李 政

(老撾南歐江發(fā)電有限公司，老撾 瑯勃拉邦 637300)

由于儲(chǔ)量豐富、造價(jià)低廉且具有良好的工程力學(xué)特性，粗顆粒土料廣泛應(yīng)用于土石壩工程。堆石體的滲透特性是堆石壩設(shè)計(jì)和施工控制的關(guān)鍵參數(shù)，也是壩體滲流分析的基礎(chǔ)參數(shù)[1]。土的滲透性是指水在土孔隙中的滲透流動(dòng)性能，土中水受總勢(shì)能差驅(qū)動(dòng)而流動(dòng)。滲透系數(shù)是表征土的滲透性指標(biāo)，其大小受土的顆粒骨架和滲透流體影響。達(dá)西定律是揭示單位面積土中滲流量與水力坡降成正比關(guān)系的實(shí)驗(yàn)定律，但其對(duì)粗粒土僅在一定范圍內(nèi)適用[2]。針對(duì)粗顆粒土(如礫石、卵石等)的滲透試驗(yàn)結(jié)果表明，由于存在大孔隙通道，當(dāng)水力梯度較小時(shí)，流速較小，滲流可認(rèn)為是層流，ν-i關(guān)系成線性變化，達(dá)西定律仍然適用；當(dāng)水力梯度較大時(shí)，流速增大，滲流將過渡為紊流狀態(tài)，此時(shí)ν-i關(guān)系呈非線性變化，達(dá)西定律不再適用。

在水利工程中，目前粗顆粒土滲透系數(shù)獲取主要有室內(nèi)試驗(yàn)[3-4]和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)[5-7]2種手段。由于室內(nèi)試驗(yàn)儀器尺寸的限制，對(duì)于存在大粒徑的粗顆粒土往往需要對(duì)超粒徑顆粒進(jìn)行處理后再進(jìn)行滲透試驗(yàn)，很多學(xué)者對(duì)粗顆粒土縮尺效應(yīng)對(duì)其滲透特性的影響進(jìn)行了研究[8-9]，結(jié)果表明縮尺后滲透試驗(yàn)將高估粗顆粒土的排水性能和抗?jié)B透破壞能力。因此，基于全級(jí)配的粗顆粒土現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)?zāi)芊从痴鎸?shí)狀態(tài)下壩體堆石料的滲透特性。但是相關(guān)規(guī)范中關(guān)于試坑單環(huán)注水試驗(yàn)[5]或試坑滲透試驗(yàn)[7]的要求，對(duì)滲透環(huán)的尺寸并沒有統(tǒng)一的要求，而且對(duì)儀器邊壁效應(yīng)、水中氣泡等影響因素未作討論，這給該方法的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在工程實(shí)踐中，針對(duì)大粒徑堆石體原位滲透的檢測(cè)方法均采用雙環(huán)法進(jìn)行，在行業(yè)內(nèi)對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果存在不同看法。對(duì)于粒徑較大的堆石壩料填筑體現(xiàn)場(chǎng)滲透的試驗(yàn)方法的研究，由于投入大，相應(yīng)工程中壩料特性差異大，不能有效的針對(duì)不同數(shù)量級(jí)滲透系數(shù)全部進(jìn)行試驗(yàn)研究和客觀評(píng)價(jià)。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)量級(jí)處于設(shè)計(jì)臨界值時(shí)，傳統(tǒng)的滲透環(huán)直徑試驗(yàn)得出的滲透結(jié)果不能得到各方一致認(rèn)可，對(duì)于滲透結(jié)果的爭(zhēng)議性較大，不利于壩體設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)和質(zhì)量控制。

針對(duì)原位滲透試驗(yàn)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的上述問題，本文對(duì)大粒徑堆石壩滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并針對(duì)滲透環(huán)直徑、堆石料顆粒大小及級(jí)配等影響因素進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和結(jié)果分析。根據(jù)研究結(jié)果分析，確定能夠真實(shí)反應(yīng)壩體滲透特性的原位滲透試驗(yàn)方法。

