鄭詠琎，陳 群，王 卓，王 琛，周 成

(1. 四川大學水利水電學院水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；2. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

0 引 言

紅黏土廣泛分布于我國西南地區(qū)，我國利用紅黏土修建了大量的土石壩，例如云南蒙自莊寨水庫均質(zhì)土壩[1]、暮底河水庫紅黏土心墻堆石壩[2]、遵義清水河水庫大壩[3]等。紅黏土具有較好的力學性能和耐水性，可用作土石壩心墻料，并在其上下游設置反濾層。接觸流失是反濾層常見的破壞形式[4]。目前已有關于反濾層和被保護土料的顆粒級配[5]、滲透系數(shù)大小[6]和細顆粒內(nèi)部壓應力[7]對抵抗接觸流失破壞能力影響的研究，也有不少研究揭示了水流方向?qū)ν馏w滲透特性有著不可忽視的影響[8,9]。同時，土石壩心墻的干密度對其抗?jié)B性能的影響也值得關注[10]。目前對于接觸流失臨界水力坡降還沒有較為普遍的經(jīng)驗公式，主要通過試驗來確定，且目前針對紅黏土作為防滲料的接觸流失破壞的研究還較少。

本文主要進行了砂與不同干密度的紅黏土的接觸面與水流方向呈不同夾角時雙層土的接觸流失破壞試驗，以探尋紅黏土干密度和水流方向?qū)t黏土心墻與反濾層抵抗接觸流失破壞能力的影響，為利用紅黏土筑壩提供科學參考。

1 試驗儀器和方法

本次試驗采用ST30-3大型豎向滲透試驗儀，其主要構造包括儀器筒、底座、透水板、進水口、出水孔等(如圖1所示)。ST30-3滲透儀的試樣筒壁內(nèi)徑D=30 cm，面積A=706.8 cm2，高度L=30 cm，進水水頭為h1，出水水頭為h2，試樣的頂面為自由出水面，透水板的孔徑為5 mm，裝填土樣時在下透水底板上鋪一層透水土工布。滲透試驗的供水設備包括吊桶和提升架。吊桶通過滑輪進行升降以達到滲透試驗所需要的不同水頭要求。

圖1 ST30-3滲透儀結(jié)構示意圖

本次試驗研究不同干密度(1.21、1.28和1.35 g/cm3)的紅黏土和砂的接觸面與水流方向呈90°，60°和45°這三種夾角情況下的雙層土接觸流失破壞，具體試驗方案見表1，試樣編號橫線前、后的數(shù)字分別表示接觸面與水流方向的夾角(以下簡稱夾角)和干密度編號。由于水流方向不便調(diào)整，因此通過調(diào)整紅黏土和砂接觸面的傾角來模擬不同的水流方向。

表1 接觸流失試驗方案表

圖2為試樣的豎向剖面圖，將試樣筒分為上下兩部分來分別裝填兩種土料，下層為紅黏土，上層為砂。在裝填土料時，對于水流方向與接觸面垂直的情況，先將紅黏土裝入試樣筒內(nèi)，然后擊實，并使擊實后的紅黏土達到預設的高度，使其滿足干密度的要求。對于接觸面與水流方向呈60°和45°夾角的情況，為了消除土層厚度的影響，先在試樣筒底墊一層對應接觸傾角的透水均勻礫石，然后依次裝填紅黏土和砂。紅黏土裝填完畢后，挖除一部分已裝填好的紅黏土使其滿足預設夾角，然后將砂裝填到試樣筒并擊實到預設高度。

圖2 試樣的豎向剖面圖

夾角較小時，由于儀器幾何形狀的限制，裝樣時很難保證紅黏土層貫穿整個截面，水流會直接從礫石層或砂層貫穿通過，導致雙層土滲透破壞形式不再是接觸流失。因此本試驗方案設置的最小夾角為45°。

