祁詩淵，張玉云，陳 亮，李家歡

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院西藏土木水利電力工程技術(shù)研究中心，西藏 林芝 860000)

藏東南高山河谷區(qū)蘊(yùn)藏著極為豐富的水能資源。其中，雅魯藏布江是中國最長的高原河流，位于西藏自治區(qū)境內(nèi)，也是世界上海拔最高的大河之一。水能蘊(yùn)藏量豐富，干流與五大支流的天然水能蘊(yùn)藏量近1億kW，在中國僅次于長江。目前，雅魯藏布江下游正在開發(fā)，已建成的水電站都存在深厚覆蓋層。如西藏雅魯藏布江林芝多布水電站工程，主要任務(wù)為發(fā)電，兼顧灌溉。西藏尼洋河多布水電站建筑物區(qū)覆蓋層深厚，河床及左岸為超深厚復(fù)雜覆蓋層，左岸臺(tái)地覆蓋層厚180～3593m，河床覆蓋層左深右淺，左岸一般厚60～180m，右岸覆蓋層厚度16～50m[1]。

西藏林芝市老虎嘴水電站工程，其工程規(guī)模為中型，主要水工建筑物級別為3級；次要水工建筑物級別為4級[2]。左岸臺(tái)地地面高程3298～3340m，覆蓋層厚105～174m，最深206.5m，其中左岸副壩壩基覆蓋層厚16～28～109m[3]。

目前，前人對深厚覆蓋層滲透穩(wěn)定問題的研究并不系統(tǒng)和深入，多數(shù)都集中于不同因素對試樣滲透特性的影響[4]。張家發(fā)[5]等采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了滲透破壞的全過程，得出懸掛式防滲墻對防滲效果并不顯著的結(jié)論；陳群[6]等研究比較了最大粒徑和細(xì)顆粒含量不同的缺級試樣土條件下對應(yīng)的管涌滲透規(guī)律；羅玉龍[7]等進(jìn)行了大量不同應(yīng)力狀態(tài)下堤基砂礫石層的管涌破壞機(jī)理試驗(yàn)研究，并提出臨界滲透坡降經(jīng)驗(yàn)公式；詹美禮[8]等建立了堤壩飽和-非飽和滲流系統(tǒng)，進(jìn)行了土樣的非飽和導(dǎo)水率試驗(yàn)以及堤壩在不同水位變化工況下的非飽和滲流試驗(yàn)研究；王璠[9]也通過大尺度流固耦合試驗(yàn)對深厚覆蓋層上建壩地基內(nèi)管涌發(fā)生-發(fā)展-破壞的全過程進(jìn)行分析研究，準(zhǔn)確描述了不同階段試樣內(nèi)部水壓力和滲透梯度對應(yīng)的不同變化規(guī)律。

上述研究均基于當(dāng)?shù)氐耐吝M(jìn)行的，但學(xué)者們對青藏高原壩基深厚覆蓋層粗粒土的滲透規(guī)律鮮有研究。本研究的內(nèi)容是探索高山河谷區(qū)覆蓋層特定土體的滲透特征。具體內(nèi)容包括以顆粒大小不同的兩種顆粒為基本級配，通過篩分試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)，滲透試驗(yàn)等來研究二元顆粒配比的滲透特征，收集顆粒大小組成、填筑密度、滲透系數(shù)與二元顆粒的粒徑比、水力坡降、孔隙比等數(shù)據(jù)，分析了水流入滲過程中的影響因素，并最終推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式，為進(jìn)一步揭示藏東南地區(qū)深厚覆蓋層滲透侵蝕規(guī)律和預(yù)防管涌、流土災(zāi)害提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

1.1 TST-70型滲透儀簡介

試驗(yàn)平臺(tái)所用的試驗(yàn)設(shè)備為TST-70型滲透儀，用以完成常水頭滲透試驗(yàn)。部分設(shè)備參數(shù)見表1，設(shè)備具體如圖1所示。

圖1 TST-70型滲透儀

表1 滲透儀參數(shù)表

表2 土體粒徑級配(樣本)

1.2 試驗(yàn)方案

通過查閱大量文獻(xiàn)及試驗(yàn)室之前的研究成果，確定采用常水頭試驗(yàn)?zāi)M水流對不同土體的滲透性，并對采用的高山河谷區(qū)深厚覆蓋層不同級配的粗顆粒土樣進(jìn)行篩分、滲透，擊實(shí)試驗(yàn)，確定其粒徑級配、滲透系數(shù)及最大干密度等參數(shù)，得出抗?jié)B性能最強(qiáng)的顆粒粒組。