1 原位滲透試驗(yàn)方法

原位滲透試驗(yàn)采用雙環(huán)法和單環(huán)法進(jìn)行，其裝置示意圖如圖1所示。

圖1 原位滲透試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)過程中環(huán)內(nèi)水深一般控制為15～30cm左右，試驗(yàn)層厚一般為80cm，試驗(yàn)料為非飽和大粒徑堆石體爆破料或砂礫石。規(guī)范要求滲透儀器內(nèi)徑不應(yīng)小于試樣最大粒徑(或d85)的5倍，當(dāng)常規(guī)試驗(yàn)儀器內(nèi)徑不能滿足要求時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)加工大直徑的滲透儀器；或根據(jù)試樣情況，對(duì)最大允許粒徑以上的粗顆粒按剔除法、等量替代法、相似級(jí)配法或混合法進(jìn)行縮尺處理[7]。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)，無(wú)法對(duì)最大允許粒徑以上的顆粒進(jìn)行處理；而按照最大粒徑800mm計(jì)算需要直徑至少4m的滲透環(huán)，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)往往無(wú)法提供充足水源，且存在儀器不便運(yùn)轉(zhuǎn)、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。此外，對(duì)于壩體滲透環(huán)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(jìn)行原位滲透試驗(yàn)。

為了考慮滲透環(huán)直徑、堆石料的顆粒大小和級(jí)配等諸因素對(duì)原位滲透試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)不同區(qū)域壩料的原位滲透試驗(yàn)方案包括：①最大粒徑為800mm的主堆石料鋪厚80cm，26t自行振動(dòng)碾碾壓8遍，表層下挖5和40cm，在相同點(diǎn)位進(jìn)行雙環(huán)(內(nèi)環(huán)45.2cm、外環(huán)100cm)、1m單環(huán)、2m單環(huán)原位滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后分別對(duì)下部料進(jìn)行全料級(jí)配顆粒篩分和密度試驗(yàn)。②最大粒徑為300mm的過渡料鋪厚40cm，20t自行振動(dòng)碾碾壓8遍，表層下挖5cm，在相同點(diǎn)位進(jìn)行雙環(huán)、1m單環(huán)、2m單環(huán)原位滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后分別對(duì)下部料進(jìn)行全料級(jí)配顆粒篩分和密度試驗(yàn)。分別進(jìn)行3個(gè)點(diǎn)位試驗(yàn)，通過對(duì)比分析，探究不同點(diǎn)位、不同直徑滲透環(huán)、不同試驗(yàn)深度、不同顆粒級(jí)配、不同壓實(shí)干密度、不同最大粒徑對(duì)原位滲透試驗(yàn)結(jié)果的影響。③對(duì)大滲透排水體料同點(diǎn)位進(jìn)行雙環(huán)、1m單環(huán)、2m單環(huán)表層不擾動(dòng)原位滲透試驗(yàn)，主要研究取樣點(diǎn)位和最大粒徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

根據(jù)達(dá)西定律近似計(jì)算粗粒土滲透系數(shù)[7]：

(1)

式中，Q—t時(shí)間間隔內(nèi)環(huán)(雙環(huán)法)或鐵環(huán)(單環(huán)法)滲透水量，cm3；A—內(nèi)環(huán)(雙環(huán)法)或鐵環(huán)(單環(huán)法)面積，cm2；L—t時(shí)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(yàn)時(shí)間間隔，s。

忽略環(huán)內(nèi)水深對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，則水的入滲深度范圍內(nèi)水力梯度(h2-h1)/L近似為1。故公式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

式中，l—t時(shí)間間隔內(nèi)環(huán)(雙環(huán)法)或鐵環(huán)(單環(huán)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 主堆石料

將鋪厚80cm試坑40cm，同點(diǎn)位進(jìn)行滲透、顆粒級(jí)配、壓實(shí)干密度試驗(yàn)，以準(zhǔn)確反映出各試驗(yàn)層面相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見表1，如圖2所示。

