北疆供水工程白砂巖地基的滲透性研究

王永鵬，劉洪強，楊志勇，楊鵬年，馮思陽

（1.新疆水利發展投資集團，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

滲透性是地基土層的重要工程性質之一，綜合反映了水在土體孔隙內流動的難易程度，是分析土中動水壓力和土工結構物在降雨及水位變化作用下穩定性所必需的參數[1]，對研究土體滲流、沉降變形以及結構穩定等問題有重要意義[2]。

北疆地區修建的眾多輸水渠道、公路及鐵路等重大工程均穿越含泥巖、白砂巖地基[3]，北疆供水工程主體明渠段與倒虹吸段地基以白砂巖為主[4]。由于采取間歇性輸水模式，停水期間明渠基土內的水若不能及時排出，易引發底部和邊坡預制板拱起、鼓脹和滲透破壞等問題；同時，若倒虹吸等建筑物地基排水不暢，將造成建筑物基礎長期浸泡于地下水中，導致基礎混凝土腐蝕破壞以及強度下降等后果。鑒于以上問題，白砂巖地基滲透性的研究對北疆供水工程安全運行尤為重要。

影響土層滲透性的因素很多，對于砂質土，其滲透性主要取決于土顆粒粒徑特性、土體密實度、流體性質等[1]；而對于黏性土而言，其塑性指數在一定程度上綜合反映了土顆粒的大小和礦物組成，塑性指數與孔隙率是影響滲透性的2 個最重要影響因素[5]。Darcy通過對均質砂濾床進行大量滲透試驗，建立了研究土體滲流理論基礎，揭示了流速與能量損失之間的關系[5]。太沙基、哈臣等認為粗粒土滲透性主要取決于有效滲透粒徑，提出了用特征粒徑來計算滲透系數的經驗公式[5，6]。周葆春等[7]通過對膨脹土滲透系數與干密度的關系研究，指出滲透系數與干密度為單調關系，表明膨脹土滲透性與孔隙比息息相關。黨發寧等[8]考慮結合水膜對黏性土滲透特性的影響，定義黏性土的有效孔隙比，得出同時適用粗粒土與黏性土的滲透系數經驗公式。豎管試驗是基于變水頭達西定律、利用實時觀測的時間與水位序列數據計算滲透系數的方法，其可根據需求改變埋設于土體中測管的角度實現任意角度滲透系數的測定，試驗方法簡單易行。

室內試驗配合經驗公式研究滲透系數方法較為簡便、易操作，但選擇適用的經驗公式尤為重要；現場原位試驗歷時長，選擇具有代表性的位置和減少操作誤差是關鍵。基于此，通過白砂巖地基土樣室內試驗，在確定其物理力學性能和工程分類的基礎上，針對白砂巖與泥巖分別遴選出適合的經驗公式，計算其滲透系數；并通過現場豎管試驗對比驗證，綜合分析白砂巖地基的滲透性能。

1 方法與數據處理

1.1 室內試驗確定滲透系數的方法與過程

1.1.1 滲透系數確定方法

（1）粗顆粒土的滲透系數。對于粗顆粒土，由于粗顆粒形成的大孔隙可被細顆粒填充，粒徑大小與級配對滲透系數影響最為顯著，采用通過確定有效粒徑[9]的方法計算其滲透系數，計算方法如下。

式中：k為滲透系數（m/s）；C為經驗系數，取40；de為有效粒徑（mm），一般取質量含量累計10%對應的粒徑。

（2）細顆粒土的滲透系數。就細顆粒土而言，其滲透性除與粒徑大小有關外，主要取決于其孔隙比與礦物成分。采用以往學者提出的黏性土滲透系數室內測定方法[5]，計算方法如下：

式中：e為土體孔隙比；α、β均為常數，取決于黏性土的塑性指數IP（%），可分別表示為α=10β，β=0.01×IP+0.05。

1.1.2 室內試驗過程

新疆準葛爾盆地腹地內洼地的北疆供水工程管基土層以灰白色的白砂巖為主，豎向剖面上含局部紅褐色泥夾層。通過明挖，在縱向剖面上分別采集管基表層、管基以下1、2 m處的3組白砂巖土樣以及管基以下0.3、1.7 m處的2組泥巖夾層土樣。

