邱瀟 蒲勇 張亮 李明強(qiáng)

摘要：

大渡河中游流域廣泛分布一套物質(zhì)組成復(fù)雜、沉積環(huán)境多變且工程地質(zhì)性質(zhì)特殊的深厚礫石層，其滲透性是制約沿線基礎(chǔ)建設(shè)活動(dòng)的關(guān)鍵問題之一。通過野外顆分試驗(yàn)和室內(nèi)外滲透試驗(yàn)，分別從滲透系數(shù)計(jì)算、水流流態(tài)、滲透性與沉積特征關(guān)系等方面對該地區(qū)深厚礫石層展開研究。研究結(jié)果表明：研究區(qū)域的礫石層主要由碎塊石及角礫土組成，有效粒徑和不均勻系數(shù)較大。試驗(yàn)中水在較小的水力坡降下以層流方式運(yùn)移，符合達(dá)西定律；在較大水力坡降下滲透表現(xiàn)為層流-紊流過渡階段，此階段滲流速度與水力坡降成冪函數(shù)關(guān)系，兩個(gè)階段滲透系數(shù)均可采用提出的經(jīng)驗(yàn)公式估算。研究成果可為研究區(qū)深厚礫石層滲透系數(shù)計(jì)算和滲透性強(qiáng)弱判定提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

礫石層； 滲透特性； 沉積特征； 滲透系數(shù)； 大渡河

中圖法分類號： P531

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.022

0 引 言

大渡河中游流域（瀘定縣至漢源縣）廣泛分布一套厚度大、結(jié)構(gòu)密實(shí)、物質(zhì)組成復(fù)雜的礫石層。這類礫石層沉積特征與一般的殘坡積物和沖洪積物有較大區(qū)別，主要表現(xiàn)為有較好的分層性、顆粒成分不均一性和多元性，礫石表面大多受過水流改造作用，其成因成為近年來研究關(guān)注的熱點(diǎn)。大多學(xué)者認(rèn)為是第四紀(jì)更新世古氣候回暖，冰川融水搬運(yùn)的產(chǎn)物［1-3］。20世紀(jì)末以來，隨著西部大開發(fā)的進(jìn)一步推進(jìn)，該套礫石層成為許多重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)（如硬梁包水電站、瀘石高速）的地質(zhì)背景，且其多分布于河谷兩岸，電站蓄水運(yùn)行期間部分將淹沒于水下，其滲流穩(wěn)定性問題給工程選址和建設(shè)活動(dòng)帶來巨大的挑戰(zhàn)，因此查明其沉積特征和滲透特性具有重要意義。

自達(dá)西滲透定律提出后，國內(nèi)外學(xué)者對土體的滲透特性做了大量研究，主要從土體類別［4-7］、試驗(yàn)手段［8-10］、微觀特征［11-12］等方面入手取得了豐碩成果，但對大渡河中游流域這套成因復(fù)雜、工程地質(zhì)特殊的深厚礫石層研究較少。本文通過實(shí)地調(diào)查和野外篩分試驗(yàn)對上述地層沉積特征和顆粒組成進(jìn)行了詳細(xì)分析，并結(jié)合室內(nèi)外滲流試驗(yàn)成果，從滲透系數(shù)計(jì)算、水流運(yùn)移方式、滲透特性與沉積特征關(guān)系等方面對研究區(qū)礫石層進(jìn)行了深入研究。研究成果可為類似深厚礫石層滲透系數(shù)計(jì)算和涉及滲流問題工程項(xiàng)目選址提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣和雅安市漢源縣。瀘定縣地處青藏高原東緣，經(jīng)度為102°14′04″E，緯度為29°54′51″N，是進(jìn)藏出川的要塞，地理位置重要，被譽(yù)為甘孜州的“東大門”。漢源縣位于龍門山前緣構(gòu)造帶南部，經(jīng)度為102°37′23″E，緯度為29°29′03″N，平均海拔1 400 m，地勢呈四周高、中間低，向大渡河傾斜。區(qū)域內(nèi)地層巖性復(fù)雜，多見出露閃長巖、花崗巖、角閃巖等。研究區(qū)水系分布密集，以大渡河為中心向四周擴(kuò)散，支流較多，流域面積大于1 000 km2的有28條，其中一級支流有磨西河、田灣河、南椏河、流沙河等，分布如圖1所示。大多支流處于高山峽谷之中，落差大，多用于開發(fā)中型水電站。