通過數(shù)據(jù)處理軟件Microsoft Excel對上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出不同級配土體的滲透系數(shù)，并對滲透系數(shù)曲線進(jìn)行回歸擬合以及數(shù)值分析，得出相應(yīng)的滲透規(guī)律，為西藏雅魯藏布江水電站及大壩的開發(fā)和安全運(yùn)行提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和理論支持。

本次常水頭滲透試驗(yàn)的原材料采用5種不同粒徑的高山河谷區(qū)深厚覆蓋層不同級配的粗顆粒土樣，代號分別為A、B、C、D、E，通過將前4種顆粒(A、B、C、D)按不同比例(如1∶1，1∶2，2∶1，1∶4，4∶1)混合，形成30種組合的二元顆粒，本試驗(yàn)旨在通過測定不同二元顆粒組合的滲透特征及滲透參數(shù)，并擬合數(shù)據(jù)曲線得出相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，比較得出抗?jié)B性能最強(qiáng)的一組二元顆粒組合。A為中礫粒組，B為細(xì)礫粒組，C為粗砂粒組，D為中砂粒組，E為細(xì)砂及粉粒組的混合土。本試驗(yàn)主要在于研究前4種不同顆粒級配的滲透特性。土體粒徑級配(樣本)見表二，土體的粒徑級配曲線如圖2所示。

圖2 土體的粒徑級配曲線

從圖2的土體粒徑級配曲線可以看出，土體中中礫粒組含量最多，5～10mm粒組占30%～35%，而細(xì)砂及粉粒組的混合土的含量最少，0～0.25mm占5%～10%。粒徑級配曲線是連續(xù)的，即本次試驗(yàn)土體為連續(xù)性土。

常水頭滲透試驗(yàn)原理就是在試驗(yàn)裝置中測出滲流量、水位差，從而計(jì)算出滲流速度和水力梯度。二元顆粒配比方案見表3—4。

表3 二元顆粒組合

表4 二元顆粒的混合配比

2 常水頭滲透試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)需要可裝數(shù)個(gè)不同孔隙比的試樣進(jìn)行滲透系數(shù)的測定。常水頭滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中，KT—水溫T℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)，cm/s；Q—時(shí)間t秒內(nèi)的滲透水量，cm3；L—滲徑，cm，等于兩測壓孔中心間的試樣高度；A—試樣的斷面積，cm2；t—時(shí)間，s；H1、H2—水位差，cm；K20—標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)時(shí)試樣的滲透系數(shù)，cm/s；ηT—T℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，10-6kPa·s；η20—20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，10-6kPa·s；e—孔隙比，%。

當(dāng)進(jìn)行不同孔隙比下的滲透試驗(yàn)時(shí)，可在半對數(shù)坐標(biāo)上繪制以孔隙比為縱坐標(biāo)，滲透系數(shù)為橫坐標(biāo)的e-k關(guān)系曲線圖。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過常水頭滲透試驗(yàn)得出的試驗(yàn)結(jié)果見表5，全部工況的二元顆粒組合滲透系數(shù)的折線統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 滲透系數(shù)折線統(tǒng)計(jì)圖

表5 滲透試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，從表5可以得出，在以上30種二元顆粒組合中，(A，D)組合的滲透系數(shù)最小，其值為0.0009cm/s，因此這組二元顆粒組合的抗?jié)B性能是最強(qiáng)的，說明中礫和中砂的混合土體的抗?jié)B性能最強(qiáng)。

因此，在未來西藏林芝地區(qū)研發(fā)設(shè)計(jì)水利工程，例如大壩等設(shè)施時(shí)，大壩防滲墻的深厚覆蓋層可以選擇高山河谷區(qū)深厚覆蓋層不同級配下的粗顆粒土樣中的中礫粒組和中砂粒組的混合二元顆粒，這種混合土對于滲流侵蝕破壞的防護(hù)作用非常大，可以有效地避免潛蝕和管涌及流土等對大壩具有巨大破壞性的危害現(xiàn)象。圖4—15為常水頭滲透試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)圖，即滲透試驗(yàn)在不同配比的土樣下對不同變量所做出的散點(diǎn)圖關(guān)系。