為了便于觀察接觸流失的發(fā)生和發(fā)展過程，記錄滲流出口處的破壞現(xiàn)象，本次試驗采用自下而上的水流方向。

本次試驗采用常水頭飽和法進行飽和。試樣飽和后，測定并記錄一段時間內(nèi)的滲透流量Q、滲出水的溫度T、進出口的測壓管讀數(shù)h1和h2。提高水頭(每次增加2～3的水力坡降來提高水頭，接近破壞時適當減小水力坡降的增加值)，讓試樣在該級水頭下滲流，當相鄰幾次測得的單位時間流量相同時，說明試樣中滲流達到穩(wěn)定，采取同樣的方法測量滲透流量Q、進出口的測壓管讀數(shù)h1和h2，然后加下一級水頭測定同樣的數(shù)據(jù)，當流量突然增大且無穩(wěn)定趨勢或進口水頭已經(jīng)達到吊桶的最大水頭值時，則停止試驗。

試驗停止后，用排水孔排盡試樣中的水，觀察試樣頂部破壞情況并記錄，隨后自上而下逐漸挖出試樣，觀察并記錄試樣的破壞情況。

2 土料特性

試驗采用的反濾料制樣干密度取1.70 g/cm3，用篩分法獲得的級配曲線如圖3所示，土樣的不均勻系數(shù)Cu=2.19，曲率系數(shù)Cc=1.19，砂粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量的50%，細粒組質(zhì)量小于5%，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)[11]，將其定名為級配不良砂(SP)。采用南70型滲透儀進行砂的室內(nèi)常水頭試驗測定其滲透系數(shù)。用流量穩(wěn)定后3次讀數(shù)的平均值計算滲透流速，測得砂的滲透系數(shù)k=8.52×10-3cm/s。紅黏土取自四川省攀枝花市鹽邊縣某黏土料場重塑樣，該料場主要以殘坡積層粉質(zhì)黏土為主。紅黏土中細粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量的50%，粗粒組質(zhì)量小于總質(zhì)量的25%，級配曲線如圖4，物理性質(zhì)指標如表2，根據(jù)其液限和塑性指數(shù)的大小，按《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)[11]定名為高液限粉土(MH)。根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)[12]，砂和紅黏土的級配滿足反濾和排水要求。

圖3 試驗用砂的級配曲線

圖4 試驗用紅黏土的級配曲線

表2 試驗用紅黏土的物理性質(zhì)指標

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 接觸流失的發(fā)生和發(fā)展過程

滲透流速與水力坡降的雙對數(shù)關系曲線如圖5。按照圖5中曲線的變化過程并結(jié)合試驗現(xiàn)象，可以將紅黏土與砂的接觸流失破壞劃分為4個階段。

第一階段：穩(wěn)定階段，以圖5中的曲線1-1為例，對應AB段。在此階段，滲透流速和水力坡降在雙對數(shù)坐標中呈45°的直線關系，滲透流速隨水力坡降線性增長，符合達西定律。此時液面保持澄清，沒有細顆粒被帶出。說明水力坡降較小，未達到使紅黏土顆粒移動的水力坡降。

第二階段：過渡階段，對應圖5中的BC段。此時滲透流速隨坡降的增大比穩(wěn)定階段更快，說明紅黏土中的細顆粒發(fā)生了移動，土體中形成了更多的滲流通道。但此時液面依然保持澄清，說明紅黏土顆粒還未穿過砂層。過渡階段是紅黏土中的細顆粒開始移動的階段，亦即接觸流失的開始階段。B點為滲透流速增長速率加快的起始點，對應的坡降為啟動坡降。

第三階段：次生反濾層形成階段，對應圖5中的CD段，當滲透流速增長速率開始減慢時即進入該階段。該階段滲透流速隨水力坡降增大而增大的速率有所減小，且液面仍未出現(xiàn)渾濁，說明細顆粒的移動造成某些滲流通道的堵塞，細顆粒與砂共同形成了次生反濾層，阻止了細顆粒的繼續(xù)移動。