本次在瀘定縣和漢源縣境內(nèi)共選擇6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，分別位于瀘定縣馬桑葉、烏支索村、長沙壩村、磨西鎮(zhèn)和漢源縣九襄鎮(zhèn)及青杠咀，如表1所列，均處于大渡河中游流域內(nèi)。

2 深厚礫石層沉積特征及顆粒組成

2.1 礫石層沉積特征

據(jù)研究，影響巖土體滲透性的因素主要有土顆粒的粒徑、礦物成分，土體的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造及孔隙比等，實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)深厚礫石層具有復(fù)雜的成因和多變的沉積特征。因此查明礫石層的沉積特征對分析研究區(qū)礫石層的滲透特性有重要意義。通過收集鉆孔資料和現(xiàn)場踏勘，區(qū)域內(nèi)礫石層具有以下特征。

（1） 磨西臺(tái)地礫石層厚度大，部分出露剖面達(dá)70余米，宏觀上分層現(xiàn)象明顯，大致可劃分為3～5層，層厚約5～30 m，大多由碎塊石（＞60 mm）、砂土（0.007 5～2 mm）及角礫（2～60 mm）組成，超過總量7成以上。巖性主要為角閃巖、灰?guī)r，含少量閃長巖、輝長巖，有一定磨圓，結(jié)構(gòu)中密-密實(shí)。泥質(zhì)膠結(jié)，分選性和韻律性均較差，如圖2所示。

（2） 青杠咀礫石層主要由角礫、碎石土組成，巖性為花崗巖、角閃巖。磨圓一般，稍密-中密，泥鈣質(zhì)膠結(jié)。

（3） 馬桑葉礫石層出露厚度約40 m，主要由角礫土、碎石土組成。以2～60 mm顆粒為主，偶見粒徑大于800 mm巨顆粒。巖性以閃長巖和花崗巖為主，磨圓度較差，為次棱角狀。密實(shí)度呈松散-稍密，局部中密，分選較好。

（4） 烏支索礫石層宏觀上可劃為4～5層，主要由碎塊石土、角礫土、含塊石角礫土等組成。巖性主要為輝長巖、角閃巖，含少量閃長巖和花崗巖，磨圓度差，呈次棱角狀，泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，中密-密實(shí)。

（5） 長沙壩硬梁包礫石層主要由塊碎石土、角礫質(zhì)碎石土等組成。巖性為輝長巖、花崗巖、閃長巖。礫石磨圓較差，呈棱角-次棱角狀。分選性和韻律性均較差，結(jié)構(gòu)中密-密實(shí)，泥質(zhì)膠結(jié)。

（6） 九襄礫石層主要由礫石土、碎塊石土等組成。巖性以花崗巖、灰?guī)r、砂巖為主。磨圓一般，為次棱角-次磨圓狀，結(jié)構(gòu)稍密-中密，泥鈣質(zhì)膠結(jié)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)礫石層室內(nèi)滲流試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（見表4），對水力坡降與滲流速度進(jìn)行擬合，如圖6所示。結(jié)果表明：

（1） 磨西臺(tái)地深厚礫石層在水力坡降較小時(shí)（小于0.34），滲流速度與水力坡降擬合曲線呈線性關(guān)系，基本滿足達(dá)西定律。而當(dāng)水力坡降超過0.34時(shí)，隨著水力坡降增長，滲流速度呈非線性增長，此時(shí)滲流不滿足達(dá)西定律，說明水在試樣中不是以層流方式運(yùn)移。雷諾系數(shù)（Re）也表明當(dāng)水力坡降較大時(shí)，其值均大于5且小于200，根據(jù)Nagy等的研究成果，說明隨著水力坡降增大，水流進(jìn)入層流-紊流過渡狀態(tài)［13］。整個(gè)試驗(yàn)過程水力坡降與滲流速度的函數(shù)關(guān)系可分為兩個(gè)階段來表示：v=0.024 3i（層流狀態(tài)），v=0.017 1i0.623（層流-紊流過渡狀態(tài)）。

