王永鵬，劉洪強(qiáng)，楊志勇，楊鵬年，馮思陽

（1.新疆水利發(fā)展投資集團(tuán)，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

滲透性是地基土層的重要工程性質(zhì)之一，綜合反映了水在土體孔隙內(nèi)流動(dòng)的難易程度，是分析土中動(dòng)水壓力和土工結(jié)構(gòu)物在降雨及水位變化作用下穩(wěn)定性所必需的參數(shù)[1]，對(duì)研究土體滲流、沉降變形以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等問題有重要意義[2]。

北疆地區(qū)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(nèi)的水若不能及時(shí)排出，易引發(fā)底部和邊坡預(yù)制板拱起、鼓脹和滲透破壞等問題；同時(shí)，若倒虹吸等建筑物地基排水不暢，將造成建筑物基礎(chǔ)長期浸泡于地下水中，導(dǎo)致基礎(chǔ)混凝土腐蝕破壞以及強(qiáng)度下降等后果。鑒于以上問題，白砂巖地基滲透性的研究對(duì)北疆供水工程安全運(yùn)行尤為重要。

影響土層滲透性的因素很多，對(duì)于砂質(zhì)土，其滲透性主要取決于土顆粒粒徑特性、土體密實(shí)度、流體性質(zhì)等[1]；而對(duì)于黏性土而言，其塑性指數(shù)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(shù)與孔隙率是影響滲透性的2 個(gè)最重要影響因素[5]。Darcy通過對(duì)均質(zhì)砂濾床進(jìn)行大量滲透試驗(yàn)，建立了研究土體滲流理論基礎(chǔ)，揭示了流速與能量損失之間的關(guān)系[5]。太沙基、哈臣等認(rèn)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(jì)算滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[5，6]。周葆春等[7]通過對(duì)膨脹土滲透系數(shù)與干密度的關(guān)系研究，指出滲透系數(shù)與干密度為單調(diào)關(guān)系，表明膨脹土滲透性與孔隙比息息相關(guān)。黨發(fā)寧等[8]考慮結(jié)合水膜對(duì)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(shí)適用粗粒土與黏性土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。豎管試驗(yàn)是基于變水頭達(dá)西定律、利用實(shí)時(shí)觀測的時(shí)間與水位序列數(shù)據(jù)計(jì)算滲透系數(shù)的方法，其可根據(jù)需求改變埋設(shè)于土體中測管的角度實(shí)現(xiàn)任意角度滲透系數(shù)的測定，試驗(yàn)方法簡單易行。

室內(nèi)試驗(yàn)配合經(jīng)驗(yàn)公式研究滲透系數(shù)方法較為簡便、易操作，但選擇適用的經(jīng)驗(yàn)公式尤為重要；現(xiàn)場原位試驗(yàn)歷時(shí)長，選擇具有代表性的位置和減少操作誤差是關(guān)鍵?；诖?，通過白砂巖地基土樣室內(nèi)試驗(yàn)，在確定其物理力學(xué)性能和工程分類的基礎(chǔ)上，針對(duì)白砂巖與泥巖分別遴選出適合的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算其滲透系數(shù)；并通過現(xiàn)場豎管試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，綜合分析白砂巖地基的滲透性能。

1 方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)確定滲透系數(shù)的方法與過程

1.1.1 滲透系數(shù)確定方法

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

式中：k為滲透系數(shù)（m/s）；C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取40；de為有效粒徑（mm），一般取質(zhì)量含量累計(jì)10%對(duì)應(yīng)的粒徑。

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

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

1.1.2 室內(nèi)試驗(yàn)過程

新疆準(zhǔn)葛爾盆地腹地內(nèi)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(jí)配根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》的分類標(biāo)準(zhǔn)，采用篩分法結(jié)合密度計(jì)法對(duì)土樣進(jìn)行粒徑分級(jí)。對(duì)試驗(yàn)土樣用比重瓶法測定其比重GS，環(huán)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(xiàng)換算得到。

1.2 現(xiàn)場滲透試驗(yàn)布置與數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理及現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)裝置

本次白砂巖管基滲透系數(shù)基于變水頭達(dá)西定律，通過現(xiàn)場豎管試驗(yàn)測得，計(jì)算公式如下：

式中：k為滲透系數(shù)（m/s）；L為豎管內(nèi)沉積物長度（m）；t1、t2分別為2 次觀測間隔時(shí)間（s）；H1、H2分別為t1、t2時(shí)刻豎管內(nèi)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(shù)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 豎管試驗(yàn)裝置示意

