唐占君

(哈密托實(shí)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000)

1 概 述

滲透系數(shù)是滲流分析中最基本的、也是非常重要的計(jì)算參數(shù)，是一個(gè)具有多重意義的土工參數(shù)，它的大小主要反映土體中孔隙的大小、多少以及連通等構(gòu)成情況[1]。目前國內(nèi)外對(duì)土體的滲透系數(shù)主要通過試驗(yàn)獲取，在缺乏試驗(yàn)條件時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，因此經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的選用就顯得尤為重要。無黏性粗粒土在水利工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，其特點(diǎn)為壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、填筑密度大、強(qiáng)度高、變形小等，且分布廣泛、儲(chǔ)量豐富、經(jīng)濟(jì)性好。研究表明，無黏性粗粒土的滲透規(guī)律很復(fù)雜，多年來國內(nèi)多位專家從不同角度進(jìn)行了相關(guān)研究。

2 試驗(yàn)方法研究

目前水利工程建設(shè)過程中，粗粒土滲透系數(shù)可通過室內(nèi)試驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)，粗粒土滲透系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)一般都使用直徑30 cm 垂直(水平)滲透裝置，見圖1，試驗(yàn)采用縮尺法制樣。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)更真實(shí)可靠，部分試驗(yàn)室也采用直徑100 cm甚至更大直徑的設(shè)備對(duì)原級(jí)配的粗粒料進(jìn)行相關(guān)滲透試驗(yàn)。即使如此，也依然存在不能滿足原級(jí)配料的大型滲透試驗(yàn)，仍然需要縮尺法制樣后進(jìn)行試驗(yàn)[2]。依據(jù)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL345-2007)，試坑單環(huán)注水試驗(yàn)適用于地下水位以上的砂土、砂卵礫石等土層。依據(jù)《土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程》(NB/T 35016-2013)，可采用現(xiàn)場(chǎng)垂直滲透變形試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)水平滲透變形試驗(yàn)，其試驗(yàn)裝置圖見圖2和圖3。

圖1 室內(nèi)垂直滲透儀示意圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)垂直滲透試驗(yàn)裝置示意圖

圖3 現(xiàn)場(chǎng)水平滲透試驗(yàn)裝置示意圖

目前，在粗粒土室內(nèi)試驗(yàn)中，處理超粒徑有4種方法，分別是剔除法、等量替代法、相似級(jí)配法和混合法。土工試驗(yàn)規(guī)程給出了4種縮尺方法，但具體采用哪種，規(guī)程并未給出明確規(guī)定。其中剔除法、相似級(jí)配法和混合法3種制樣法制樣都會(huì)改變樣品中細(xì)粒含量比例，細(xì)料含量Pf會(huì)相應(yīng)或多或少有所增加，細(xì)粒增加也會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)K相應(yīng)減小。而等量替代法，細(xì)料含量Pf保持不變，其滲透系數(shù)K與原始級(jí)配相差較少。謝定孫等研究建議[3]，為確保縮尺方法求得的滲透系數(shù)等于原級(jí)配的滲透系數(shù)，等量代替法必須至少保持30%的細(xì)顆粒級(jí)配不變化。從安全可靠出發(fā)，建議等量代替法最多只能代替60%的粗顆粒，保證40%的細(xì)粒粒徑不變化。縮尺后細(xì)料含量Pf發(fā)生較大變化時(shí)，其滲透性變化也較大，縮尺倍數(shù)越大，差異就越大。

大部分地質(zhì)勘查的室內(nèi)試驗(yàn)中，滲透系數(shù)試驗(yàn)的取值是由室內(nèi)利用縮尺法制樣后試驗(yàn)獲得，現(xiàn)場(chǎng)是通過原位注水試驗(yàn)來獲取[4]。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近真實(shí)，部分試驗(yàn)室也采用了直徑100 cm甚至更大直徑的設(shè)備對(duì)原級(jí)配的粗粒料進(jìn)行相關(guān)滲透試驗(yàn)，但大部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)用性并不強(qiáng)，分析原因如下：

