無黏性粗粒土在水利工程中滲透系數試驗方法研究

唐占君

(哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司，新疆 哈密 839000)

1 概 述

滲透系數是滲流分析中最基本的、也是非常重要的計算參數，是一個具有多重意義的土工參數，它的大小主要反映土體中孔隙的大小、多少以及連通等構成情況[1]。目前國內外對土體的滲透系數主要通過試驗獲取，在缺乏試驗條件時采用經驗公式計算，因此經驗計算公式的選用就顯得尤為重要。無黏性粗粒土在水利工程建設中應用廣泛，其特點為壓實性能好、透水性強、填筑密度大、強度高、變形小等，且分布廣泛、儲量豐富、經濟性好。研究表明，無黏性粗粒土的滲透規律很復雜，多年來國內多位專家從不同角度進行了相關研究。

2 試驗方法研究

目前水利工程建設過程中，粗粒土滲透系數可通過室內試驗或者現場試驗獲取。依據《土工試驗規程》(SL237-1999)，粗粒土滲透系數室內試驗一般都使用直徑30 cm 垂直(水平)滲透裝置，見圖1，試驗采用縮尺法制樣。為了試驗數據更真實可靠，部分試驗室也采用直徑100 cm甚至更大直徑的設備對原級配的粗粒料進行相關滲透試驗。即使如此，也依然存在不能滿足原級配料的大型滲透試驗，仍然需要縮尺法制樣后進行試驗[2]。依據《水利水電工程注水試驗規程》(SL345-2007)，試坑單環注水試驗適用于地下水位以上的砂土、砂卵礫石等土層。依據《土石筑壩材料碾壓試驗規程》(NB/T 35016-2013)，可采用現場垂直滲透變形試驗和現場水平滲透變形試驗，其試驗裝置圖見圖2和圖3。

圖1 室內垂直滲透儀示意圖

圖2 現場垂直滲透試驗裝置示意圖

圖3 現場水平滲透試驗裝置示意圖

目前，在粗粒土室內試驗中，處理超粒徑有4種方法，分別是剔除法、等量替代法、相似級配法和混合法。土工試驗規程給出了4種縮尺方法，但具體采用哪種，規程并未給出明確規定。其中剔除法、相似級配法和混合法3種制樣法制樣都會改變樣品中細粒含量比例，細料含量Pf會相應或多或少有所增加，細粒增加也會導致滲透系數K相應減小。而等量替代法，細料含量Pf保持不變，其滲透系數K與原始級配相差較少。謝定孫等研究建議[3]，為確保縮尺方法求得的滲透系數等于原級配的滲透系數，等量代替法必須至少保持30%的細顆粒級配不變化。從安全可靠出發，建議等量代替法最多只能代替60%的粗顆粒，保證40%的細粒粒徑不變化。縮尺后細料含量Pf發生較大變化時，其滲透性變化也較大，縮尺倍數越大，差異就越大。

大部分地質勘查的室內試驗中，滲透系數試驗的取值是由室內利用縮尺法制樣后試驗獲得，現場是通過原位注水試驗來獲取[4]。為了試驗數據更接近真實，部分試驗室也采用了直徑100 cm甚至更大直徑的設備對原級配的粗粒料進行相關滲透試驗，但大部分的試驗數據實用性并不強，分析原因如下：

縮尺法導致室內滲透系數試驗數據偏小，但偏小多少卻很難定量。另外，室內的試驗控制密度大多都是按相對密度的0.85控制。但實體工程中，由于大型機械的碾壓，工程實體相對密度遠遠高于0.85，而滲透系數隨密實度的增大而減小， 導致室內試驗結果比工程實際偏大，不利于設計的滲流計算。例如，某工程的地勘資料滲透系數為2.1×10-2cm/s，工程施工實體的滲透系數為2.2×10-3cm/s，差了一個數量等級。筆者在工作中發現，粗粒土在大型設備碾壓完畢后，表層的滲透系數小于中下部的滲透系數，特別是含細粒較多的粗粒土，尤為明顯。某工程所用粗粒土細粒含量30%～40%左右，鋪土厚度80 cm，碾壓完畢后現場原位注水試驗表層滲透系數為 2.0×10-3cm/s，中下層滲透系數為5.2×10-3cm/s，具體原因通過工程實例分析。

某些工程為了獲取更為真實或者說更具意義的滲透系數取值，盡可能去進行原級配的垂直(或者水平)滲透系數試驗[5]，當然這樣的試驗結果是更接近真實值的，具有一定的實際意義。但實體工程中滲透是復雜多變的，不是單純垂直或者水平滲透，而試驗室很難模擬出滲流的真實情況。另外，室內的大型滲透試驗的控制密度也大多是相對密度0.85，而工程實體總是大于0.85甚至達到0.95以上，這也造成室內滲透系數試驗數據成果偏大。《土石筑壩材料碾壓試驗規程》(NB/T35016-2013)中提出現場垂直和水平碾壓土體滲透變形試驗方法，筆者認為更接近于真實值，該試驗方法降低了壓實度對滲透系數的影響，另外它對垂直和水平的滲透系數均進行了分析研究，對工程的實際意義更大，而該方法取得的試驗數據作為設計的滲流計算，準確度應該更高。

