西南地區深厚覆蓋層第四紀沉積物抗滲特性及參數的選擇

葛 明 明, 李 小 泉, 魯 濤

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，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現碳中和的最佳電源之一。根據已有的河流綜合規劃及水電開發規劃，我國西南地區諸河還將建設一批調節性能好的高壩大庫工程，這些高壩大庫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問題是因其結構不連續造成的差異沉降、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重要。闡述了圍繞西南地區影響土石壩滲透、穩定、變形及壩基處理方式的深厚覆蓋層設計參數這一關鍵因素開展的系統現場及室內試驗研究工作，并對所取得的試驗成果進行了統計分析研究工作，分土層提出了具體的物理力學試驗統計成果。

從研究深厚覆蓋層抗滲特性及工程實際應用角度出發，重點研究了第四紀沉積物漂卵礫石土的滲漏和滲透穩定問題，采用將現場滲透變形試驗和室內滲透變形試驗取得的成果進行對比的方式獲取安全且經濟的允許坡降。對照規范、手冊并結合工程經驗及參數統計值，提出了西南地區第四紀沉積物漂卵礫石層滲透變形參數建議值。

2 深厚覆蓋層滲透變形參數測試方法探討

2.1 常見的深厚覆蓋層滲透變形參數測試方法

深厚覆蓋層滲透系數的測試方法[1]通常包括：(1)室內試驗(包括常水頭和變水頭滲透試驗)；(2)現場試驗(包括開挖井、鉆孔抽水和注水，單環、雙環試坑注水；原狀樣滲透試驗)。其中抽水試驗可分為單孔抽水、多孔抽水、孔群互阻抽水試驗；鉆孔注水試驗通常用于地下水位埋藏較深、不便進行抽水試驗的鉆孔中；單環、雙環注水試驗可方便地測試出原位土體的滲透系數；原狀樣滲透試驗可將土層切取脫離體、現場澆筑封裝作短距離搬運后開展試驗。原狀樣滲透試驗既能測試土體的滲透系數，亦能獲取土體的抗滲臨界坡降和破壞坡降，能夠很好地克服室內重塑試樣無法模擬原狀土的天然結構和水流通道特征，尤其是很難再現天然地基土的非均勻性和各向異性的缺點[2]；另外，鉆孔抽水、注水試驗由于其邊界條件無法得到較好的控制，所測得的滲透系數甚至會有2個數量級的誤差，故設計人員僅將其作為參考。文中僅重點介紹了深厚覆蓋層滲透變形參數采用的現場測試方法。

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，可以認為其流動形式為層流，滲流運動的規律符合達西定律。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，當水力坡降較小時流速不大，其滲流可以認為是層流，達西定律依然適用。當水力坡降較大時，流速增大，滲流形式將變為紊流，此時的υ-i曲線呈非線性關系，達西定律不再適用。

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土體的表面隆起、浮動或某一顆粒群的同時起動而流失的一種沙沸現象。在滲透力作用下，土體中的顆粒群同時啟動而流失，它可以發生在無黏性土中，也可以發生在黏性土中。在滲流力作用下，粒間有效應力為零時，顆粒群發生懸浮、移動的現象稱為流土現象。

(2)管涌：在滲透作用下，無黏性土中的細小顆粒通過大顆粒孔隙時發生移動或被帶出的現象，致使土層中形成通道而產生集中涌水的現象。

土料的滲透穩定由容許水力梯度表示，其值與一系列因素有關，包括土中細顆粒料的比例、細粒物質的含量和土的級配特征、密實程度等。提高土的抗滲強度的最有效措施是在滲流出逸處設置反濾層，以防止在水工建筑物的滲流出口發生滲流破壞。

3 第四紀沉積物的抗滲特性及試驗參數

3.1 基本物理試驗參數

西南地區深厚覆蓋層中存在大量的第四紀沉積物，一般而言，西南地區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沉積物，以漂石、卵礫石層為主；(2)塊、碎石層；(3)顆粒細小的中粗-粉細砂層；(4)黏土、粉質黏土、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、碎石與細土相互填充，其以漂卵礫石層為主，厚度、結構特征、埋深、工程地質問題大致相同，強度和變形特征基本能滿足高壩建設要求，主要存在滲漏問題。研究時考慮到常規試驗一般在10 m左右深度進行，故將覆蓋層淺部和深部的分界定為埋深10 m。將埋深≤10 m的部分統稱為淺部漂卵礫石，埋深>10 m的部分統稱為深部漂卵礫石[4]。

研究中統計了深溪溝、猴子巖、雙江口、長河壩、硬梁包、巴底、金川等水電工程第四紀沉積物大量漂卵礫石層土料的基礎物理性質及變形試驗成果(包含淺部試樣和深部試樣)。深厚覆蓋層砂卵石淺部、深部、鉆孔取樣物理性質顆分包絡線對比情況見圖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%。包絡線分類定名分別為粉土質礫～卵石混合土～混合土漂石。

圖2 深厚覆蓋層砂卵石淺部、深部、鉆孔取樣物理性質顆分包絡線對比示意圖

3.2 抗滲特性參數研究

現場試驗淺部和深部滲透系數的平均值基本為10-2cm/s數量級，差別不大，但淺部的滲透系數離散性大。從臨界坡降看，深部成果基本為淺部的2倍左右。結合物理性質成果看：深部的密實度更大，故其臨界坡降大大高于淺部是合理的。現場試驗淺部、深部滲透系數分布百分比情況見表1，現場試驗淺部、深部臨界坡降對照情況見表2。

