大粒徑堆石體原位滲透試驗方法研究

李 政

(老撾南歐江發電有限公司，老撾 瑯勃拉邦 637300)

由于儲量豐富、造價低廉且具有良好的工程力學特性，粗顆粒土料廣泛應用于土石壩工程。堆石體的滲透特性是堆石壩設計和施工控制的關鍵參數，也是壩體滲流分析的基礎參數[1]。土的滲透性是指水在土孔隙中的滲透流動性能，土中水受總勢能差驅動而流動。滲透系數是表征土的滲透性指標，其大小受土的顆粒骨架和滲透流體影響。達西定律是揭示單位面積土中滲流量與水力坡降成正比關系的實驗定律，但其對粗粒土僅在一定范圍內適用[2]。針對粗顆粒土(如礫石、卵石等)的滲透試驗結果表明，由于存在大孔隙通道，當水力梯度較小時，流速較小，滲流可認為是層流，ν-i關系成線性變化，達西定律仍然適用；當水力梯度較大時，流速增大，滲流將過渡為紊流狀態，此時ν-i關系呈非線性變化，達西定律不再適用。

在水利工程中，目前粗顆粒土滲透系數獲取主要有室內試驗[3-4]和現場原位試驗[5-7]2種手段。由于室內試驗儀器尺寸的限制，對于存在大粒徑的粗顆粒土往往需要對超粒徑顆粒進行處理后再進行滲透試驗，很多學者對粗顆粒土縮尺效應對其滲透特性的影響進行了研究[8-9]，結果表明縮尺后滲透試驗將高估粗顆粒土的排水性能和抗滲透破壞能力。因此，基于全級配的粗顆粒土現場原位滲透試驗能反映真實狀態下壩體堆石料的滲透特性。但是相關規范中關于試坑單環注水試驗[5]或試坑滲透試驗[7]的要求，對滲透環的尺寸并沒有統一的要求，而且對儀器邊壁效應、水中氣泡等影響因素未作討論，這給該方法的實際應用帶來了挑戰。在工程實踐中，針對大粒徑堆石體原位滲透的檢測方法均采用雙環法進行，在行業內對其試驗結果存在不同看法。對于粒徑較大的堆石壩料填筑體現場滲透的試驗方法的研究，由于投入大，相應工程中壩料特性差異大，不能有效的針對不同數量級滲透系數全部進行試驗研究和客觀評價。當試驗結果數量級處于設計臨界值時，傳統的滲透環直徑試驗得出的滲透結果不能得到各方一致認可，對于滲透結果的爭議性較大，不利于壩體設計過程中優化設計指導和質量控制。

針對原位滲透試驗在實際應用中遇到的上述問題，本文對大粒徑堆石壩滲透試驗方法進行研究，并針對滲透環直徑、堆石料顆粒大小及級配等影響因素進行對比試驗和結果分析。根據研究結果分析，確定能夠真實反應壩體滲透特性的原位滲透試驗方法。

1 原位滲透試驗方法

原位滲透試驗采用雙環法和單環法進行，其裝置示意圖如圖1所示。

圖1 原位滲透試驗裝置示意圖

試驗過程中環內水深一般控制為15～30cm左右，試驗層厚一般為80cm，試驗料為非飽和大粒徑堆石體爆破料或砂礫石。規范要求滲透儀器內徑不應小于試樣最大粒徑(或d85)的5倍，當常規試驗儀器內徑不能滿足要求時，應設計加工大直徑的滲透儀器；或根據試樣情況，對最大允許粒徑以上的粗顆粒按剔除法、等量替代法、相似級配法或混合法進行縮尺處理[7]。對于現場原位滲透試驗，無法對最大允許粒徑以上的顆粒進行處理；而按照最大粒徑800mm計算需要直徑至少4m的滲透環，但現場試驗往往無法提供充足水源，且存在儀器不便運轉、耗時長等缺點。此外，對于壩體滲透環表層開挖深度也存在不同看法，通常清除表層厚5～10cm原狀土后進行原位滲透試驗。