3 工程實例

3.1 工程概況

某水利工程壩型為砂礫石面板堆石壩，最大壩高164.3 m，總庫容22.51×108m3，控制灌溉面積28.5×104hm2，屬大(Ⅰ)型Ⅰ等工程。樞紐工程由攔河壩、溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔泄洪洞、發電引水系統、電站廠房、生態基流引水洞及其廠房等主要建筑物組成。其主料場C4砂礫石料場，距壩址7.8～15.0 km，料場沿葉爾羌河呈彎曲的條帶狀分布，地面高程1 620～1 640 m，長7 400 m，寬230～550 m，面積3.7 km2，巖性為第四系全新統沖積砂卵礫石。該料場大部分位于河漫灘，地下潛水位埋深淺，并受河水漲落影響，平枯水期地下水埋深1～4 m，7-8月份洪水期均位于水下。據探坑揭露，料場無用層厚度0～0.5 m，平枯水期水上有用層厚度0.5～1.5 m，按平行斷面法計算無用層儲量110×104m3，水上有用層儲量250×104m3；若按水下開采3 m計，C4砂礫石料場有用層總儲量為1 000×104m3。

3.2 試驗過程及結果分析

對C4料場填筑料檢測現場填筑碾壓后的滲透系數及壓實指標，為設計單位根據檢測成果復核滲透穩定提供依據。依據《水利水電工程注水試驗規程》(SL 345-2007)的相關規定，試坑單環注水試驗適用于地下水位以上的砂土、砂卵礫石等土層，本工程所用C4填筑料定名為卵石混合土(SICb)，符合規范規定。因此，本次C4填筑料碾壓后現場滲透系數測定采用單環注水試驗方法，現場試驗選用的試驗設備直徑為51.49 cm(內徑)，高50.1 cm，環面積2 082.0 cm2，見圖4。

圖4 現場注水試驗

填筑壓實碾壓機械選用26T自行式振動碾，型號為XS263J，振動輪寬度為2 130 mm，振動頻率27～32 Hz，高振幅1.9 mm，激振力410 kN；低振幅0.95 mm，激振力300 kN。砂礫料碾壓采用高振幅低頻率碾壓10遍，行進速度不大于3 km/h， 碾壓方式采用錯距法或整碾錯距法，即能滿足設計壓實標準相對密度≥0.85。

本次現場原位注水試驗共進行5組(1#、2#、3#、4#、5#)，其中3組(1#、2#、3#)在碾壓試驗段進行，目的在于與壩體填筑有所比對，試驗時間2018年5月3日，該試驗檢測工作面振碾遍數>20遍，試驗時注水鐵環深度為表層10～20 cm。另外2組(4#、5#)在大壩下游第17層填筑面及第20層填筑面進行，該試驗檢測工作面振碾遍數為振碾10遍，試驗結果見表1。

表1 5組現場原位注水試驗成果表

續表1

3.2.1 大壩下游現場碾壓試驗及結果分析

1) 第17層的4#樣。試驗時間2018年5月3日，試驗時注水鐵環深度為表層10～20 cm，其滲透系數檢測結果為2.1×10-3cm/s，壓實度檢測結果相對密度為0.92，試驗結果見表1。

2) 第20層的5#樣。試驗時間2018年5月11日，試驗時注水鐵環深度為表層30 cm，其滲透系數檢測結果為4.4×10-3cm/s，壓實度檢測結果相對密度為0.94，試驗結果見表1。

在大壩下游進行2組原位注水試驗，由試驗結果可以看出，填筑段面的表層滲透系數小于中下部的滲透系數，分析其原因，有以下幾個方面：

1) 從密實度上分析，表層填筑料經過碾壓后，其密實度要大于中下部的密實度，從而導致中下部填筑料的滲透系數要較表層大。但隨著時間的推移和大壩填筑的繼續，再加上后期水的浸潤，由于重力原因及沉降，這種表層和中下層的密實度會逐漸趨于一致，其滲透系數也應會逐漸趨于平衡。

2) 從現場碾壓分析，天然干燥狀態下的砂卵礫石填筑料在振動碾碾壓過程中，大顆粒填筑料受到振動碾激振力的沖擊，始終是保持向下運動。由于顆粒之間的相互作用，小顆粒受到擠壓，向上運動，從而導致碾壓完后，原來處于表層的大顆粒運動到中上部或者中部，而形成碾壓完后表層的細顆粒含量較為集中，總體要大于中下部，這也是表層的滲透系數小于中下部的滲透系數的原因之一，但這種狀態不會隨時間的推移和重力沉降的關系而有大的改變。

3) 從上料角度分析，特別是卵石上料時，大顆粒會滾落到料堆跟腳部，這也一定程度上形成整體的填鋪層面，中下層大顆粒總量大于中上層。

通過以上3點可以看出，由于碾壓后的骨料排列結構起到決定性作用，雖然重力沉降最終會使壓實度趨于一致，滲透系數趨于平衡，但填筑單層的中下部滲透系數始終會較表層大一些，而最終形成的結果是垂直滲透系數小于水平滲透系數。

3.2.2 碾壓試驗段試驗檢測結果分析

在碾壓試驗段進行3組原位注水試驗，由試驗結果可以看出：

1) 填筑試驗段的滲透系數與大壩下游現場填筑面表層滲透系數基本一致。

2) 填筑試驗段的滲透系數并沒有因為碾壓遍數的增加而有明顯的減小，由此可以推斷，C4料場填筑料當碾壓密實度到一定程度后，其填筑斷面表層的滲透系數基本一致，約為2.0×10-3cm/s。

4 結論及建議

通過粗粒土滲透系數方法的研究，結合實際工程現場原位注水試驗，得到以下結論和建議：

1) 室內滲透系數試驗應盡可能使用原級配，條件不允許時，采用縮尺法應采用等量替代法，但應注意細粒含量的適宜性。

2) 現場原級配碾壓試驗過程中增加現場碾壓土體滲透變形試驗是很有必要性的，不僅能進一步驗證地勘數據的準確性，也能更準確地為設計提供實體工程的滲透系數數據。

3) 不論是天然的卵礫石還是破碎料，為了更準確地獲取滲透性能數據，應盡可能模擬實際的工況進行原級配滲透試驗。對不同巖性，應具體分析，選擇合適的試驗方案。