凍融循環作用對堆石料滲透特性影響試驗研究

李永強

（陜西省涇惠渠灌溉中心,陜西 三原 713800）

0 引言

我國西南山區溫差極大,近年來在該區域新建的高土壩工程如雨后春筍。凍土區堆石料經反復凍融,其滲透特性發生顯著變化,從而影響大壩正常工作狀態,包括變形及穩定性。因此,了解大壩堆石料滲透特性受凍融循環作用的影響,有助于指導大壩前期設計及現場施工,特別是土石壩碾壓程度及防凍措施,以保障大壩的正常安全運行。

國內外學者針對細粒土開展了室內凍融循環試驗,研究凍融循環作用及次數對土樣物理力學特性的影響。王大雁等[1]借助三軸試驗認為凍融循環對細粒土的力學特性并無特性規律可循。常丹等[2]通過試驗得出凍融循環導致粘聚力的降低,內摩擦角先增后減。嚴晗等[3]研究季節性凍土區反復凍融條件下力學特性,開展了凍融次數、含水量、壓實系數等變量因素的室內試驗研究。結果表明凍融循環后,粉砂土應力應變呈硬化型,破壞以塑性破壞為主。魏堯等[4]通過試驗研究不同凍結溫度下不同含水率的黃土力學特性的演變規律。結果表明黃土無側限抗壓強度在歷經不同凍結溫度后均逐漸減小,黏聚力隨凍結溫度的降低而降低,而內摩擦角則出現先減后增的趨勢。胡飛田等[5]以青藏高原粉質黏土為對象,開展對不同冷卻溫度和凍融次數循環試驗及三軸剪切試驗。結果表明冷卻溫度越低,試樣破壞強度隨凍融次數的變化范圍越小,粘聚力和內摩擦角隨冷卻溫度和凍融次數的變化規律可采用Logistic模型模擬。陳濤等[5]依托西藏瀾滄江堆石壩工程,研究發現凍融循環下堆石料產生較大的回脹變形,密實度和抗剪強度均有所降低,且經歷“融縮”—“凍縮”—“凍脹”三個典型狀態。

上述凍融循環試驗研究對象多為細粒土,特別是粘性土。而針對粗粒土,如堆石料、摻礫石土料等,開展凍融循環作用下的大型滲透試驗則較為罕見。雖堆石料在凍融循環下,其力學特性受影響程度不如細粒土,但其原有的細觀結構在孔隙水凍融作用下仍然會出現變化或破壞,進而對其滲透性產生影響。而滲透性對堆石壩工程又是極為重要的設計參數。基于此,本文依托實際工程,開展大型滲透試驗,揭示凍融循環下堆石料在不同上覆荷載下滲透特性的演變規律。

1 滲透試驗方案

凍融循環試驗（圖1）在大型滲透儀上進行,其尺寸為300 mm×300 mm（滲徑）,試驗在陜西省水科院進行。試驗不同階段,需要通過溫度傳感器讀取試樣實際溫度。本次試驗凍結溫度和融化溫度分別確定為15 ℃和25 ℃,凍融持續時間均設置為12 h。首先將制作好的試樣進行凍融試驗,完成確定的凍融循環次數后,取出試樣進行豎向加載試驗,加載通過逐級施加,加載至設計荷載水平后,即開展滲透試驗。滲透系數的測定時機為滲透儀出水口水流穩定且無明顯氣泡。為了避免試驗誤差,每組滲透試驗均進行3 組平行試驗,在沒有異常數據情況下取其平均值。

圖1 大型滲透試驗照片

1.1 試樣材料

試驗材料為西南山區某堆石壩工程,英安巖,處于弱卸荷狀態。現場氣候為夏季降雨豐沛,最高氣溫25 ℃,冬季寒冷干燥,最低氣溫-20 ℃,屬于典型高海拔溫帶季風氣候區。

試驗采用堆石壩工程現場取料英安巖,開展凍融循環滲透試驗。結合《土工試驗方法標準》,對試驗用料進行縮尺處理[7-8],現場堆石料與縮尺后得到的試樣的模擬級配曲線對比見圖2。將試驗用料風干后,將其劃分為五種粒組,分別為60 mm~40 mm, 40 mm~20 mm, 20 mm~10 mm, 10 m~5 mm, 5 mm~0 mm。然后按各組份的用量充分拌和,并加入2%蒸餾水從下往上分為3 層進行振動擊實。制樣的過程照片見圖1。試樣的設計密度為2.08 g/cm3,與工程實際相匹配。

