凍融及上覆荷載作用下堆石料滲透性試驗研究

徐 衛 衛，石 北 嘯

(1.水利部水庫大壩安全重點實驗室，江蘇 南京 210024； 2.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024)

我國新建的高土石壩大多數建在西南的高溫差等地區。季節性或者常年性凍土區筑壩堆石料在經歷不同上覆荷載壓力以及反復凍融循環后，其滲透性的變化將影響大壩蓄水后的變形與穩定性。為保證大壩的安全有效運行，需要對堆石料滲透性進行研究，以便在現場施工采取有效的碾壓和防凍措施以滿足大壩蓄水后穩定性要求。

目前，土的室內凍融循環試驗主要針對細粒土的抗剪強度、土固結狀態、應力-應變行為及彈性模量等主要力學指標與凍結溫度、循環次數的相關關系展開。于琳琳等[1]通過對飽和原狀粉質黏土的三軸試驗發現：在凍融后，土的凝聚力C降低，內摩擦角φ增大；凍結溫度越低，凍融循環對內摩擦角φ和凝聚力C的影響越小。王大雁等[2]認為在凍融循環后，C值減小而內摩擦角φ的變化并無規律可循。而常丹等[3]認為凝聚力C減小而內摩擦角先減小后增大。嚴晗等[4]認為隨凍融過程中循環次數增加，土體的凝聚力C會因土密度的高低發生不同程度的變化，在低密度下C提高，在高密度下C降低，內摩擦角變化不大。馬巍等[5]通過對經歷K0固結后的凍結黃土進行了三軸壓縮試驗，認為圍壓與溫度的變化是影響深部凍土抵抗變形能力的主要因素；初始切線模量Ei隨圍壓的升高呈線性增大，溫度的作用效果不明顯；溫度恒定時，峰值強度隨圍壓的升高而線性增大；圍壓恒定時，峰值強度隨溫度的降低而增高。齊吉琳等[6]對超固結土樣進行凍融循環試驗發現：超固結土在凍結初期發生了凍脹現象，在融化初期出現短暫的融脹現象，在經過1次完整的凍融循環完成過后，土的密實度略有降低。常丹等[3]認為隨著凍融循環次數的增加，在低圍壓下，粉砂的應力-應變關系由軟化型逐漸轉變為硬化型；在圍壓較高的情況下，凍融循環不會導致應力-應變關系發生改變。魏堯等[7]研究了溫度對黃土的無側限抗壓強度的影響，結果表明：在歷經不同凍結溫度的凍融循環后，黃土的無側限抗壓強度均減小，凍結溫度越低，無側限抗壓強度下降就越快，土樣凝聚力呈現隨凍結溫度降低而下降的趨勢，內摩擦角則是先減小后增加。王天亮等[8]通過室內三軸試驗發現，凍融循環后改良土的強度隨凍結溫度的降低而衰減，達到一定溫度后趨于穩定。胡田飛等[9]對粉質黏土不同凍結溫度和不同凍融循環次數開展三軸剪切試驗，結果表明：凍脹和凍縮在凍結過程中同時存在；凍結溫度越低，破壞強度隨凍融次數的變化范圍越小，達到新的穩定狀態所需的凍融次數也越少。付偉等[10]研究發現，土體凍脹融沉量和干密度均趨于穩定的凍融循環次數為5次。梁波等[11]探討了在反復凍融過程中，不同土質在不同含水量、壓實度以及荷載條件下的融沉特性。

在堆石料的室內溫度循環試驗方面：石北嘯等[12]就外界溫度變化引起堆石料流變的影響，開展了10 ℃～40 ℃情況下不同次溫度循環作用下堆石料的流變試驗，發現：溫度升高，流變量較小，溫度降低，流變量增大；隨著循環次數的增多，最終的體積變形量會增大，但就每次溫度循環而言，軸向和體積變形量均呈減小的趨勢。陳濤等[13]對如美筑壩堆石料進行了不同法向應力條件下的凍融循環試驗和直剪試驗，研究了凍融循環過程中堆石料的變形與強度特性，發現：堆石料在一個凍融循環周期內，試樣會依次經歷融縮-凍縮-凍脹3個典型狀態；凍融循環后，堆石料試樣的密實度和抗剪強度降低，并且在經歷20次凍融循環后其抗剪強度降低約11.5%～15.4%。

上述凍融循環試驗研究對象大多是黏土或摻礫石土料。堆石料經歷凍融循環，其力學性能的變化不如黏土料敏感，但堆石料在凍融循環后，是否會因試樣內部存在孔隙水，導致試樣原有結構破壞，進而引起滲透系數的變化，需要進一步研究。因此，采用某心墻堆石壩料場開采的土石壩I區堆石料，進行不同上覆荷載與不同凍融循環次數下的大型滲透試驗，研究不同上覆荷載與不同凍融循環次數下滲透系數的變化規律，建立凍融循環次數與滲透系數的相關關系，揭示堆石料在凍融循環條件下滲透系數的演變規律，為高寒或晝夜溫差較大地區堆石壩工程的長期滲流安全提供科學參考。