（2） 青杠咀礫石層的滲透特性與磨西臺(tái)地礫石層類似，當(dāng)水力坡降小于0.36時(shí)，水流在試樣中的運(yùn)移方式更趨向于層流，且滿足達(dá)西滲流規(guī)律，當(dāng)水力坡降超過0.36時(shí)，水力坡降與滲流速度曲線逐漸偏離直線，呈上凸形非線性增長，且雷諾系數(shù)也大于5，為層流-紊流過渡狀態(tài)。滲流過程也可用兩個(gè)階段來表示：v=0.013 3i（層流狀態(tài)），v=0.009 7i0.542（層流-紊流過渡狀態(tài)）。

（3） 馬桑葉礫石層在水力坡降不超過0.25時(shí)，水力坡降與滲流速度關(guān)系曲線更趨向于線性關(guān)系，而當(dāng)水力坡降較大時(shí)，關(guān)系曲線呈非線性增長，計(jì)算所得的雷諾系數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)過程中均大于5。滲流階段可用v=0.013 5i（層流狀態(tài)），v=0.009 2i0.718（層流-紊流過渡狀態(tài)）來表示。

（4） 烏支索礫石層水力坡降與滲流速度曲線趨向于線性關(guān)系，說明在試驗(yàn)的整個(gè)過程中，水在試驗(yàn)中以層流方式運(yùn)移，滿足達(dá)西定律，滲透系數(shù)為0.000 728 cm/s。

（5） 長沙壩礫石層在水力坡降小于0.52時(shí)，水力坡降與滲流速度曲線呈非線性關(guān)系，隨著水力坡降的增大，曲線逐漸偏離線性增長，但偏移幅度小。通過公式計(jì)算得到的雷諾系數(shù)均小于5，這說明水流的運(yùn)移方式符合層流狀態(tài)。分析認(rèn)為，可能是因?yàn)殚L沙壩礫石層中細(xì)顆粒含量較多，且有效粒徑d10較小，為0.53 mm，使粗細(xì)顆粒之間有較好的填充效應(yīng)，導(dǎo)致流場中黏滯力大于水流慣性力，流速受影響而衰減，即使水力坡降與滲流速度曲線逐漸偏離直線關(guān)系，但整體水流速度緩慢，依然呈層流狀態(tài)運(yùn)移?？梢灶A(yù)見的是當(dāng)水力坡降繼續(xù)增加，水流慣性力占主導(dǎo)時(shí)，水流流態(tài)將往層流-紊流過渡狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

（6） 九襄地區(qū)礫石層在水力坡降小于0.7時(shí)，水力坡降與滲流速度曲線趨向于線性關(guān)系，而當(dāng)水力坡降增大時(shí)，關(guān)系曲線逐漸下凹，滲流速度隨水力坡降增大速度放緩，說明試樣中水流狀態(tài)發(fā)生了改變，雷諾系數(shù)也表明，水的運(yùn)移方式由層流向紊流狀態(tài)過渡。其滲流過程可用兩個(gè)函數(shù)表示：v=0.003 84i（層流狀態(tài)），v=0.003 16i0.715（層流-紊流過渡狀態(tài)）。

由于現(xiàn)場試驗(yàn)條件限制，僅對磨西臺(tái)地、烏支索、長沙壩和九襄4個(gè)地區(qū)礫石層進(jìn)行野外單環(huán)試驗(yàn)，計(jì)算出滲透系數(shù)分別為0.020 52，0.000 69，0.001 57 cm/s和0.008 7 cm/s，此結(jié)果與室內(nèi)滲透試驗(yàn)層流段滲透系數(shù)較為一致，說明室內(nèi)所測滲透數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。