表1 主堆石料3B不同環(huán)徑和試驗(yàn)深度滲透結(jié)果匯總

圖2 主堆石料3B顆粒級(jí)配曲線

通過對(duì)比分析得出如下結(jié)論：①相同條件下，相同壩料，相同碾壓參數(shù)，滲透系數(shù)的大小與相同走勢(shì)級(jí)配曲線的粗細(xì)有較強(qiáng)規(guī)律，隨顆粒偏粗滲透隨之增加。②滲透系數(shù)的大小與鋪層深度關(guān)系較強(qiáng)，隨鋪層深度增加而增加，1個(gè)鋪層厚度(常規(guī)為80cm)為一個(gè)周期。③滲透系數(shù)的大小與相同施工參數(shù)產(chǎn)生的壓實(shí)密度關(guān)系不強(qiáng)，同厚度壓實(shí)條件下試坑密度與滲透系數(shù)關(guān)系不明顯，但同點(diǎn)位不同深度間壓實(shí)干密度隨深度增加而減小，滲透系數(shù)隨厚度增加而增大，存在一定規(guī)律，分析主要原因?yàn)椋弘S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(shù)的影響主要因素仍為顆粒級(jí)配粗細(xì)的變化。④滲透系數(shù)的環(huán)徑影響在滲透系數(shù)為10-3～10-4cm/s時(shí)不明顯，數(shù)量級(jí)達(dá)到10-2時(shí)，滲透儀的環(huán)徑影響較明顯，后續(xù)將根據(jù)大滲透性排水體料的原位滲透試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步研究。

2.2 過渡料

過渡料3A鋪厚40cm，同點(diǎn)位進(jìn)行滲透、顆粒級(jí)配、壓實(shí)干密度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，如圖3所示。

表2 過渡料3A不同環(huán)徑和試驗(yàn)深度滲透結(jié)果匯總表

圖3 過渡料3A顆粒級(jí)配曲線

通過對(duì)比分析得出如下結(jié)論：①滲透系數(shù)越大，3種試驗(yàn)環(huán)徑的試驗(yàn)結(jié)果差距越小；②施工參數(shù)和鋪料厚度一定的條件下，壓實(shí)干密度在真值附近波動(dòng)，其大小對(duì)滲透系數(shù)的影響相關(guān)性較差，與顆粒級(jí)配的粗細(xì)相關(guān)性較大。

2.3 排水體料

排水體料3D鋪厚80cm，同點(diǎn)位進(jìn)行原位滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 排水體料3D不同環(huán)徑和試驗(yàn)深度滲透結(jié)果匯總表

通過對(duì)比分析得出如下結(jié)論：通過對(duì)大滲透排水體料同點(diǎn)位不同環(huán)徑試驗(yàn)對(duì)比，滲透儀環(huán)徑的尺寸效應(yīng)不明顯。

3 影響因素分析與討論

根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中存在的爭(zhēng)議，提出以下影響滲透系數(shù)結(jié)果的影響因素和相關(guān)關(guān)系：①x1：環(huán)徑大小的影響，正比例關(guān)系；②x2：試驗(yàn)層深度的影響，正比例關(guān)系；③x3：堆石料級(jí)配粗細(xì)的影響，正比例關(guān)系；④x4：堆石料壓實(shí)度的影響，反比例關(guān)系；⑤x5：取樣點(diǎn)位(即滲透路徑分布的均勻性)的影響，正比例關(guān)系；⑥x6：氣泡的影響，反比例關(guān)系；⑦x7：最大粒徑的影響，假設(shè)為反比例關(guān)系；⑧x8：邊壁效應(yīng)的影響，正比例關(guān)系；⑨x9：粒徑<5mm顆粒含量的分布的影響，反比例關(guān)系；⑩x10：堆石料的級(jí)配連續(xù)性的影響，反比例關(guān)系。

基于上述影響因素與滲透系數(shù)的相關(guān)關(guān)系假設(shè)，公式(2)可改為：

(3)

