徐少星

(九江市柴桑區(qū)農(nóng)村水利工作站，江西 九江 332100)

1 引 言

碎石土是南方各水庫(kù)特有的一種土體，并廣泛存在于江西、湖北、四川等地，主要成分是礫石、碎塊石、細(xì)粒、粉粒、黏粒。由于碎石所占比例、形狀大小、孔隙比等多方面因素變化，影響著碎石土的滲透性能。該研究通過(guò)設(shè)定各種試驗(yàn)樣本及設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，探究碎石土滲透性與碎石比例、孔隙比、碎石顆粒尺寸三者之間的影響關(guān)系，為防止水利工程中山體滑坡及水利工程維護(hù)提供建議。

由于取用原樣樣本比較困難，現(xiàn)均采用樣本重塑的方式進(jìn)行試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)就碎石土滲透性能研究相對(duì)較少，近幾年取得一些成果?？琢顐1]等人主要就砂土中含有細(xì)粒顆粒的比例對(duì)其滲透系數(shù)造成的影響展開(kāi)研究，提出砂土滲透系數(shù)的細(xì)粒效應(yīng)，探究各種狀態(tài)參數(shù)與其滲透系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。董輝[2]等人為了對(duì)山體滑坡預(yù)防，考慮降雨條件下封閉氣泡對(duì)碎石土滲透性的影響，同時(shí)分析降雨強(qiáng)度與其滲透性的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度關(guān)系。王雙[3]等人為探究碎石顆粒級(jí)配對(duì)碎石土滲透性能的影響，設(shè)計(jì)92組全覆蓋級(jí)配的試驗(yàn)樣本滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及對(duì)比分析方法，分析各粒徑對(duì)其滲透性能的影響。韓培鋒[4]等人針對(duì)碎石土中碎石形狀對(duì)其滲透性能的影響進(jìn)行探討，設(shè)計(jì)不同形狀的碎石滲透性試驗(yàn)(圓形、正方形、正六邊形、正八邊形)，測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合函數(shù)關(guān)系曲線，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，變化規(guī)律高度一致。李學(xué)良[5]等人借助線性相關(guān)分析法與回歸分析法對(duì)碎石土滲透系數(shù)影響因素展開(kāi)研究，重點(diǎn)探討碎石所占比例、孔隙大小、顆粒情況和滲透系數(shù)間的關(guān)聯(lián)程度情況，得到相應(yīng)函數(shù)變化關(guān)系。

本文在借鑒國(guó)內(nèi)一些研究思路及研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)碎石土滲透性能展開(kāi)研究。選取九江縣戴山某滑坡的碎石土，進(jìn)行樣本重塑，設(shè)定試驗(yàn)樣本，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。探究碎石比例、孔隙比、碎石顆粒大小對(duì)碎石土滲透性能的影響，采用對(duì)比分析的方法分析其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到其函數(shù)變化曲線。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 樣本選用

本文試驗(yàn)樣本選用九江縣戴山某滑坡高程80.00m左右的碎石土，其主要構(gòu)成為紫紅色粉質(zhì)黏土、碎石。其中碎石主要由泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，其形狀以棱角狀為主，大小在5～300mm波動(dòng)。試驗(yàn)選用邊長(zhǎng)為360mm的立方體模具重新制成碎石層，每層高度60mm，分成6層裝樣，每層都?jí)簩?shí)后的孔隙比合格的情況下才進(jìn)行下一層裝樣[6]。頂面刮平后以無(wú)紡布遮蓋，并依次覆蓋透水板、密封膠繩和上壓環(huán)、頂蓋。擰緊頂蓋和筒體的連接螺釘，防止試驗(yàn)樣本膨脹上頂對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

2.2 方案設(shè)計(jì)

參考相關(guān)工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范，碎石土以2mm的顆粒徑為限界區(qū)分土與碎石?？紤]到碎石土的碎石比例、孔隙比、顆粒大小均影響碎石土的滲透性，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的精度，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)樣本，將3個(gè)樣本試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，其具體試驗(yàn)方案如下：

a. 碎石比例、滲透系數(shù)關(guān)系探討。設(shè)定孔隙比為0.5，曲率系數(shù)為1.2，不均勻系數(shù)為30，探究碎石比例依次為0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2時(shí)碎石土的滲透性能。

b. 孔隙比、滲透系數(shù)關(guān)系探討。設(shè)定碎石比例依次為0.8、0.6、0.4、0.2，曲率系數(shù)為1.2，不均勻系數(shù)為30，探究在碎石比例相同條件下孔隙比與碎石土滲透性能的關(guān)系。

c. 顆粒大小、滲透系數(shù)關(guān)系探討。設(shè)定孔隙比為0.5，碎石比例為0.6，探究曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)、顆粒大小對(duì)碎石土滲透性能的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 碎石比例、滲透系數(shù)間的關(guān)系

依據(jù)試驗(yàn)樣本測(cè)定結(jié)果，做出碎石比例與碎石土滲透系數(shù)兩者之間關(guān)系的變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖1。分析圖1，可以推得碎石比例增加，其滲透系數(shù)增長(zhǎng)幅度變大，且隨著碎石比例增加，其滲透系數(shù)大致呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。分析其原因，在碎石比例在0.3以內(nèi)的情況下，碎石土主要以土體為主，其滲透系數(shù)增長(zhǎng)緩慢；碎石比例大于0.3的情況下，碎石在碎石土中起到骨架作用，其滲透系數(shù)增長(zhǎng)迅猛。

