西南地區(qū)深厚覆蓋層第四紀(jì)沉積物抗?jié)B特性及參數(shù)的選擇

葛 明 明, 李 小 泉, 魯 濤

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

碳中和大背景下，作為清潔能源的水電是實(shí)現(xiàn)碳中和的最佳電源之一。根據(jù)已有的河流綜合規(guī)劃及水電開發(fā)規(guī)劃，我國(guó)西南地區(qū)諸河還將建設(shè)一批調(diào)節(jié)性能好的高壩大庫(kù)工程，這些高壩大庫(kù)工程不可避免地將遇到深厚覆蓋層地基問題。而在河床深厚覆蓋層上建高土石壩遇到的主要工程地質(zhì)問題是因其結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的差異沉降、壩基滲漏、滲透變形、地震液化和軟弱夾層的剪切破壞，尤以壩基滲流控制和滲透安全至關(guān)重要。闡述了圍繞西南地區(qū)影響土石壩滲透、穩(wěn)定、變形及壩基處理方式的深厚覆蓋層設(shè)計(jì)參數(shù)這一關(guān)鍵因素開展的系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)研究工作，并對(duì)所取得的試驗(yàn)成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析研究工作，分土層提出了具體的物理力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果。

從研究深厚覆蓋層抗?jié)B特性及工程實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，重點(diǎn)研究了第四紀(jì)沉積物漂卵礫石土的滲漏和滲透穩(wěn)定問題，采用將現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)和室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)取得的成果進(jìn)行對(duì)比的方式獲取安全且經(jīng)濟(jì)的允許坡降。對(duì)照規(guī)范、手冊(cè)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，提出了西南地區(qū)第四紀(jì)沉積物漂卵礫石層滲透變形參數(shù)建議值。

2 深厚覆蓋層滲透變形參數(shù)測(cè)試方法探討

2.1 常見的深厚覆蓋層滲透變形參數(shù)測(cè)試方法

深厚覆蓋層滲透系數(shù)的測(cè)試方法[1]通常包括：(1)室內(nèi)試驗(yàn)(包括常水頭和變水頭滲透試驗(yàn))；(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(包括開挖井、鉆孔抽水和注水，單環(huán)、雙環(huán)試坑注水；原狀樣滲透試驗(yàn))。其中抽水試驗(yàn)可分為單孔抽水、多孔抽水、孔群互阻抽水試驗(yàn)；鉆孔注水試驗(yàn)通常用于地下水位埋藏較深、不便進(jìn)行抽水試驗(yàn)的鉆孔中；單環(huán)、雙環(huán)注水試驗(yàn)可方便地測(cè)試出原位土體的滲透系數(shù)；原狀樣滲透試驗(yàn)可將土層切取脫離體、現(xiàn)場(chǎng)澆筑封裝作短距離搬運(yùn)后開展試驗(yàn)。原狀樣滲透試驗(yàn)既能測(cè)試土體的滲透系數(shù)，亦能獲取土體的抗?jié)B臨界坡降和破壞坡降，能夠很好地克服室內(nèi)重塑試樣無法模擬原狀土的天然結(jié)構(gòu)和水流通道特征，尤其是很難再現(xiàn)天然地基土的非均勻性和各向異性的缺點(diǎn)[2]；另外，鉆孔抽水、注水試驗(yàn)由于其邊界條件無法得到較好的控制，所測(cè)得的滲透系數(shù)甚至?xí)?個(gè)數(shù)量級(jí)的誤差，故設(shè)計(jì)人員僅將其作為參考。文中僅重點(diǎn)介紹了深厚覆蓋層滲透變形參數(shù)采用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。

2.2 深厚覆蓋層滲透允許坡降的選取

一般情況下，砂土、黏性土的滲流速度很小，可以認(rèn)為其流動(dòng)形式為層流，滲流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律符合達(dá)西定律。深厚覆蓋層(漂卵礫石、礫)的典型υ-i曲線見圖1。由于其孔隙很大，當(dāng)水力坡降較小時(shí)流速不大，其滲流可以認(rèn)為是層流，達(dá)西定律依然適用。當(dāng)水力坡降較大時(shí)，流速增大，滲流形式將變?yōu)槲闪鳎藭r(shí)的υ-i曲線呈非線性關(guān)系，達(dá)西定律不再適用。