土樣顆粒級配根據《土工試驗規程》的分類標準，采用篩分法結合密度計法對土樣進行粒徑分級。對試驗土樣用比重瓶法測定其比重GS，環刀法測定其密度ρ，烘干法確定其含水率ω，搓條法確定其塑限，液限儀測定其液限，而孔隙比e通過土樣含水率、密度和顆粒比重3項換算得到。

1.2 現場滲透試驗布置與數據處理方法

1.2.1 實驗原理及現場原位實驗裝置

本次白砂巖管基滲透系數基于變水頭達西定律，通過現場豎管試驗測得，計算公式如下：

式中：k為滲透系數（m/s）；L為豎管內沉積物長度（m）；t1、t2分別為2 次觀測間隔時間（s）；H1、H2分別為t1、t2時刻豎管內液面高度（m）。

豎管采用直徑100 mm、長1800 mm 帶刻度的亞克力透明管，分別測定白砂巖地基垂向和水平滲透系數，試驗裝置如圖1所示。

圖1 豎管試驗裝置示意

1.2.2 豎管試驗數據處理方法

本次對達西公式做變形改進處理，先做移項處理，見式（4）；再改變計算周期，即每一次測定時，將初始時間和初始水位分別定義為上一時刻與水頭值，將式（4）中上一時刻H1、t1更換為初始值H0、t0（t0時刻為0），將H2、t2更換為實時數據H、t，改進后見式（5）。如此，通過繪制ln(H0L/H) -t曲線，其斜率則代表了測定土層的滲透系數；通過延長t1、t2時刻及H1、H2水頭的時間尺度，有效地消除了因測定時間間隔不同、讀數不精確等導致的人為誤差和累計誤差。

2 結果與分析

2.1 白砂巖與泥巖的工程分類及其滲透系數確定

2.1.1 白砂巖與泥巖工程分類

根據《土工試驗規程》分類標準對白砂巖、泥巖粒徑進行分級，結果詳見表1。通過室內試驗，測定的白砂巖與泥巖比重、密度、含水率、塑限、液限、孔隙比等物理力學性能指標詳見表2。

表1 白砂巖、泥巖粒徑分布

表2 白砂巖、泥巖物理力學性能指標

白砂巖、泥巖粒徑分布顯示：3 組白砂巖礫粒含量均為0，細顆粒含量（黏粒與粉粒）均值為28.44%（15%＜Pd＜0.075＜50%），按《土工試驗規程》分類標準將白砂巖定義為粉土質沙；2 組泥巖均由細顆粒組成，其塑性指數均值為17.38（IP＞10），液限為31.90%（ωL＜50），液性指數僅為0.04（0＜IL＜0.25），將其定義為硬塑狀態低液限黏土。

2.1.2 白砂巖、泥巖滲透系數室內試驗測定

白砂巖主要成分為粉土質沙，故采用確定沙質土滲透系數的有效粒徑法計算其滲透系數。已有研究表明d10是粗粒土滲透性的有效粒徑[9]，依據粒徑分析結果，繪制白砂巖顆分曲線如圖2 所示。顆分曲線顯示：白砂巖有效粒徑d10為0.051 mm，經計算確定其滲透系數為1.04×10-5m/s。

圖2 白砂巖顆分曲線

泥巖主要成分為低液限黏土，塑性指數在一定程度上綜合反映了土顆粒的大小和礦物組成，故采用基于塑性指數和孔隙比計算低液限黏性土滲透系數的方法確定泥巖的滲透系數；室內試驗測定的泥巖塑性指數為17.38，孔隙比為0.84，經計算確定泥巖滲透系數為5.87×10-7m/s。