為了考慮滲透環直徑、堆石料的顆粒大小和級配等諸因素對原位滲透試驗結果的影響，對不同區域壩料的原位滲透試驗方案包括：①最大粒徑為800mm的主堆石料鋪厚80cm，26t自行振動碾碾壓8遍，表層下挖5和40cm，在相同點位進行雙環(內環45.2cm、外環100cm)、1m單環、2m單環原位滲透試驗，試驗完成后分別對下部料進行全料級配顆粒篩分和密度試驗。②最大粒徑為300mm的過渡料鋪厚40cm，20t自行振動碾碾壓8遍，表層下挖5cm，在相同點位進行雙環、1m單環、2m單環原位滲透試驗，試驗完成后分別對下部料進行全料級配顆粒篩分和密度試驗。分別進行3個點位試驗，通過對比分析，探究不同點位、不同直徑滲透環、不同試驗深度、不同顆粒級配、不同壓實干密度、不同最大粒徑對原位滲透試驗結果的影響。③對大滲透排水體料同點位進行雙環、1m單環、2m單環表層不擾動原位滲透試驗，主要研究取樣點位和最大粒徑對試驗結果的影響。

根據達西定律近似計算粗粒土滲透系數[7]：

(1)

式中，Q—t時間間隔內環(雙環法)或鐵環(單環法)滲透水量，cm3；A—內環(雙環法)或鐵環(單環法)面積，cm2；L—t時間間隔水的入滲深度，cm；(h2-h1)—水的入滲深度范圍上下總水頭差，cm；t—試驗時間間隔，s。

忽略環內水深對試驗結果的影響，則水的入滲深度范圍內水力梯度(h2-h1)/L近似為1。故公式(1)可簡化為：

(2)

式中，l—t時間間隔內環(雙環法)或鐵環(單環法)供水瓶中水面下降高度，cm；a—供水瓶底面面積，cm2；其余變量含義同前所述。

2 試驗結果及分析

2.1 主堆石料

將鋪厚80cm試坑40cm，同點位進行滲透、顆粒級配、壓實干密度試驗，以準確反映出各試驗層面相關關系，試驗結果見表1，如圖2所示。

表1 主堆石料3B不同環徑和試驗深度滲透結果匯總

圖2 主堆石料3B顆粒級配曲線

通過對比分析得出如下結論：①相同條件下，相同壩料，相同碾壓參數，滲透系數的大小與相同走勢級配曲線的粗細有較強規律，隨顆粒偏粗滲透隨之增加。②滲透系數的大小與鋪層深度關系較強，隨鋪層深度增加而增加，1個鋪層厚度(常規為80cm)為一個周期。③滲透系數的大小與相同施工參數產生的壓實密度關系不強，同厚度壓實條件下試坑密度與滲透系數關系不明顯，但同點位不同深度間壓實干密度隨深度增加而減小，滲透系數隨厚度增加而增大，存在一定規律，分析主要原因為：隨試坑深度增加，激振力減小，上部顆粒破碎大，下部顆粒破碎度小，滲透系數的影響主要因素仍為顆粒級配粗細的變化。④滲透系數的環徑影響在滲透系數為10-3～10-4cm/s時不明顯，數量級達到10-2時，滲透儀的環徑影響較明顯，后續將根據大滲透性排水體料的原位滲透試驗結果進一步研究。

2.2 過渡料

過渡料3A鋪厚40cm，同點位進行滲透、顆粒級配、壓實干密度試驗，試驗結果見表2，如圖3所示。

表2 過渡料3A不同環徑和試驗深度滲透結果匯總表

圖3 過渡料3A顆粒級配曲線

通過對比分析得出如下結論：①滲透系數越大，3種試驗環徑的試驗結果差距越小；②施工參數和鋪料厚度一定的條件下，壓實干密度在真值附近波動，其大小對滲透系數的影響相關性較差，與顆粒級配的粗細相關性較大。

2.3 排水體料

排水體料3D鋪厚80cm，同點位進行原位滲透試驗，試驗結果見表3。

表3 排水體料3D不同環徑和試驗深度滲透結果匯總表

通過對比分析得出如下結論：通過對大滲透排水體料同點位不同環徑試驗對比，滲透儀環徑的尺寸效應不明顯。

3 影響因素分析與討論

根據試驗經驗和現場實際應用中存在的爭議，提出以下影響滲透系數結果的影響因素和相關關系：①x1：環徑大小的影響，正比例關系；②x2：試驗層深度的影響，正比例關系；③x3：堆石料級配粗細的影響，正比例關系；④x4：堆石料壓實度的影響，反比例關系；⑤x5：取樣點位(即滲透路徑分布的均勻性)的影響，正比例關系；⑥x6：氣泡的影響，反比例關系；⑦x7：最大粒徑的影響，假設為反比例關系；⑧x8：邊壁效應的影響，正比例關系；⑨x9：粒徑<5mm顆粒含量的分布的影響，反比例關系；⑩x10：堆石料的級配連續性的影響，反比例關系。

基于上述影響因素與滲透系數的相關關系假設，公式(2)可改為：

(3)

