潭江新會段堤防黏土力學特性及滲透特征試驗研究

李茜然

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

堤防作為防洪安全的直接保障，其穩定性與土體的力學特征、滲透能力密切相關[1-2]，開展堤防黏土體滲透力學特性研究，有助于提高堤防黏土體的密實加固與防滲設計。張巖等[3]、沈筠等[4]基于離散元等計算方法，對土體的宏、細觀力學水平開展了對比研究，評價了顆粒流細觀因素引起土體宏觀力學變化。張玉標等[5]、路本升等[6]、孫壯等[7]為研究土體含水率、干密度以及顆粒粒徑等自身特征對宏觀力學特征影響，設計開展了室內不同組力學試驗與滲透測試，基于試驗數據對比了各因素下試樣應力、應變差異性特點以及滲透特性，豐富了土體基礎力學特征研究成果。工程物理環境會改變土體晶體礦物變形特征，從而影響土體宏觀變形破壞，朱鋒盼等[8]、王琦[9]、李淑賢[10]設計開展了干濕、凍融或高、低溫物理場耦合作用下力學破壞試驗，探討了物理作用對土體應力應變影響，揭示了工程土體失穩破壞的內在機理，為工程建設提供基礎依據。本文為研究潭江新會段堤防黏土體滲透及力學特性，從試驗數據宏觀上開展了應力應變與滲透系數分析，為堤防防滲加固提供參照。

1 研究概況

1.1 工程概況

潭江乃是珠三角地區重要地表輸水通道，其流經陽江、開平、江門、恩平等縣區，全長超過320km，控制流域面積超過2500km2，乃是江門、陽江等珠江下游地區重要的農業供水、生活供水及城市工業發展需水來源。潭江全河段可分為陽江-恩平段、開平段以及新會段，而潭江新會段乃是潭江水資源最豐富、水力勢能利用最高效河段。但不可忽視，在夏季臺風季節以及豐水汛期，潭江新會段局部水位暴漲，部分地勢較低處水工設施運營效率降低，堤防安全受到較大挑戰，新會段堤防均為黏土體，其基礎滲透力學特征關乎著防洪安全，故針對性開展黏土體的滲透力學行為試驗研究。

1.2 試驗方法

潭江新會段堤防工程的防滲、加固設計中，堤防黏土體的力學、滲透特征乃是關注重點，故針對此設計開展滲透力學試驗。采用三軸土體試驗裝置進行力學加載，滲透試驗反映了土體抗滲能力，在達西瞬態滲流測試理論基礎上[11]，設計了滲透試驗裝置，如圖1所示。從變水頭測試中獲得土體滲透試驗參數，從而確定每個試樣滲透系數。

圖1 瞬態法滲透測試裝置

從潭江新會段堤防黏土體現狀考慮，堤防的穩定性不僅與自身加固設計有關，也受工程環境影響，如干濕、凍融等物理作用，因而黏土體滲透力學特征研究也需耦合干濕、凍融物理作用。干燥箱、飽和儀以及低溫試驗箱，如圖2所示。

圖2 物理作用下試驗裝置

基于3個試驗設備分別可實現干燥、飽和以及凍結物理作用。在干濕作用下，其干燥、飽和時間均控制在6h，而凍結作用中低溫為-30℃，融化溫度為30℃，時間均為8h。

基于潭江新會段典型堤防鉆孔取樣，其含水率分布較均勻，約為16%～18%，并對黏土體的物理力學特征進行測試，黏土體的顆粒參數與擊實特征如圖3所示，最大干密度為1.31g/cm3。基于現場土樣，經室內加工制備，在力學試驗與滲透測試中，所用試驗尺寸均為徑高50、100mm，制備好的樣品如圖4所示。

圖4 制備后試樣

本試驗考慮堤防黏土體在物理作用耦合下，探討其力學、滲透特性，故設定有無物理作用對照組，其干濕或凍融次數均為0。干濕、凍融試驗組中黏土體試樣交替次數均設定為4、8、12、16、20，試樣顆粒特征等初始參數均為一致性，每個試樣均在完成相應的物理作用后，先后進行滲透測試與力學加載，力學試驗圍壓設定為50、150、250kPa，試驗設計參數見表1。基于滲透力學試驗結果，探討堤防黏土體的滲透與力學特征影響變化。

表1 試驗方案

2 物理循環作用下黏土力學特征

2.1 干濕作用

基于不同干濕試驗組下黏土試樣力學試驗，獲得了各圍壓組試樣應力應變特征，如圖5所示。依據圖5中應力應變可知，不論圍壓低或高，只要干濕交替次數在遞增，試樣加載應力水平就會降低。不僅如此，圍壓50或250kPa時，應力應變趨勢特征均為一致性，前者圍壓組下，試樣峰值應力后均具有應力跌落，交替4～20次中，峰值應力后降幅分布為45.5%～52.8%；后者圍壓組下，試樣均未出現明顯峰值應力，在應變5.1%后出現長期的應變硬化現象，塑性應變乃是該組試樣典型特點[9，12]。