圖1 碎石比例、滲透系數(shù)間的關(guān)系趨勢(shì)(孔隙比0.5)

3.2 孔隙比、滲透系數(shù)間的關(guān)系

在固定碎石比例的情況下，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果探究碎石土的孔隙比、滲透系數(shù)兩者之間的變化關(guān)系，做出其變化圖，見(jiàn)圖2。分析圖2，不難看出孔隙比由0.3到0.45，孔隙比與滲透系數(shù)之間呈現(xiàn)高度正相關(guān)關(guān)系。對(duì)比碎石比例不同時(shí)的滲透系數(shù)值，由低到高依次是碎石比例為0.2、0.4、0.6、0.8，同樣印證碎石比例、滲透系數(shù)間的關(guān)系變化。

圖2 各種碎石比例的孔隙比、滲透系數(shù)間的關(guān)系

3.3 顆粒大小、滲透系數(shù)間的關(guān)系

滲透系數(shù)、顆粒大小之間的變化關(guān)系探究，主要研究碎石的不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、顆粒尺寸對(duì)碎石土滲透系數(shù)的影響。按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果，依次畫(huà)出不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、顆粒尺寸與碎石土滲透系數(shù)關(guān)系趨勢(shì)圖，分別見(jiàn)圖3、圖4、圖5。分析圖3、圖4、圖5，不難看出，碎石的不均勻系數(shù)、顆粒尺寸對(duì)碎石土滲透系數(shù)的影響遠(yuǎn)大于曲率系數(shù)對(duì)碎石土滲透系數(shù)的影響(0.914>0.3263，0.896>0.3263)，進(jìn)一步可以得到碎石顆粒大小對(duì)碎石土滲透系數(shù)的主要影響因素是其不均勻系數(shù)與顆粒尺寸。

圖3 不均勻系數(shù)、滲透系數(shù)變化趨勢(shì)

圖4 曲率系數(shù)、滲透系數(shù)變化趨勢(shì)

圖5 顆粒尺寸、滲透系數(shù)變化趨勢(shì)

3.4 滲透前后顆粒大小比例變化

在進(jìn)行上述碎石不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、顆粒尺寸與碎石土滲透系數(shù)關(guān)系探討的試驗(yàn)中，收集其試驗(yàn)樣本滲出的水體，烘干后分析其顆粒大小，并進(jìn)行歸類分析整理，以孔隙比是0.5、碎石比例0.6的試驗(yàn)樣本為例得到下表。由下表可以看出水力梯度較小時(shí)，主要流失的是直徑小于0.5mm的小顆粒土，隨著水力梯度增大，細(xì)粒土流失比較嚴(yán)重，這表明碎石土的滲透系數(shù)在逐漸增大，側(cè)面反映出碎石土的滲透系數(shù)同時(shí)也受到水力梯度的影響。

小顆粒土流失量表

4 結(jié) 論

本文在借鑒國(guó)內(nèi)一些研究思路及研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)碎石土滲透性能展開(kāi)研究。選取九江縣戴山某滑坡的碎石土，進(jìn)行樣本重塑，分別改變碎石比例、孔隙比、顆粒大小來(lái)設(shè)定不同的試驗(yàn)樣本，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。探究碎石比例、孔隙比、碎石顆粒大小對(duì)碎石土滲透性能的影響，采用對(duì)比分析的方法分析其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到其函數(shù)變化曲線趨勢(shì)圖，并對(duì)試驗(yàn)樣本流失水體中的小顆粒土含量進(jìn)行分析，最終得到如下結(jié)論：?碎石比例與碎石土滲透系數(shù)成指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系；?碎石空隙比與碎石土滲透系數(shù)呈現(xiàn)高度正相關(guān)關(guān)系；?碎石顆粒大小對(duì)碎石土滲透性能的影響主要因素是其顆粒尺寸與不均勻系數(shù)；?細(xì)粒土流失情況隨水利梯度增大而增加。

[1] 孔令偉,李新明,田湖南.砂土滲透系數(shù)的細(xì)粒效應(yīng)與其狀態(tài)參數(shù)關(guān)聯(lián)性[J].巖土力學(xué),2011(S2):21-26.

[2] 董輝,羅瀟,史超,等.氣阻作用下堆積碎石土滲透規(guī)律[J].山地學(xué)報(bào),2015(3):365-373

[3] 王雙,李小春,王少泉,等.碎石土級(jí)配特征對(duì)滲透系數(shù)的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015(S2):4394-4402.

[4] 韓培鋒,孔紀(jì)名,田述軍,等.塊石顆粒形狀對(duì)碎石土滲流特性影響研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,44(3):316-320.

[5] 李學(xué)良,盧書(shū)強(qiáng),張國(guó)棟,等.滑坡碎石土原位滲透試驗(yàn)及滲透系數(shù)預(yù)測(cè)研究[J].人民長(zhǎng)江,2016(10):41-44,53.

[6] 許建聰,尚岳全.碎石土滲透特性對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006(11):2264-2271.