4 討 論

4.1 深厚礫石層滲透規(guī)律分析

滲透系數(shù)是代表土體滲透性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為土體中滲流狀態(tài)為層流時(shí)，可采用達(dá)西定律來確定其滲透系數(shù)。本文對大渡河中游流域深厚礫石層進(jìn)行滲流試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)其大部分試樣在較大的水力坡降下，其水力坡降與滲流速度曲線及雷諾系數(shù)均顯示水在試樣中的運(yùn)移方式并非層流。而目前對于粗粒土在層流-紊流過渡狀態(tài)下的滲透系數(shù)求解方法還存在較大爭議。Nagy 等人提出，土體中流態(tài)處于過渡狀態(tài)時(shí)，可利用K=v/i0.74來計(jì)算滲透系數(shù)，而根據(jù)圖6，研究區(qū)大多礫石層水力坡降和滲流速度擬合曲線也為冪函數(shù)關(guān)系，但其指數(shù)略有變化，分布在0.542～0.718 范圍內(nèi)。將層流-紊流過渡狀態(tài)擬合結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比（見表5），發(fā)現(xiàn)其數(shù)值較為接近，因此研究區(qū)礫石層層流-紊流過渡狀態(tài)下的滲透系數(shù)可根據(jù)試驗(yàn)中水力坡降與滲流速度擬合而得，擬合公式為v=Kim，若擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的相關(guān)性，K即為滲透系數(shù)。

4.2 深厚礫石層沉積特征與滲透特性的關(guān)系

研究區(qū)礫石層具有復(fù)雜的物質(zhì)組成和多變的沉積特征，其成因大多與第四紀(jì)以來古氣候的變化有關(guān)，沉積歷史距今久遠(yuǎn)，礫石層經(jīng)過長時(shí)間固結(jié)作用，大多具有密實(shí)度好、孔隙比小、顆粒間膠結(jié)程度好等特點(diǎn)。上述因素使其滲透系數(shù)比一般的松散堆積體小，一般在10-4～10-2 cm/s之間，屬中等透水土。但其滲透性又比部分密實(shí)的殘、坡積土強(qiáng)，可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)礫石層多為冰水沉積物，具有一定磨圓度，在冰川融水的作用下，部分細(xì)顆粒被水流搬運(yùn)至它處，而沉積下來的顆粒往往較粗，使有效粒徑d10和不均勻系數(shù)均較大。在滲透試驗(yàn)過程中，水力坡降增大，顆粒間黏滯阻力小于水流慣性力，水在試樣中呈層流-紊流過渡狀態(tài)。

5 結(jié) 論

（1） 大渡河中游流域深厚礫石層主要由碎塊石土和角礫土組成，超過總量7成以上，顆粒呈次棱角-次磨圓狀，密實(shí)度較好，分選性和韻律性較差。礫石層顆粒粒徑一般分布范圍廣，從小于0.075 mm細(xì)顆粒至大于200 mm巨顆粒均有分布，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分布在0.47～6.08和21.23～88.84之間，大多屬級配良好土。

（2） 試驗(yàn)結(jié)果表明，研究區(qū)礫石層在水力坡降較小時(shí)，滲透速度與水力坡降擬合曲線呈線性關(guān)系，水在試樣中以層流方式運(yùn)移。當(dāng)水力坡降較大時(shí)，流場中黏滯阻力小于水流慣性力，曲線呈非線性關(guān)系，水流表現(xiàn)為層流-紊流過渡狀態(tài)。

（3） 采用冪函數(shù)v=Kim對研究區(qū)礫石層層流-紊流過渡狀態(tài)下的滲透系數(shù)進(jìn)行擬合，數(shù)據(jù)點(diǎn)表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，K即為礫石層的滲透系數(shù)。根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若室內(nèi)外試驗(yàn)無法進(jìn)行時(shí)，層流和層流-紊流過渡狀態(tài)滲透系數(shù)均可采用經(jīng)驗(yàn)公式 K=αCcCue2估算，修正系數(shù)α在0.13～3.86之間，估算誤差在一個(gè)數(shù)量級內(nèi)。

（4） 研究區(qū)礫石層的滲透系數(shù)分布在10-4～10-2 cm/s之間，屬中等透水土，其滲透性可能與礫石層的成因有關(guān)，表現(xiàn)為：礫石層大多為第四紀(jì)以來的冰水沉積物，固結(jié)歷史長，結(jié)構(gòu)密實(shí)，但受強(qiáng)水動(dòng)力的搬運(yùn)作用，細(xì)顆?？赡鼙话徇\(yùn)至它處，沉積下來的顆粒通常較粗，有效粒徑往往較大，使其滲透特性大多呈層流和層流-紊流過渡兩種狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 鄭本興.貢嘎山東麓第四紀(jì)冰川作用與磨西臺(tái)地成因探討［J］.冰川凍土，2001（3）：283-291.