圖1 深厚覆蓋層(漂卵礫石、礫)的典型ν-i曲線圖

滲透破壞的兩種常見破壞形式為：

(1)流土：也稱流砂，是指在滲流作用下某一范圍內(nèi)土體的表面隆起、浮動(dòng)或某一顆粒群的同時(shí)起動(dòng)而流失的一種沙沸現(xiàn)象。在滲透力作用下，土體中的顆粒群同時(shí)啟動(dòng)而流失，它可以發(fā)生在無黏性土中，也可以發(fā)生在黏性土中。在滲流力作用下，粒間有效應(yīng)力為零時(shí)，顆粒群發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱為流土現(xiàn)象。

(2)管涌：在滲透作用下，無黏性土中的細(xì)小顆粒通過大顆粒孔隙時(shí)發(fā)生移動(dòng)或被帶出的現(xiàn)象，致使土層中形成通道而產(chǎn)生集中涌水的現(xiàn)象。

土料的滲透穩(wěn)定由容許水力梯度表示，其值與一系列因素有關(guān)，包括土中細(xì)顆粒料的比例、細(xì)粒物質(zhì)的含量和土的級(jí)配特征、密實(shí)程度等。提高土的抗?jié)B強(qiáng)度的最有效措施是在滲流出逸處設(shè)置反濾層，以防止在水工建筑物的滲流出口發(fā)生滲流破壞。

3 第四紀(jì)沉積物的抗?jié)B特性及試驗(yàn)參數(shù)

3.1 基本物理試驗(yàn)參數(shù)

西南地區(qū)深厚覆蓋層中存在大量的第四紀(jì)沉積物，一般而言，西南地區(qū)河床覆蓋層的顆粒組成[3]可歸類為以下四類：(1)顆粒粗大、磨圓度較好的第四紀(jì)沉積物，以漂石、卵礫石層為主；(2)塊、碎石層；(3)顆粒細(xì)小的中粗-粉細(xì)砂層；(4)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土層。各種顆粒的組成界限往往不明顯，漂石、卵礫石層常夾有砂層；塊、碎石與細(xì)土相互填充，其以漂卵礫石層為主，厚度、結(jié)構(gòu)特征、埋深、工程地質(zhì)問題大致相同，強(qiáng)度和變形特征基本能滿足高壩建設(shè)要求，主要存在滲漏問題。研究時(shí)考慮到常規(guī)試驗(yàn)一般在10 m左右深度進(jìn)行，故將覆蓋層淺部和深部的分界定為埋深10 m。將埋深≤10 m的部分統(tǒng)稱為淺部漂卵礫石，埋深>10 m的部分統(tǒng)稱為深部漂卵礫石[4]。

研究中統(tǒng)計(jì)了深溪溝、猴子巖、雙江口、長(zhǎng)河壩、硬梁包、巴底、金川等水電工程第四紀(jì)沉積物大量漂卵礫石層土料的基礎(chǔ)物理性質(zhì)及變形試驗(yàn)成果(包含淺部試樣和深部試樣)。深厚覆蓋層砂卵石淺部、深部、鉆孔取樣物理性質(zhì)顆分包絡(luò)線對(duì)比情況見圖2。

淺部(埋深≤10 m)干密度在1.89～2.41 g/cm3之間，平均為2.18 g/cm3。其包絡(luò)線中粒徑大于5 mm的顆粒含量平均為76.4%，粒徑小于5 mm的顆粒含量平均為23.6%，粒徑為2～0.075 mm的顆粒砂含量平均為17.5%；包絡(luò)線分類定名為卵石混合土～混合土漂石。

深部(埋深>10 m)探坑取樣干密度在1.95～2.45 g/cm3之間，平均為2.25 g/cm3。其包絡(luò)線中粒徑大于5 mm的含量平均為77.9%，粒徑小于5 mm的顆粒含量平均為22.1%，粒徑為2～0.075 mm的砂含量平均為14.4%。包絡(luò)線分類定名為卵石混合土～混合土漂石。