圖4 1∶1配比下滲透系數(shù)-密度散點(diǎn)圖

2.2.1滲透系數(shù)-密度散點(diǎn)圖

不同工況下二元顆粒組合的滲透系數(shù)-密度散點(diǎn)圖的函數(shù)關(guān)系如圖4—6所示。

從圖4中可以看出，在1∶1的配比下，當(dāng)密度為1.3086時(shí)，滲透系數(shù)最小，為0.0009，即(A，D)組合。當(dāng)密度為1.2970時(shí)，滲透系數(shù)最大，為0.0354，即(A，C)組合。

從圖5中可以看出，在2∶1的配比下，當(dāng)密度為1.4538時(shí)，滲透系數(shù)最小，為0.0110，即(2B，D)組合。當(dāng)密度為1.2265時(shí)，滲透系數(shù)最大，為0.0518，即(2A，D)組合。

從圖6中可以看出，在4∶1的配比下，當(dāng)密度為1.4495時(shí)，滲透系數(shù)最小，為0.0198，即(4C，D)組合。當(dāng)密度為1.3590時(shí)，滲透系數(shù)最大，為0.0803，即(4B，C)組合。

圖6 4∶1配比下滲透系數(shù)-密度散點(diǎn)圖

從圖4—6中我們可以看出，滲透系數(shù)和密度之間存在函數(shù)關(guān)系，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即隨著二元顆粒組合密度的增加，滲透系數(shù)逐漸變小，抗?jié)B性能逐漸變強(qiáng)，這一現(xiàn)象的原因是隨著二元顆粒組合密度的增加，顆粒間的孔隙比逐漸減小，水流滲透侵蝕變得更加困難，因此水流穿過土體滲透侵蝕產(chǎn)生的流量逐漸變小，即滲透系數(shù)變小，抗?jié)B性能變強(qiáng)。另外，在二元顆粒配比2∶1的比例下，滲透系數(shù)-密度的函數(shù)關(guān)系變化最明顯。

2.2.2滲透系數(shù)-孔隙比散點(diǎn)圖

不同工況下二元顆粒組合的滲透系數(shù)-密度散點(diǎn)圖的函數(shù)關(guān)系如圖7—9所示。

從圖7中可以看出，在1∶1的配比下，當(dāng)孔隙比為1.2863時(shí)，滲透系數(shù)最小，為0.0009，即(A，D)組合。當(dāng)孔隙比為1.3068時(shí)，滲透系數(shù)最大，為0.0354，即(A，C)組合。

從圖8中可以看出，在1∶2的配比下，當(dāng)孔隙比為1.1025時(shí)，滲透系數(shù)最小，為0.0028，即(C，2D)組合。當(dāng)孔隙比為1.3606時(shí)，滲透系數(shù)最大，為0.0559，即(B，2C)組合。

圖8 1∶2配比下滲透系數(shù)-孔隙比散點(diǎn)圖

從圖9中可以看出，在1∶4的配比下，當(dāng)孔隙比為1.2210時(shí)，滲透系數(shù)最小，為0.0012，即(C，4D)組合。當(dāng)孔隙比為1.5967時(shí)，滲透系數(shù)最大，為0.0418，即(A，4C)組合。

圖9 1∶4配比下滲透系數(shù)-孔隙比散點(diǎn)圖

從圖7—9中可以看出，滲透系數(shù)和孔隙比之間存在函數(shù)關(guān)系，二者大多數(shù)情況下整體呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。即隨著二元顆粒組合孔隙比的增加，滲透系數(shù)逐漸變大，抗?jié)B性能逐漸變?nèi)?，這一現(xiàn)象的原因是隨著二元顆粒組合孔隙比的增加，土體的孔隙逐漸增大，水流滲透侵蝕變得更加容易，因此水流穿過土體滲透侵蝕產(chǎn)生的流量逐漸變大，即滲透系數(shù)變大，抗?jié)B性能變?nèi)酢Ａ硗?，在二元顆粒配比1∶4的比例下，滲透系數(shù)—孔隙比的函數(shù)關(guān)系變化最明顯。

2.2.3水力坡降-孔隙比散點(diǎn)圖

不同工況下二元顆粒組合的滲透系數(shù)—密度散點(diǎn)圖的函數(shù)關(guān)系如圖10—12所示。

圖10 1∶1配比下水力坡降-孔隙比散點(diǎn)圖

從圖10中可以看出，在1∶1的配比下，當(dāng)孔隙比為1.3068時(shí)，水力坡降最小，為1.25，即(A，C)組合。當(dāng)孔隙比為1.0185時(shí)，水力坡降最大，為1.95，即(C，D)組合。