［2］ 王杰，潘保田，張國梁，等.貢嘎山東坡中更新世晚期以來冰川作用年代學(xué)研究［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42（12）：1889-1900.

［3］ 涂國祥，黃潤秋，鄧輝.典型冰水堆積體浪蝕作用下變形破壞機(jī)制研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008（5）：598-604.

［4］ 張國棟，廖愛明，李泯蒂，等.碎石土滲透特性試驗(yàn)研究［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2016（5）：91-95.

［5］ 鄒錫云，許強(qiáng)，趙寬耀，等.浸水作用下黑方臺(tái)黃土滲透特性變化微觀研究［J］.人民長江，2020，51（6）：166-171.

［6］ 宋林輝，黃強(qiáng)，閆迪，等.水力梯度對黏土滲透性影響的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（9）：1635-1641.

［7］ 王雙，李小春，王少泉，等.碎石土級配特征對滲透系數(shù)的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（增2）：4394-4402.

［8］ 張改玲，王雅敬.高圍壓下砂土的滲透特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2014，35（10）：2748-2754，2786.

［9］ 張?zhí)燔?，尚宏波，李樹剛，?分級加載下破碎砂巖滲透特性試驗(yàn)及其穩(wěn)定性分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（5）：1129-1136.

［10］ 徐衛(wèi)衛(wèi)，石北嘯.凍融及上覆荷載作用下堆石料滲透性試驗(yàn)研究［J］.人民長江，2021，52（3）：188-192.

［11］ 馮曉臘，沈孝宇.飽和粘性土的滲透固結(jié)特性及其微觀機(jī)制的研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1991（1）：6-12.

［12］ 冷挺，唐朝生，徐丹，等.膨脹土工程地質(zhì)特性研究進(jìn)展［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2018，26（1）：112-128.

［13］ 李廣信.高等土力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出社，2004：222-223.

［14］ 太沙基，帕克.工程實(shí)用土力學(xué)［M］.蔣彭年，譯.北京：水利電力出版社，1960.

［15］ 米切爾 J K.巖土工程土性分析原理［M］.南京：南京工學(xué)院出版社，1988.

［16］ POLLARD W S，POULOS S J，SANGREYDWIGHT A.Air diffusion through membranes in triaxial test［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，1977，103（10）：1169－1173.

［17］ 劉杰.土的滲透穩(wěn)定與滲流控制［M］.北京：水利電力出版社，1992.

（編輯：鄭 毅）

Abstract：

In the midstream basin of the Dadu River，a set of deep and thick gravel layer is widely distributed，which is characterized as complex composition，varied sedimentary environment and special engineering properties.The permeability of this gravel layer is one of the key problems restricting the infrastructure activities along the area.We deeply research this gravel layer from the aspects of permeability coefficient calculation，state of flow，relationship between the permeability and the sedimentary characteristics through the in-situ particle size distribution analysis and the indoor-outdoor permeability test.The results show that this set of gravel layer mainly consists of fractured stones and breccia soils，whose effective particle size and non-uniformity coefficient are larger.In the test，the water migrates in a laminar flow way under a small hydraulic gradient meeting the Darcy′s Law，while it displays laminar-turbulent transition under a large hydraulic gradient，during which the flow velocity and the hydraulic gradient satisfies the power function relation.A proposed empirical formula could be applied to estimate the permeability coefficients of the two stages.This conclusion can provide references for the permeability coefficient calculation and the permeability strength evaluation of the deep and thick gravel layer in the research area.

Key words：

gravel layer；permeability characteristics；sedimentary characteristics；permeability coefficient；Dadu River