鉆孔取樣干密度在1.73～2.3 g/cm3之間，平均為2.11 g/cm3，其包絡(luò)線中粒徑大于5 mm的顆粒含量平均為66.4%，粒徑小于5 mm的顆粒含量平均為33.6%，粒徑2～0.075 mm的砂含量平均為21.4%。包絡(luò)線分類定名分別為粉土質(zhì)礫～卵石混合土～混合土漂石。

圖2 深厚覆蓋層砂卵石淺部、深部、鉆孔取樣物理性質(zhì)顆分包絡(luò)線對(duì)比示意圖

3.2 抗?jié)B特性參數(shù)研究

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)淺部和深部滲透系數(shù)的平均值基本為10-2cm/s數(shù)量級(jí)，差別不大，但淺部的滲透系數(shù)離散性大。從臨界坡降看，深部成果基本為淺部的2倍左右。結(jié)合物理性質(zhì)成果看：深部的密實(shí)度更大，故其臨界坡降大大高于淺部是合理的。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)淺部、深部滲透系數(shù)分布百分比情況見表1，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)淺部、深部臨界坡降對(duì)照情況見表2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)淺部、深部滲透系數(shù)分布百分比表 /%

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)淺部、深部臨界坡降對(duì)照表

室內(nèi)試驗(yàn)中淺部滲透系數(shù)的主要分布數(shù)量級(jí)為100～10-2cm/s，占比達(dá)88.6%。深部滲透系數(shù)的主要分布數(shù)量級(jí)為100～10-2cm/s，占比達(dá)87.5%。

對(duì)淺部和深部滲透系數(shù)的成果進(jìn)行對(duì)比可知：滲透系數(shù)平均值大致為10-1cm/s數(shù)量級(jí)，差別不大，但淺部的滲透系數(shù)離散性大。從臨界坡降看，深部為淺部的2倍左右。室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)淺部、深部滲透系數(shù)分布百分比情況見表3，室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)淺部、深部臨界坡降對(duì)照情況見表4。

表3 室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)淺部、深部滲透系數(shù)分布百分比表 /%

表4 室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)淺部、深部臨界坡降對(duì)照表

本次研究對(duì)西南地區(qū)第四紀(jì)沉積物漂卵礫石層現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果進(jìn)行了對(duì)比分析，淺部試樣現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)成果對(duì)比情況見表5。結(jié)果表明：現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)取得的結(jié)果存在較大差異，主要反映在抗?jié)B臨界坡降上。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得的抗?jié)B臨界坡降約為室內(nèi)試驗(yàn)值的2倍以上。

首先，從試驗(yàn)方法的差異看：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以原位試驗(yàn)或取原狀試樣為主，盡量避免了對(duì)土體原始結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。成都院從20世紀(jì)80年代開始在大渡河流域的冶勒水電站覆蓋層(厚度達(dá)400多m)開始取原狀試樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，至今已積累了一套較為完整的現(xiàn)場(chǎng)原狀滲透變形試驗(yàn)方法并已列入電力行業(yè)規(guī)范；而室內(nèi)試驗(yàn)樣品一般采用擾動(dòng)樣并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)密度和含水率配制。

另外，從理論分析的角度出發(fā)，推測(cè)該結(jié)果可能由以下2個(gè)原因造成：①原狀漂卵礫石層地質(zhì)沉積歷史復(fù)雜，物質(zhì)組成復(fù)雜，其中含有少量化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)，結(jié)構(gòu)擾動(dòng)后導(dǎo)致其孔隙結(jié)構(gòu)改變，某些化學(xué)物質(zhì)或細(xì)顆粒流失，在室內(nèi)難以復(fù)原；②原狀漂卵礫石土巨粒組含量較高、通常最大粒徑大于200 mm；受制于儀器尺寸，室內(nèi)試驗(yàn)的最大粒徑一般為80 mm或60 mm,試樣試驗(yàn)級(jí)配必須經(jīng)過縮尺處理，而縮尺后的試樣試驗(yàn)級(jí)配與原級(jí)配存在一定差異。已有研究資料[5]表明：土體的滲透試驗(yàn)成果存在顯著的縮尺效應(yīng)，經(jīng)過縮尺后的砂礫石料滲透試驗(yàn)結(jié)果與原型料的滲透性和抗?jié)B破壞坡降存在較大差異，同時(shí)，其制樣密度難以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)密度。