1 試驗研究方法

按照工程設計要求的密度制做堆石料大型滲透試驗試樣。堆石料試樣經歷不同凍融循環次數后，施加不同上覆荷載。待試樣變形穩定后，進行常水頭下大型滲透試驗，研究凍融循環及上覆荷載對堆石料滲透系數的影響規律。試驗在大型滲透儀上進行，滲透儀尺寸為φ300 mm×300 mm，其中300 mm為滲徑，凍融循環次數為0次(未凍融)、3次、10次，上覆荷載分別為50，100，200 kPa和400 kPa。

試驗在黑龍江省水科院進行，在大型滲透儀上制樣完成后放入凍融室開展凍融循環試驗。試驗前，先在試樣中設置溫度傳感器，測試不同凍融時間時的試樣溫度，從而確定凍融試驗所需時間。通過試驗，確定凍結溫度為-15 ℃，融化溫度為25 ℃，凍融時間各為12 h，可滿足試驗要求。

凍融次數滿足試驗設計要求后，取出試樣并逐級施加荷載直至試驗設計荷載值，然后從下向上對試樣開展滲透試驗，待出水口水流連續且無氣泡溢出，測量試樣滲透系數。每組凍融循環試驗進行3個試樣的平行試驗，各組凍融循環試驗數據取平均值作為試驗結果。

1.1 試驗成樣

試驗所用料為西藏某心墻堆石壩工程的堆石料場爆破的弱卸荷英安巖。該地區屬高原溫帶半濕潤季風型氣候區，夏季濕潤，冬季寒冷干燥，溫度最高為25 ℃，最低溫度為-20 ℃。

試驗針對該堆石壩工程堆石Ⅰ區料所用弱卸荷英安巖開展。對試驗用料按《土工試驗方法標準》[14]要求進行縮尺，堆石Ⅰ區料級配與縮尺后的試驗模擬級配曲線如圖1所示。將自然風干后的試驗用料分60～40，40～20，20～10，10～5，5～0 mm 5種粒徑范圍稱取后充分拌勻，為便于試樣擊實，加2%曝氣水后采用振動擊實法分3層擊實成樣，制樣過程如圖2所示。試樣制樣密度為2.08 g/cm3，與工程要求相同。

圖1 堆石Ⅰ區料級配與試驗模擬級配曲線Fig.1 In-situ and test used gradation curve of filling material

圖2 大型滲透試驗的制樣過程Fig.2 Sample preparation process for large seepage tests

為防止試樣內部顆粒離析堵塞透水板，制樣時，在直徑為2 mm透水孔的透水板上部鋪直徑為20～40 mm的砂礫石排水層。為避免沿儀器內壁集中滲漏，裝樣時在儀器壁的內側涂上一層凡士林。

滲透試驗嚴格按照《水電水利工程粗粒土試驗規程》[15]進行。試樣采用常水頭法進行飽和，滲流方向為從下向上，在固定位置設置滲透試驗用水，水頭高度不變，略高于試樣底部1～2 mm，滲透水流從滲透儀底部的連通管逐漸滲透至試樣底部，待試樣內部水頭與滲透水頭一致后，逐步提高滲透水頭，直至試樣出水口水流連續且無氣泡溢出，測量試樣滲透系數。

1.2 測量裝置與測量方法

試驗裝置由龍門架、千斤頂、百分表、水桶、叉車、水泵、量筒、溫度計、電源、數據采集線、數據采集系統等組成。

用水泵從裝入適量水的桶A不斷地向提供水頭差的桶B內注入水，桶B的邊緣有一個溢流孔(保證桶B有一個恒定的水頭差，由叉車提升桶B的高度)流入到桶A，水可循環使用。用千斤頂上頂龍門架、下壓滲透儀蓋板，從而提供給試樣反壓作用，其作用力的大小由設置在龍門架下方的傳感器連接到數據采集系統自動調節。通過設置在滲透儀頂板上等角度分布的3只百分表測量上覆壓力下試樣的變形(見圖3)。

圖3 加載條件下大型滲透試驗Fig.3 Large seepage test under loading conditions

2 大型滲透試驗

2.1 試驗過程與試驗現象分析

將需要凍融的試樣依次放入冷庫中開展凍融循環試驗。圖4和圖5為凍融循環試驗前后試樣外觀。比較后發現，經歷凍融循環后，滲透儀上部蓋板均被試樣頂托出滲透儀上平面，頂托高度與凍融循環次數有關，凍融循環10次要比3次的頂托量更大。應該是在試樣凍結過程中，凍結后的冰壓力受試驗裝置周圍側壓力限制，僅能在豎向產生變形并引起上部蓋板頂托。

圖4 凍融前的試樣圖片Fig.4 Image of sample before freezing and thawing

圖5 凍融循環后試樣圖片Fig.5 Image of sample after freezing and thawing

滲透試驗完成后，拆卸試樣上部蓋板后(見圖6)，發現靠近滲透儀側壁邊緣，有幾處顯示出堆石料大顆粒堆積明顯、細小顆粒較少的現象，可能是滲透過程中，試樣的細顆粒沿著滲透儀側壁隨水流失(圖6標記位置)。