圖2 現場堆石料與試樣的級配曲線對比圖

為防止堆石料試樣產生離析從而堵塞透水板,在透水板上方鋪設30 mm厚的砂礫石排水層。另外,在裝樣前在儀器內壁均勻涂抹一層凡士林。

滲透試驗操作過程及技術要求嚴格參照《水電水利工程粗粒土試驗規程》。本文采用常水頭對堆石料試樣進行飽和處理,設定滲流方向為由下往上。水頭高度保持不變,略高于滲透儀底部2 mm,水流通過滲透儀底部的連通管滲透至堆石料試樣底部,直到試樣內部水頭與滲透水頭相等后,再逐級緩慢增大水頭,最終滲透儀出水口出現水流滲透連續且不再溢出氣泡的狀態,此時開始測量滲透系數。

1.2 測量裝置和方法

試驗裝置的主要構件有：龍門架,千斤頂、水泵、水桶、百分表、溫度計、數據采集系統等。穩定的滲流水通過以下操作實現,具體步驟：首先將桶A注入適量水,通過導管不斷注入有高度差的桶B,桶B在邊緣設溢流孔,以保證滲流試驗所需的恒定水頭差。借助千斤頂,以龍門架為反力裝置,下壓試驗滲透儀的上蓋板,分級下壓力的大小可通過固定龍門架的力傳感器測量,另外通過3 只百分表對在上覆壓力作用下堆石料試樣的變形進行量測。

2 試驗結果分析

2.1 凍融循環對滲透系數的測量結果

表1 顯示在不同凍融循環次數（n=0、n=3、n=10）下不同上覆壓力水平（50 kPa、100 kPa、200 kPa及400 kPa）堆石料試樣滲透系數值。從表1 可以看出,不論凍融循環次數多少,堆石料滲透系數隨上覆荷載的增大有明顯的減小趨勢；而上覆荷載不論多大,滲透系數與凍融循環次數呈正相關關系,且當上覆荷載水平較低時,凍融循環次數對滲透系數的影響更為顯著。可能是因為堆石料內部顆粒在反復凍融下打破了原有的細觀平衡,導致接觸力薄弱的細顆粒被融化的孔隙水流作用而變動原有位置。

表1 不同循環次數下的滲透系數表

2.2 凍融循環對滲透系數的影響

凍融循環前,隨著堆石料試樣上覆荷載水平的增大,其滲透性逐漸減小。這是因為隨著上覆荷載水平的增大,堆石料試樣越密實,孔隙率則減小,從而其滲透系數減小。且從數據上看,滲透性與上覆荷載呈非線性負相關關系。

為了更清晰顯示凍融循環次數對不同上覆壓力水平堆石料試樣滲透特性的影響,將凍融循環次數分別為n=0、n=3、n=10下不同上覆壓力與滲透系數的數據點進行擬合處理,見圖3 。通過origin軟件擬合得到,堆石料土樣滲透系數與上覆荷載水平的相互關系采用冪函數進行擬合,其結果較為理想。

圖3 不同凍融循環下滲透系數與上覆荷載的關系曲線圖

式中：a表示壓力為0時的滲透系數,b表示材料參數。

從圖3 中可以看出,當上覆荷載保持不變時,堆石料滲透系數隨凍融循環次數的增加而增大,且在凍融循環次數較小時（n=3）,其凍融循環作用對滲透特性的影響更為顯著。當凍融循環次數固定時,滲透系數與上覆荷載呈非線性負相關關系,在循環次數較大時,上覆荷載對滲透系數的影響更為敏感。對于實際堆石壩工程來說,在設計施工時,應加強保溫及排水措施,避免出現因凍融循環作用導致堆石料滲透性顯著增大的現象,繼而增加引發滲透破壞的風險,對大壩的正常工作狀態產生不利影響。

3 結論

依托實際堆石壩工程,開展模型滲透試驗,就凍融循環作用對不同上覆荷載水平下的堆石料滲透特性影響進行研究,得到結論如下：

（1）當上覆荷載保持不變時,堆石料滲透性與凍融循環次數呈非線性正相關關系,在凍融循環初期（凍融循環次數為3）,對滲透性影響更為顯著。

（2）當上覆荷載水平較低時,經凍融循環次數越多,堆石料滲透系數越大,說明內部結構破壞程度越大。建議設計時,加強堆石壩的保溫及排水措施,避免因凍融循環作用使其滲透系數增大,從而對大壩安全性產生不利影響。