表5 淺部試樣現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)成果對(duì)比表

4 物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值與建議值

經(jīng)過大量的統(tǒng)計(jì)分析工作，形成了一套完整的深厚覆蓋層第四紀(jì)沉積物抗?jié)B參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，第四紀(jì)沉積物漂卵礫石層滲透變形參數(shù)對(duì)照情況見表6。統(tǒng)計(jì)過程中，對(duì)大量的數(shù)據(jù)運(yùn)用概率與統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行了篩選，力求去偽存真。但是，因覆蓋層本身性質(zhì)的復(fù)雜性，加之資料來源的時(shí)間跨度大，有些試驗(yàn)資料甚至經(jīng)過幾代人的整理，故某些統(tǒng)計(jì)值具有較大的變化幅度。

這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)針對(duì)具體的工程可直接參考應(yīng)用，但若要運(yùn)用到類比的工程時(shí)僅統(tǒng)計(jì)值尚嫌不夠。故此次研究在試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值的基礎(chǔ)上，依照物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行了重新審視、甑別，提出了在深厚覆蓋層(漂卵礫石層)上建高土石壩的滲透變形參數(shù)試驗(yàn)建議值(表6)。同時(shí)列入了《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)》建議值，以供直觀對(duì)比。第四紀(jì)沉積物漂卵礫石層滲透變形參數(shù)對(duì)照表見表6。

表6 第四紀(jì)沉積物漂卵礫石層滲透變形參數(shù)對(duì)照表

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)比研究了西南地區(qū)深厚覆蓋層中深部和淺部、現(xiàn)場(chǎng)原狀試樣和室內(nèi)擾動(dòng)樣第四紀(jì)沉積物砂卵石試樣的滲透穩(wěn)定特性試驗(yàn)成果，結(jié)果表明：淺部和深部的滲透系數(shù)平均值基本處于同一數(shù)量級(jí)(10-2cm/s)，差別不大；從臨界坡降看，深部成果約為淺部的2倍左右。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：淺部滲透系數(shù)低于室內(nèi)約1個(gè)數(shù)量級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的淺部臨界坡降大約為室內(nèi)試驗(yàn)淺部臨界坡降的2倍以上；室內(nèi)擾動(dòng)試樣比現(xiàn)場(chǎng)原狀試樣具有更強(qiáng)的透水性和更低的臨界坡降。現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)取得的成果更具參考價(jià)值。

(2)現(xiàn)場(chǎng)或原狀樣滲透變形試驗(yàn)方法是中國(guó)電建成都院在本行業(yè)具有特色或長(zhǎng)期探索后總結(jié)出的試驗(yàn)方法，現(xiàn)已列入土工試驗(yàn)規(guī)程。通過總結(jié)覆蓋層現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)成果，所得出的允許坡降較原經(jīng)驗(yàn)值有較大幅度的提高，已成功應(yīng)用于冶勒、太平驛、瀑布溝、長(zhǎng)河壩等工程，尤其對(duì)壩基覆蓋層現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)進(jìn)行了研究論證，在太平驛工程設(shè)計(jì)中將全封閉式防滲墻改為懸掛式，所取得的工程效益十分顯著。

(3)太平驛水電站是中國(guó)電建成都院在岷江流域深厚覆蓋層上通過現(xiàn)場(chǎng)原狀樣滲透變形試驗(yàn)論證后、對(duì)滲透變形和滲漏量進(jìn)行充分計(jì)算、論證分析后建成的第一個(gè)懸掛式防滲墻(原方案為插入基巖全封閉)，建成后幾乎滴水不漏，經(jīng)歷了2008年“5·12”地震至今運(yùn)行良好。