圖6 滲透試驗結束后的試樣表面Fig.6 Surface of the sample after the test(water is drained)

分析認為：堆石料內部顆粒間原有平衡在凍結作用下被破壞，改變了試樣的內部結構，反復凍融導致邊緣部位的顆粒，尤其是與其他顆粒接觸不緊密的細顆粒，隨水流動而發生位置改變。

2.2 凍融循環及上覆壓力下滲透系數的測量結果

對經歷不同凍融循環次數試樣開展常水頭下的大型滲透試驗，其中，凍融循環次數分別為：0次(未凍融)、3次、10次，上覆壓力分別50，100，200，400 kPa，滲透試驗與對比分析結果列于表1。

從表1來看：隨著上覆荷載增加，無論是否經歷凍融循環，試樣滲透系數均呈逐漸降低趨勢；上覆荷載越小，經歷凍融循環后滲透系數增大越明顯。無論上覆應力多大，凍融循環次數越多，試樣滲透系數增大越明顯。將經歷不同凍融次數下的試樣滲透系數對比后還發現，3次凍融循環后的滲透系數與未經歷凍融循環的相比，滲透系數增加明顯，而經歷10次凍融循環與經歷3次凍融循環相比，試樣的滲透系數雖有所增加，但增加趨勢明顯減緩。

表1 不同凍融循環次數下的滲透系數變化Tab.1 Variation permeability coefficient of different cycles numbers

2.3 凍融循環及上覆壓力對滲透系數的影響

未經歷凍融循環時，隨著上覆荷載的增大，試樣滲透系數逐漸減小。這是因為試樣在逐級加載的情況下，隨著上覆荷載的增加，堆石料壓密程度逐漸提高，試樣內部孔隙率逐漸降低，因而，堆石料的滲透系數逐漸減小。另外，從表1還可以看出，上覆荷載分別從50 kPa和200 kPa增大1倍，滲透系數分別降低了0.9×10-3和0.25×10-3。可見，從滲透系數的減小量上來說，上覆荷載與滲透系數并非呈直線關系。

當上覆荷載一定時，如上覆荷載為100 kPa時，3次凍融循環后滲透系數增大了3.78倍，而10次凍融循環后滲透系數僅增大了1.30倍，可見，凍融循環次數對滲透系數的影響明顯，但前幾次凍融循環的影響更大。

為充分研究不同凍融循環次數與不同上覆壓力作用下堆石料滲透系數的變化規律，凍融循環次數分別為0次(未凍融)、3次、10次，上覆壓力分別為50，100，200 kPa和400 kPa時，對試樣的滲透系數與上覆荷載的關系進行擬合(見圖7)。通過擬合發現，試樣滲透系數與上覆荷載可用公式(1) 的冪函數關系來表示。

圖7 上覆荷載與滲透系數關系曲線Fig.7 Fitting curve between overburden load and permeability coefficient

y=a·xb

(1)

式中：a為無上覆荷載時的滲透系數；b為擬合參數。

從擬合公式(1) 可以看出，滲透系數與上覆荷載呈冪函數關系。當上覆荷載為0時，堆石料的滲透系數y為常規滲透系數。試驗值a，b根據堆石料的不同而變化，主要反映不同材料的滲透變化特性。

由圖7可明顯看出：相同上覆荷載下，隨著凍融循環次數的增加，滲透系數逐漸增大，上覆荷載較低時，滲透系數變化更為顯著；相同凍融循環次數條件下，上覆荷載越大，滲透系數越低，且凍融循環次數越多越明顯。

從不同上覆荷載和凍融循環次數條件下，由大型滲透試驗獲得的堆石料滲透系數來看：凍融循環會導致滲透系數增大，尤其是前幾次凍融更明顯；而上覆荷載則會抑制試樣的滲透性能，導致滲透系數隨上覆荷載增加而降低。對實際工程來說，要盡量采取保溫措施，或在設計上采取排水措施，避免堆石料因凍融而導致滲透系數增大，發生滲透破壞，危及工程安全。

3 結 論

本文開展了不同上覆荷載及不同凍融循環次數下堆石料的滲透試驗，針對上覆荷載和凍融循環對堆石料滲透性能的影響規律進行了分析，得出如下結論：

(1) 無論是否經歷凍融，堆石料的滲透系數均隨上覆荷載的增加呈減小趨勢，且滲透系數與上覆荷載近似呈冪函數y=a·xb關系。

(2) 上覆荷載一定時，堆石料的滲透系數隨凍融循環次數的增加呈增大趨勢，前幾次凍融循環對滲透系數的影響更大。

(3) 上覆荷載越低，經歷的凍融循環次數越多，堆石料試樣內部結構破壞越嚴重，滲透系數也就越大。建議盡量采取保溫措施，或在設計上采取排水措施，避免堆石料因凍融而導致滲透系數增大，危及工程安全。