第四階段：破壞階段，對應圖5中D點之后的階段。當滲透流速突然增大且無穩(wěn)定趨勢時進入該階段，此時液面出現(xiàn)大面積渾濁。試驗后發(fā)現(xiàn)大量的紅黏土細顆粒堆積在試樣頂面，說明試驗過程中有大量紅黏土細顆粒通過砂層的孔隙被沖出，發(fā)生了接觸流失破壞。D點對應的坡降為破壞坡降。如果進口水頭已經(jīng)達到吊桶的最大水頭值，液面依然保持澄清，無細顆粒被帶出，說明未發(fā)生破壞，可終止試驗。

圖5 滲透流速隨水力坡降的變化曲線

3.2 滲透系數(shù)的變化規(guī)律

滲透系數(shù)隨水力坡降的關系曲線如圖6，圖例表示試樣編號。由圖6可知，干密度越大，試樣的滲透系數(shù)越小。開始時，試樣滲透系數(shù)略微增大或保持恒定。此時紅黏土細顆粒幾乎未發(fā)生移動。當水力坡降達到啟動坡降時，滲透系數(shù)明顯增大。此時部分紅黏土細顆粒在滲流作用下發(fā)生了移動，紅黏土層的抗?jié)B性能被削弱。當水力坡降增大到一定程度時，滲透系數(shù)又趨于穩(wěn)定，說明發(fā)生移動的紅黏土細顆粒有一部分進入到砂層中，與砂層形成了次生反濾層，阻礙了接觸流失的進一步發(fā)展。當水力坡降達到破壞坡降時，滲透系數(shù)突然增大，試樣發(fā)生了接觸流失破壞。

圖6 滲透系數(shù)隨水力坡降的變化曲線

3.3 抗?jié)B坡降的變化規(guī)律

砂與紅黏土的接觸流失破壞過程的滲透系數(shù)在整個變化曲線上有兩個明顯的轉(zhuǎn)折點，其橫坐標分別為紅黏土細顆粒開始移動的啟動坡降和發(fā)生接觸流失的破壞坡降。不同干密度的紅黏土與砂在接觸面與水流方向呈不同夾角時的接觸流失破壞試驗的試驗現(xiàn)象相似，不同的是細顆粒開始移動和發(fā)生接觸流失破壞的水力坡降不同。啟動坡降和破壞坡降隨夾角的變化曲線見圖7。由圖7可知，當水流方向與接觸面方向垂直時，啟動坡降和破壞坡降均最小，最容易發(fā)生接觸流失破壞。隨著水流方向與接觸面的夾角逐漸減小，啟動坡降和破壞坡降有所增大。因此，在進行紅黏土心墻壩接觸流失破壞驗算時，要特別注意接觸面與水流方向垂直的情況。

圖7 抗?jié)B坡降隨夾角的變化

啟動坡降和破壞坡降隨紅黏土干密度的變化關系如圖8?？梢钥闯?，砂與紅黏土接觸流失的啟動坡降和破壞坡降都隨紅黏土干密度的增大而增大。由于紅黏土干密度增大會使紅黏土顆粒之間的相互作用增強，更難被沖蝕，砂和紅黏土發(fā)生接觸流失破壞的坡降增大。

圖8 抗?jié)B坡降隨紅黏土干密度的變化

4 結(jié) 論

根據(jù)雙層土的接觸流失試驗，研究了不同干密度的紅黏土與砂在接觸面與水流方向呈不同夾角時的接觸流失破壞，所得如下結(jié)論。

(1)接觸流失的發(fā)生和發(fā)展可分為4個階段：穩(wěn)定階段、過渡階段、次生反濾層形成階段和破壞階段。滲透系數(shù)隨著水力坡降的增大，剛開始幾乎保持恒定，到達啟動坡降后顯著增大，形成次生反濾層后又趨于穩(wěn)定，到達破壞坡降后突然增大。

(2)隨著紅黏土干密度的增大，接觸流失破壞越難發(fā)生。當紅黏土和砂的接觸面與水流方向垂直時，最容易發(fā)生接觸流失破壞，隨著接觸面與水流方向夾角的減小，啟動坡降和破壞坡降都有所增大。

(3)當主要水流方向垂直于接觸面時，應注意考慮接觸流失破壞，采取相應防治措施，如增大心墻料的干密度，增大反濾層厚度，優(yōu)化反濾料級配等等。

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