間先后進行互不干擾，試驗成果具可比性。由表1中數據可得出，大部分試驗均有K1（試坑雙環注水試驗）＞K2（鉆孔降注水試驗）＞K3（側壁樣室內變水頭試驗）＞K4（坑底樣室內變水頭試驗）的規律；從試驗成果平均值來具體看，各數值比例K1：K2：K3：K4=30：6：4.5：1，但具體到某一試驗點，各滲透系數值對比后的比例及大小順序可能發生一定變化。

現場試驗成果與室內試驗成果有一定差距，其中試坑注水試驗成果遠大于室內試驗成果，但鉆孔注水試驗成果略大于室內試驗成果，分析差距產生的原因為：試坑注水試驗所用試環內徑為49.6cm，鉆孔注水試驗套管內徑為11.8cm，室內變水頭試驗所用環刀內徑為6.18cm，對應試驗土層截面積分別為：1932cm2、109cm2、30cm2；可見試坑注水法的試驗土層截面積遠大于其他試驗方法，且現場試環內見土中細微裂隙分布，局部存在裂隙寬度大于2mm，試驗土層截面積大更有利于還原試驗土層結構及其存在的裂隙，而環刀取樣截面上大多只有少量裂隙，鉆孔內套管底面情況類似，此時試驗條件的尺寸效應影響將會變得很大，若截面積較小可能導致試驗成果嚴重偏小。

表1 三種注水試驗成果對比表

室內側壁樣的滲透系數值有一半數據大于室內坑底樣，最大是后者的22倍，另外一半兩者間數據基本持平。側壁樣成果可視為堤身的水平滲透系數，坑底樣成果可視為堤身的垂直滲透系數，該表反映了堤身K水平＞K垂直，與相關研究相符。這進一步驗證了土堤組成存在分層現象，探坑揭示取料均一性一般，有砂質粘土、粘土夾碎石、含碎石粘土、且局部含中等透水的粘土質細砂層（分布在T6、T10）。

在T1、T5、T6、T8、T11試驗點附近，洪水期土堤曾出現滲漏現象，試坑注水試驗滲透系數值在2.61×10-4～2.89×10-3cm/s，屬于中等透水，且T8及T11探坑中發現蟻穴，蟻穴分布較頻繁，僅K1+580～ K1+880范圍就發現16處蟻穴。試坑試驗成果和探坑揭露情況均與歷史險情一致，但室內試驗所反映的土層透水性均為弱透水，其代表性較差。

4.結論

通過以上分析比較可知，試坑雙環注水試驗明顯優于其他注水試驗方法，由于試驗中在內環和內外環之間同時注水，內外環之間為三維流，內環近似為平行流，其成果可視為土堤的垂直滲透系數，但土堤及土壩滲透性評價主要取決于水平滲透系數，結合有關資料結論K水平：K垂直=3，堤壩滲透系數可取K1的3倍左右。另外，無論單環法還是雙環法，都要求試驗土層是均質各向同性的，若試驗土層是互層或存在夾層，試驗成果將出現較大誤差，因此選用該法宜提前通過探坑揭示堤身土層，盡量避免在分層中進行試驗。