從圖11中可以看出，在1∶2的配比下，當(dāng)孔隙比為1.6993時(shí)，水力坡降最小，為1.10，即(A，2B)組合。當(dāng)孔隙比為1.3606時(shí)，水力坡降最大，為3.35，即(A，2D)組合。

圖11 1∶2配比下水力坡降-孔隙比散點(diǎn)圖

從圖12中可以看出，在1∶4的配比下，當(dāng)孔隙比為1.7472時(shí)，水力坡降最小，為1.60，即(A，4B)組合。當(dāng)孔隙比為1.3137時(shí)，水力坡降最大，為3.45，即(B，4C)組合。

圖12 1∶4配比下水力坡降-孔隙比散點(diǎn)圖

從圖10—12中可以看出，水力坡降和孔隙比之間存在函數(shù)關(guān)系，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即橫坐標(biāo)是水力坡降值，縱坐標(biāo)是孔隙比值，即隨著孔隙比的增加，二元顆粒組合水力坡降逐漸變小，抗?jié)B性能逐漸變?nèi)?，這一現(xiàn)象的原因是隨著二元顆粒組合孔隙比的增加，顆粒間的孔隙逐漸增大，水流滲透侵蝕變得更加容易，因此水流穿過土體滲透侵蝕產(chǎn)生的流量逐漸變大，即滲透系數(shù)變大，水力坡降變小，抗?jié)B性能變?nèi)?。另外，在二元顆粒配比1∶1的比例下，水力坡降-孔隙比的函數(shù)關(guān)系變化最明顯。

2.2.4水力坡降—密度散點(diǎn)圖

不同工況下二元顆粒組合的水力坡降-密度散點(diǎn)圖的函數(shù)關(guān)系如圖13—15所示。

圖13 1∶1配比下水力坡降-密度散點(diǎn)圖

從圖13中可以看出，在1∶1的配比下，當(dāng)密度為1.2970時(shí)，水力坡降最小，為1.25，即(A，C)組合。當(dāng)密度為1.4822時(shí)，水力坡降最大，為1.95，即(C，D)組合。

從圖14中可以看出，在1∶1的配比下，當(dāng)密度為1.2970時(shí)，水力坡降最小，為1.25，即(A，C)組合。當(dāng)密度為1.4822時(shí)，水力坡降最大，為1.95，即(C，D)組合。

圖14 1∶2配比下水力坡降-密度散點(diǎn)圖

從圖15中可以看出，在1∶4的配比下，當(dāng)密度為1.0891時(shí)，水力坡降最小，為1.60，即(A，4B)組合。當(dāng)密度為1.2931時(shí)，水力坡降最大，為3.45，即(B，4C)組合。

圖15 1∶4配比下水力坡降-密度散點(diǎn)圖

從圖13—15中可以看出，水力坡降和密度之間存在函數(shù)關(guān)系，二者呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，即橫坐標(biāo)是水力坡降值，縱坐標(biāo)是密度值，即隨著密度的增加，二元顆粒組合水力坡降逐漸變大，抗?jié)B性能逐漸變強(qiáng)，這一現(xiàn)象的原因是隨著二元顆粒組合密度的增加，顆粒間的孔隙逐漸變小，水流滲透侵蝕變得更加困難，因此水流穿過土體滲透侵蝕產(chǎn)生的流量逐漸變小，即滲透系數(shù)變小，水力坡降變大，抗?jié)B性能變強(qiáng)。另外，在二元顆粒配比1∶1的比例下，水力坡降-密度的函數(shù)關(guān)系變化最明顯。

3 結(jié)論

本文基于常水頭滲透試驗(yàn)，獲得了不同二元顆粒組合的滲透參數(shù)。結(jié)果表明：當(dāng)水力梯度較小時(shí)，隨著水力梯度的增大，滲透系數(shù)逐漸減小；粗砂中水力梯度對滲透系數(shù)影響最大，中砂次之，細(xì)砂對滲透系數(shù)的影響最小。土體的密度如果越大，土體的抗?jié)B性能越強(qiáng)，土體的孔隙比越大，抗?jié)B性能越弱。從中可以得出高原深厚覆蓋層的滲透系數(shù)與密度，孔隙比之間的函數(shù)關(guān)系以及經(jīng)驗(yàn)公式，為雅魯藏布江下游流域的后續(xù)水電開發(fā)提供有力的科學(xué)依據(jù)。由于高原不同大壩的深厚覆蓋層存在差異，因此，研究結(jié)果應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究。