1.2.2 豎管試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

本次對(duì)達(dá)西公式做變形改進(jìn)處理，先做移項(xiàng)處理，見式（4）；再改變計(jì)算周期，即每一次測定時(shí)，將初始時(shí)間和初始水位分別定義為上一時(shí)刻與水頭值，將式（4）中上一時(shí)刻H1、t1更換為初始值H0、t0（t0時(shí)刻為0），將H2、t2更換為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)H、t，改進(jìn)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(shù)；通過延長t1、t2時(shí)刻及H1、H2水頭的時(shí)間尺度，有效地消除了因測定時(shí)間間隔不同、讀數(shù)不精確等導(dǎo)致的人為誤差和累計(jì)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 白砂巖與泥巖的工程分類及其滲透系數(shù)確定

2.1.1 白砂巖與泥巖工程分類

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)白砂巖、泥巖粒徑進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果詳見表1。通過室內(nèi)試驗(yàn)，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(xué)性能指標(biāo)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(xué)性能指標(biāo)

白砂巖、泥巖粒徑分布顯示：3 組白砂巖礫粒含量均為0，細(xì)顆粒含量（黏粒與粉粒）均值為28.44%（15%＜Pd＜0.075＜50%），按《土工試驗(yàn)規(guī)程》分類標(biāo)準(zhǔn)將白砂巖定義為粉土質(zhì)沙；2 組泥巖均由細(xì)顆粒組成，其塑性指數(shù)均值為17.38（IP＞10），液限為31.90%（ωL＜50），液性指數(shù)僅為0.04（0＜IL＜0.25），將其定義為硬塑狀態(tài)低液限黏土。

2.1.2 白砂巖、泥巖滲透系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)測定

白砂巖主要成分為粉土質(zhì)沙，故采用確定沙質(zhì)土滲透系數(shù)的有效粒徑法計(jì)算其滲透系數(shù)。已有研究表明d10是粗粒土滲透性的有效粒徑[9]，依據(jù)粒徑分析結(jié)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(jīng)計(jì)算確定其滲透系數(shù)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(shù)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(shù)和孔隙比計(jì)算低液限黏性土滲透系數(shù)的方法確定泥巖的滲透系數(shù)；室內(nèi)試驗(yàn)測定的泥巖塑性指數(shù)為17.38，孔隙比為0.84，經(jīng)計(jì)算確定泥巖滲透系數(shù)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(shù)盡管也很小，但相較于泥巖，其滲透系數(shù)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(shù)計(jì)算

本次試驗(yàn)過程中，每間隔5～10 min 測定1 次水位落差，經(jīng)長時(shí)間、多次測定后，計(jì)算白砂巖地基滲透系數(shù)，結(jié)果詳見表3。

表3 白砂巖地基豎管試驗(yàn)水頭變化過程

經(jīng)整理，繪制白砂巖地基滲透性試驗(yàn)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(guān)系數(shù)分別高達(dá)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(dá)白砂巖地基的滲透系數(shù)。由圖3 可知，白砂巖地基垂向滲透系數(shù)為5.40×107m/s，水平向滲透系數(shù)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(shù)是垂向的26.85倍。

圖3 豎管試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)，白砂巖地基整體密實(shí)度較大，開挖難度高；通過環(huán)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(shí)度影響了白砂巖地基整體滲透性。

就土體類別和土層結(jié)構(gòu)而言，白砂巖土質(zhì)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(jié)構(gòu)，沉積結(jié)構(gòu)明顯，呈明顯的各向異性特征。由于多層土結(jié)構(gòu)，垂向有效滲透系數(shù)取決于滲透系數(shù)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(yán)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(shù)在數(shù)值上與室內(nèi)試驗(yàn)測定的泥巖滲透系數(shù)較為接近的原因。

而就水平向有效滲透系數(shù)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(zhì)沙，其具有一定的滲透性；同時(shí)，由于白砂巖地基土層整體呈現(xiàn)明顯的多層沉積結(jié)構(gòu)，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(shù)在數(shù)值上略大于白砂巖。

3 結(jié)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(zhì)沙，其滲透系數(shù)為1.04×10-5m/s；局部的泥巖為低液限黏土，滲透系數(shù)為5.87×10-7m/s。通過現(xiàn)場豎管試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)白砂巖地基整體滲透性很弱，垂向滲透系數(shù)為5.40×10-7m/s，水平向?yàn)?.45×10-5m/s；垂向滲透系數(shù)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(shù)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(shí)度高，其主成分白砂巖細(xì)顆粒含量高達(dá)28.44%，泥巖細(xì)顆粒含量更是達(dá)到100%；較大的密實(shí)度和過高的細(xì)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(nèi)試驗(yàn)方法測定的北疆灌區(qū)白砂巖滲透系數(shù)為7.23×10-7m/s，崔子宴等[11]采用太沙基固結(jié)理論確定的北疆供水工程白砂巖地基的滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-6～10-8m/s；較上述研究，針對(duì)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(shù)，確定的白砂巖地基垂向滲透系數(shù)與前述研究結(jié)果接近，而水平向滲透系數(shù)較前述研究大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。造成這一現(xiàn)象的原因在于白砂巖地基沉積層的各向異性；同時(shí)，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(shù)比垂向高26.85倍的原因。