表1 現場試驗淺部、深部滲透系數分布百分比表 /%

表2 現場試驗淺部、深部臨界坡降對照表

室內試驗中淺部滲透系數的主要分布數量級為100～10-2cm/s，占比達88.6%。深部滲透系數的主要分布數量級為100～10-2cm/s，占比達87.5%。

對淺部和深部滲透系數的成果進行對比可知：滲透系數平均值大致為10-1cm/s數量級，差別不大，但淺部的滲透系數離散性大。從臨界坡降看，深部為淺部的2倍左右。室內滲透變形試驗淺部、深部滲透系數分布百分比情況見表3，室內滲透變形試驗淺部、深部臨界坡降對照情況見表4。

表3 室內滲透變形試驗淺部、深部滲透系數分布百分比表 /%

表4 室內滲透變形試驗淺部、深部臨界坡降對照表

本次研究對西南地區第四紀沉積物漂卵礫石層現場和室內滲透試驗成果進行了對比分析，淺部試樣現場與室內滲透變形試驗成果對比情況見表5。結果表明：現場滲透變形試驗和室內試驗取得的結果存在較大差異，主要反映在抗滲臨界坡降上。現場試驗取得的抗滲臨界坡降約為室內試驗值的2倍以上。

首先，從試驗方法的差異看：現場試驗以原位試驗或取原狀試樣為主，盡量避免了對土體原始結構的擾動。成都院從20世紀80年代開始在大渡河流域的冶勒水電站覆蓋層(厚度達400多m)開始取原狀試樣進行現場試驗，至今已積累了一套較為完整的現場原狀滲透變形試驗方法并已列入電力行業規范；而室內試驗樣品一般采用擾動樣并根據現場密度和含水率配制。

另外，從理論分析的角度出發，推測該結果可能由以下2個原因造成：①原狀漂卵礫石層地質沉積歷史復雜，物質組成復雜，其中含有少量化學膠結物質，結構擾動后導致其孔隙結構改變，某些化學物質或細顆粒流失，在室內難以復原；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，室內試驗的最大粒徑一般為80 mm或60 mm,試樣試驗級配必須經過縮尺處理，而縮尺后的試樣試驗級配與原級配存在一定差異。已有研究資料[5]表明：土體的滲透試驗成果存在顯著的縮尺效應，經過縮尺后的砂礫石料滲透試驗結果與原型料的滲透性和抗滲破壞坡降存在較大差異，同時，其制樣密度難以達到現場密度。

表5 淺部試樣現場與室內滲透變形試驗成果對比表

4 物理力學試驗參數統計值與建議值

經過大量的統計分析工作，形成了一套完整的深厚覆蓋層第四紀沉積物抗滲參數統計值，第四紀沉積物漂卵礫石層滲透變形參數對照情況見表6。統計過程中，對大量的數據運用概率與統計分析的方法進行了篩選，力求去偽存真。但是，因覆蓋層本身性質的復雜性，加之資料來源的時間跨度大，有些試驗資料甚至經過幾代人的整理，故某些統計值具有較大的變化幅度。

這些統計參數針對具體的工程可直接參考應用，但若要運用到類比的工程時僅統計值尚嫌不夠。故此次研究在試驗統計值的基礎上，依照物理力學參數相關性分析，對試驗參數的統計值進行了重新審視、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試驗建議值(表6)。同時列入了《水力發電工程地質手冊》建議值，以供直觀對比。第四紀沉積物漂卵礫石層滲透變形參數對照表見表6。

表6 第四紀沉積物漂卵礫石層滲透變形參數對照表

5 結 語

(1)對比研究了西南地區深厚覆蓋層中深部和淺部、現場原狀試樣和室內擾動樣第四紀沉積物砂卵石試樣的滲透穩定特性試驗成果，結果表明：淺部和深部的滲透系數平均值基本處于同一數量級(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。現場試驗結果表明：淺部滲透系數低于室內約1個數量級，現場試驗的淺部臨界坡降大約為室內試驗淺部臨界坡降的2倍以上；室內擾動試樣比現場原狀試樣具有更強的透水性和更低的臨界坡降。現場滲透變形試驗取得的成果更具參考價值。

(2)現場或原狀樣滲透變形試驗方法是中國電建成都院在本行業具有特色或長期探索后總結出的試驗方法，現已列入土工試驗規程。通過總結覆蓋層現場滲透變形試驗成果，所得出的允許坡降較原經驗值有較大幅度的提高，已成功應用于冶勒、太平驛、瀑布溝、長河壩等工程，尤其對壩基覆蓋層現場滲透變形試驗進行了研究論證，在太平驛工程設計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電建成都院在岷江流域深厚覆蓋層上通過現場原狀樣滲透變形試驗論證后、對滲透變形和滲漏量進行充分計算、論證分析后建成的第一個懸掛式防滲墻(原方案為插入基巖全封閉)，建成后幾乎滴水不漏，經歷了2008年“5·12”地震至今運行良好。