結合試驗結果對各影響因素進行分析，總結如下：①x1：環徑的影響，在同一試驗點位，原位滲透系數試驗結果與環徑大小相關性不強。②x2：在相同條件下，試驗深度與原位滲透系數試驗結果成正比例關系，一個鋪料厚度循環中，試驗深度越深，滲透性越大。③x3：同一壩料，相同施工參數產生的碾后壩料級配，壩料越粗，滲透性越大，但與不同試驗方法產生的結果無直接關系，本文不予以考慮。④x4：同一壩料，相同施工參數產生的壓實干密度大小與原位滲透試驗結果相關性不強。⑤x5：假設同一試驗深度滲透路徑分布均勻，試驗點位的影響與環徑的大小不存在相關性，滲透路徑不均勻分布，試驗點位的隨機性概率與硬幣的正反概率相同，與同點位不同環徑的試驗結果隨機性分布相同，不存在相關性。⑥x6：原位滲透試驗時，除第一次加水過程中出現水泡，后續試驗過程均無氣泡產生，考慮堆石料存在大孔隙通道和具有強滲透性，孔隙氣泡對滲透試驗的影響可忽略不計。⑦x7：最大粒徑對試驗結果的影響，假設最大粒徑為800mm的顆粒周圍填充細料，滲透路徑與大粒徑的結合處存在邊壁效應，增加了滲透性，假設最大粒徑800mm的顆粒相鄰排列，周圍分布細料填充，大粒徑顆粒間孔隙為主要滲透通道，從試驗結果對比分析可知，最大粒徑對試驗結果的影響存在一定的隨機性，對于雙環法中內環直徑過小，若環與壩料密封則不透水，故試驗環徑暫考慮為大于壩料最大粒徑即可。⑧x8：邊壁效應的影響暫為大粒徑與細顆粒間的影響，為滲入過程中的滲透破壞主因素，對原位滲透中滲透系數較小的壩料，通過縮尺進行室內模擬試驗，將試驗用料裝入15cm鋼圈，通過不同的壓實效果使壩料達到10-2～10-4cm/s滲透等級，通過滲水觀察，光圈邊壁并未形成集中滲透，整體滲透路徑分布均勻。故在堆石體原位滲透試驗中，不考慮邊壁效應的影響。⑨x9：粒徑<5mm顆粒含量過多降低壩料滲透性，但不影響滲透試驗產生的數據影響，僅在粒徑<5mm顆粒含量集中分布某一位置時，將影響試驗結果，如細粒含量面層集中時，對于試驗深度的選區與滲透結果有較大的反比例關系，此處的影響因素，可以通過施工中面層的滲透影響是否進行處理來決定滲透試驗的深度。⑩x10：壩料級配的連續性與滲透結果成反比例關系，壩料級配連續，孔隙致密，壩料透水性小；反之，壩料級配不連續，形成架空，孔隙增大，透水性增加，與不同試驗方法產生的結果無直接關系，故不考慮級配連續性的影響。

根據以上分析，公式(3)可簡化為：

(4)

4 結論

本文通過原位滲透試驗對大壩不同區域堆石料(主堆石料、過渡料、排水體料)的原位滲透系數進行研究，并基于試驗結果對滲透鐵環的直徑、試驗層深度、堆石料顆粒大小及級配等影響因素進行對比試驗和深入分析。基于本文的研究，可以得出如下主要結論。

(1)環徑的大小不影響滲透路徑均勻分布的堆石體的原位滲透試驗結果，但最大粒徑的影響因素不能忽略。1m單環的試驗結果能夠滿足大粒徑堆石體的滲透要求和反映現場的滲透試驗結果，與2m單環的試驗結果并不存在固定的大小關系，且數量級一致。考慮到在滲透系數較大的情況下，2m單環現場滲透試驗不能提供充足的水源且儀器轉運難度大，故推薦1m單環作為大粒徑堆石體原位滲透試驗的環徑。

(2)試驗深度的選取需根據不同區域壩料的滲透要求來選擇。對于起防滲作用的結構體，試驗深度需下挖15cm后進行試驗；對于排水體，直接進行表層不擾動土層進行原位滲透試驗，只需將滲透環周邊清除5cm深土層后預埋封環，試驗土層不應擾動。

(3)對于由顆粒離析引起的粒徑<5mm的細顆粒集中分布的弱透水層，需先確定壩料結構的滲透作用，及施工過程中是否刨除影響滲透性的細顆粒料層，原位滲透試驗應在最終處理后的面層處進行，以真實反應壩料的滲透性。