泥巖滲透性極低，近乎為不透水層；白砂巖滲透系數盡管也很小，但相較于泥巖，其滲透系數是泥巖的17.71倍，具有一定的滲透性。

2.2 白砂巖地基垂向與水平方向滲透系數計算

本次試驗過程中，每間隔5～10 min 測定1 次水位落差，經長時間、多次測定后，計算白砂巖地基滲透系數，結果詳見表3。

表3 白砂巖地基豎管試驗水頭變化過程

經整理，繪制白砂巖地基滲透性試驗ln(H0L/H)-t過程曲線，如圖3所示。曲線顯示：垂向和水平向相關系數分別高達0.946 和0.985，整體線性擬合趨勢良好，其擬合曲線斜率可有效地表達白砂巖地基的滲透系數。由圖3 可知，白砂巖地基垂向滲透系數為5.40×107m/s，水平向滲透系數為1.45×105m/s；滲透性在不同方向上相差懸殊，水平向滲透系數是垂向的26.85倍。

圖3 豎管試驗ln（H0L/H）-t過程曲線

2.3 白砂巖地基滲透性各向異性及其原因分析

通過明挖發現，白砂巖地基整體密實度較大，開挖難度高；通過環刀法測得的白砂巖天然密度為1.68 g/cm3，泥巖為1.70 g/cm3；其較高的密實度影響了白砂巖地基整體滲透性。

就土體類別和土層結構而言，白砂巖土質較為單一，豎向剖面含局部泥巖夾層，整體以白砂巖為主；地層呈明顯多層土結構，沉積結構明顯，呈明顯的各向異性特征。由于多層土結構，垂向有效滲透系數取決于滲透系數較小的土層[10]；說明白砂巖地基中泥巖夾層盡管很薄，但其極小滲透性嚴重阻礙了地表明水的垂向滲漏，使得垂向滲透性顯著下降，這也是白砂巖地基垂向滲透系數在數值上與室內試驗測定的泥巖滲透系數較為接近的原因。

而就水平向有效滲透系數而言，其大小則主要取決于較厚層的滲透性[10]，表明白砂巖地基水平向滲透性取決于主層的白砂巖；白砂巖為粉土質沙，其具有一定的滲透性；同時，由于白砂巖地基土層整體呈現明顯的多層沉積結構，沉積層間的間隙在一定程度上也提高了白砂巖地基的水平滲透性，致使白砂巖地基水平滲透系數在數值上略大于白砂巖。

3 結論與展望

北疆供水工程白砂巖地基的主成分白砂巖為粉土質沙，其滲透系數為1.04×10-5m/s；局部的泥巖為低液限黏土，滲透系數為5.87×10-7m/s。通過現場豎管試驗發現白砂巖地基整體滲透性很弱，垂向滲透系數為5.40×10-7m/s，水平向為1.45×10-5m/s；垂向滲透系數與泥巖十分接近，水平向與白砂巖接近。這表明白砂巖地基垂向有效滲透系數取決于透水性極小的薄泥巖夾層，水平向取決于大厚度的白砂巖層。

白砂巖地基密實度高，其主成分白砂巖細顆粒含量高達28.44%，泥巖細顆粒含量更是達到100%；較大的密實度和過高的細顆粒含量，致使白砂巖地基整體滲透性較差；豎直剖面上，存在的滲透性極小的局部泥巖夾層阻礙了地表明水的垂向滲透，加劇了白砂巖地基滲透性下降。

譚志翔等[4]采用室內試驗方法測定的北疆灌區白砂巖滲透系數為7.23×10-7m/s，崔子宴等[11]采用太沙基固結理論確定的北疆供水工程白砂巖地基的滲透系數數量級為10-6～10-8m/s；較上述研究，針對白砂巖地基的各向異性特征，本文提出了白砂巖地基不同方向的滲透系數，確定的白砂巖地基垂向滲透系數與前述研究結果接近，而水平向滲透系數較前述研究大1～2個數量級。造成這一現象的原因在于白砂巖地基沉積層的各向異性；同時，由于沉積層間間隙的存在，一定程度上提高了水平向的滲透性，從而加劇了白砂巖地基不同方向滲透性差異，這也是白砂巖地基不同方向滲透性差異懸殊、水平向滲透系數比垂向高26.85倍的原因。