圖5 干濕作用下試樣應力應變特征

進一步分析干濕作用的影響可知，圖5(a)中，當干濕作用梯次變化，則峰值應力平均減少了18.9%。圍壓250kPa時試樣峰值應力不顯著，以應變15%下對應的應力為宏觀對比，在交替0～20次組中，峰值應力分布為677.4～1503.7kPa，隨干濕梯次變化，則試樣峰值應力平均遞減了14.7%。另一方面，在各交替過程間，試樣的峰值應力降幅實質上較為接近，圍壓50kPa時，交替4～8次，峰值應力降幅為19.1%，而交替16～20次時為18.6%，與該圍壓下平均降幅也基本一致，同樣的現象在圍壓250kPa下亦是如此，方案間應力降幅較為均衡。分析表明，干濕作用的變化，宏觀上土體試樣承載應力為遞減，但微觀上降幅或變幅基本保持恒定狀態，不受干濕作用的深入而改變。

2.2 凍融作用

同理，基于凍融物理作用下力學試驗結果，獲得了凍融交替對黏土體試樣應力應變影響，如圖6所示。從圖6可看出，不同交替次數時，試樣應力應變趨勢特征有較顯著差異，如圍壓50kPa時交替4～12次試樣均具有應變軟化現象，峰值應力后降幅分別為40.2%、39.5%、44.4%，而在同圍壓交替16、20次時，試樣分別在應變6.01%、6.1%后具有較持久的應變硬化特征，呈現應變塑性主導特點[10，13]。當圍壓增大至150kPa后，凍融交替對試樣應變發展特點影響亦是如此。由此可知，凍融作用會改變黏土體試樣應變破壞特征，對黏土體的應力應變發展具有可逆式影響。

圖6 凍融作用下改良土應力應變特征

當凍融次數增多，應力水平發展與干濕作用一致，圍壓50kPa時，無凍融作用試樣峰值應力為581.1kPa，而交替4、12、20次后，試樣的峰值應力分別減少了16.5%、57.7%、85%；圖6(c)亦可看出，黏土體試樣峰值應力與交替次數具有線性函數變化關系。圍壓150kPa時，5個交替試樣的峰值應力分布為131.9～958.8kPa，較之圍壓50kPa時增大了51%～65%，當交替每梯次變化，則可引起試樣峰值應力平均遞減了30.7%，而圍壓50kPa時該降幅為33.5%。更進一步數據分析可知，在凍融次數逐步增大的過程，試樣峰值應力的降幅愈顯著，圍壓50kPa下交替4次增長至12次試樣峰值應力降幅依次為16.7%、23.5%，而交替12次增大至20次后，降幅分別為33.2%、46.8%。綜合分析可知，凍融作用對黏土體試樣承載應力影響會逐步增強，且其對承載應力損傷效應強于干濕作用。

3 物理循環作用下黏土滲透特性

基于物理作用下黏土體試樣滲透測試，獲得了試樣滲透系數與干濕、凍融作用關系，如圖7所示。

圖7 試樣滲透系數變化特征

由圖7中滲透數據可知，試樣滲透系數與干濕、凍融作用均為正相關；干濕4次時試樣滲透系數為8.9×10-7cm/s，而干濕8次、16次時滲透系數又分別為1.74×10-6、6.23×10-6cm/s，干濕12、20次時滲透系數較之4次時分別提高了2.6倍、14.3倍，滲透系數隨交替梯次變化具有平均降幅91.4%。干濕作用下，試樣滲透系數變幅較為接近，干濕影響在交替次數方案中較為均衡。

凍融次數與試樣滲透系數具有指數函數變化關系。隨凍融交替增多，試樣滲透系數增幅更顯著，在凍融0～8次時，試樣滲透系數從2.4×10-6cm/s增大至1.04×10-5cm/s，平均增幅為98.6%，而在凍融12～20次時，試樣滲透系數增長了近1個量級，平均增幅可達1.4倍。由此可知，凍融作用對土體滲透系數影響較顯著，是堤防防滲設計中尤為關注重點[2，14]，減弱凍融物理作用對堤防土體滲透影響，特別是避免出現過多的凍融交替現象。

4 結論

(1)干濕作用不影響黏土體應力應變發展趨勢，同一圍壓下應力應變為一致；干濕次數愈多，試樣應力水平愈低，且降幅較均衡。

(2)凍融作用能改變試樣應力應變變化特征；試樣峰值應力與凍融次數為線性函數關系，圍壓50、150kPa時，凍融每梯次變化，峰值應力分別下降了33.5%、30.7%，且隨交替增多，峰值應力下降更明顯。

(3)試樣滲透系數與干濕、凍融作用均為正相關，但凍融作用對滲透系數影響強于干濕效應；凍融次數與滲透系數為指數函數特征，尤以凍融12次后，增長最顯著；交替每4次變化，干濕、凍融作用引起的試樣滲透系數分別提高了91.4%、157.9%。