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)各影響因素進(jìn)行分析，總結(jié)如下：①x1：環(huán)徑的影響，在同一試驗(yàn)點(diǎn)位，原位滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與環(huán)徑大小相關(guān)性不強(qiáng)。②x2：在相同條件下，試驗(yàn)深度與原位滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果成正比例關(guān)系，一個(gè)鋪料厚度循環(huán)中，試驗(yàn)深度越深，滲透性越大。③x3：同一壩料，相同施工參數(shù)產(chǎn)生的碾后壩料級(jí)配，壩料越粗，滲透性越大，但與不同試驗(yàn)方法產(chǎn)生的結(jié)果無(wú)直接關(guān)系，本文不予以考慮。④x4：同一壩料，相同施工參數(shù)產(chǎn)生的壓實(shí)干密度大小與原位滲透試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性不強(qiáng)。⑤x5：假設(shè)同一試驗(yàn)深度滲透路徑分布均勻，試驗(yàn)點(diǎn)位的影響與環(huán)徑的大小不存在相關(guān)性，滲透路徑不均勻分布，試驗(yàn)點(diǎn)位的隨機(jī)性概率與硬幣的正反概率相同，與同點(diǎn)位不同環(huán)徑的試驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性分布相同，不存在相關(guān)性。⑥x6：原位滲透試驗(yàn)時(shí)，除第一次加水過程中出現(xiàn)水泡，后續(xù)試驗(yàn)過程均無(wú)氣泡產(chǎn)生，考慮堆石料存在大孔隙通道和具有強(qiáng)滲透性，孔隙氣泡對(duì)滲透試驗(yàn)的影響可忽略不計(jì)。⑦x7：最大粒徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，假設(shè)最大粒徑為800mm的顆粒周圍填充細(xì)料，滲透路徑與大粒徑的結(jié)合處存在邊壁效應(yīng)，增加了滲透性，假設(shè)最大粒徑800mm的顆粒相鄰排列，周圍分布細(xì)料填充，大粒徑顆粒間孔隙為主要滲透通道，從試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，最大粒徑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響存在一定的隨機(jī)性，對(duì)于雙環(huán)法中內(nèi)環(huán)直徑過小，若環(huán)與壩料密封則不透水，故試驗(yàn)環(huán)徑暫考慮為大于壩料最大粒徑即可。⑧x8：邊壁效應(yīng)的影響暫為大粒徑與細(xì)顆粒間的影響，為滲入過程中的滲透破壞主因素，對(duì)原位滲透中滲透系數(shù)較小的壩料，通過縮尺進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，將試驗(yàn)用料裝入15cm鋼圈，通過不同的壓實(shí)效果使壩料達(dá)到10-2～10-4cm/s滲透等級(jí)，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(yàn)中，不考慮邊壁效應(yīng)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(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)影響，僅在粒徑<5mm顆粒含量集中分布某一位置時(shí)，將影響試驗(yàn)結(jié)果，如細(xì)粒含量面層集中時(shí)，對(duì)于試驗(yàn)深度的選區(qū)與滲透結(jié)果有較大的反比例關(guān)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(jìn)行處理來(lái)決定滲透試驗(yàn)的深度。⑩x10：壩料級(jí)配的連續(xù)性與滲透結(jié)果成反比例關(guān)系，壩料級(jí)配連續(xù)，孔隙致密，壩料透水性?。环粗?，壩料級(jí)配不連續(xù)，形成架空，孔隙增大，透水性增加，與不同試驗(yàn)方法產(chǎn)生的結(jié)果無(wú)直接關(guān)系，故不考慮級(jí)配連續(xù)性的影響。

根據(jù)以上分析，公式(3)可簡(jiǎn)化為：

(4)

4 結(jié)論

本文通過原位滲透試驗(yàn)對(duì)大壩不同區(qū)域堆石料(主堆石料、過渡料、排水體料)的原位滲透系數(shù)進(jìn)行研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)滲透鐵環(huán)的直徑、試驗(yàn)層深度、堆石料顆粒大小及級(jí)配等影響因素進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和深入分析?；诒疚牡难芯浚梢缘贸鋈缦轮饕Y(jié)論。

(1)環(huán)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(yàn)結(jié)果，但最大粒徑的影響因素不能忽略。1m單環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足大粒徑堆石體的滲透要求和反映現(xiàn)場(chǎng)的滲透試驗(yàn)結(jié)果，與2m單環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果并不存在固定的大小關(guān)系，且數(shù)量級(jí)一致?？紤]到在滲透系數(shù)較大的情況下，2m單環(huán)現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)不能提供充足的水源且儀器轉(zhuǎn)運(yùn)難度大，故推薦1m單環(huán)作為大粒徑堆石體原位滲透試驗(yàn)的環(huán)徑。

(2)試驗(yàn)深度的選取需根據(jù)不同區(qū)域壩料的滲透要求來(lái)選擇。對(duì)于起防滲作用的結(jié)構(gòu)體，試驗(yàn)深度需下挖15cm后進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)于排水體，直接進(jìn)行表層不擾動(dòng)土層進(jìn)行原位滲透試驗(yàn)，只需將滲透環(huán)周邊清除5cm深土層后預(yù)埋封環(huán)，試驗(yàn)土層不應(yīng)擾動(dòng)。

(3)對(duì)于由顆粒離析引起的粒徑<5mm的細(xì)顆粒集中分布的弱透水層，需先確定壩料結(jié)構(gòu)的滲透作用，及施工過程中是否刨除影響滲透性的細(xì)顆粒料層，原位滲透試驗(yàn)應(yīng)在最終處理后的面層處進(jìn)行，以真實(shí)反應(yīng)壩料的滲透性。