縮尺法導(dǎo)致室內(nèi)滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小，但偏小多少卻很難定量。另外，室內(nèi)的試驗(yàn)控制密度大多都是按相對(duì)密度的0.85控制。但實(shí)體工程中，由于大型機(jī)械的碾壓，工程實(shí)體相對(duì)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.85，而滲透系數(shù)隨密實(shí)度的增大而減小， 導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果比工程實(shí)際偏大，不利于設(shè)計(jì)的滲流計(jì)算。例如，某工程的地勘資料滲透系數(shù)為2.1×10-2cm/s，工程施工實(shí)體的滲透系數(shù)為2.2×10-3cm/s，差了一個(gè)數(shù)量等級(jí)。筆者在工作中發(fā)現(xiàn)，粗粒土在大型設(shè)備碾壓完畢后，表層的滲透系數(shù)小于中下部的滲透系數(shù)，特別是含細(xì)粒較多的粗粒土，尤為明顯。某工程所用粗粒土細(xì)粒含量30%～40%左右，鋪土厚度80 cm，碾壓完畢后現(xiàn)場(chǎng)原位注水試驗(yàn)表層滲透系數(shù)為 2.0×10-3cm/s，中下層滲透系數(shù)為5.2×10-3cm/s，具體原因通過工程實(shí)例分析。

某些工程為了獲取更為真實(shí)或者說更具意義的滲透系數(shù)取值，盡可能去進(jìn)行原級(jí)配的垂直(或者水平)滲透系數(shù)試驗(yàn)[5]，當(dāng)然這樣的試驗(yàn)結(jié)果是更接近真實(shí)值的，具有一定的實(shí)際意義。但實(shí)體工程中滲透是復(fù)雜多變的，不是單純垂直或者水平滲透，而試驗(yàn)室很難模擬出滲流的真實(shí)情況。另外，室內(nèi)的大型滲透試驗(yàn)的控制密度也大多是相對(duì)密度0.85，而工程實(shí)體總是大于0.85甚至達(dá)到0.95以上，這也造成室內(nèi)滲透系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果偏大?！锻潦尾牧夏雺涸囼?yàn)規(guī)程》(NB/T35016-2013)中提出現(xiàn)場(chǎng)垂直和水平碾壓土體滲透變形試驗(yàn)方法，筆者認(rèn)為更接近于真實(shí)值，該試驗(yàn)方法降低了壓實(shí)度對(duì)滲透系數(shù)的影響，另外它對(duì)垂直和水平的滲透系數(shù)均進(jìn)行了分析研究，對(duì)工程的實(shí)際意義更大，而該方法取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)的滲流計(jì)算，準(zhǔn)確度應(yīng)該更高。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水利工程壩型為砂礫石面板堆石壩，最大壩高164.3 m，總庫容22.51×108m3，控制灌溉面積28.5×104hm2，屬大(Ⅰ)型Ⅰ等工程。樞紐工程由攔河壩、溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房等主要建筑物組成。其主料場(chǎng)C4砂礫石料場(chǎng)，距壩址7.8～15.0 km，料場(chǎng)沿葉爾羌河呈彎曲的條帶狀分布，地面高程1 620～1 640 m，長(zhǎng)7 400 m，寬230～550 m，面積3.7 km2，巖性為第四系全新統(tǒng)沖積砂卵礫石。該料場(chǎng)大部分位于河漫灘，地下潛水位埋深淺，并受河水漲落影響，平枯水期地下水埋深1～4 m，7-8月份洪水期均位于水下。據(jù)探坑揭露，料場(chǎng)無用層厚度0～0.5 m，平枯水期水上有用層厚度0.5～1.5 m，按平行斷面法計(jì)算無用層儲(chǔ)量110×104m3，水上有用層儲(chǔ)量250×104m3；若按水下開采3 m計(jì)，C4砂礫石料場(chǎng)有用層總儲(chǔ)量為1 000×104m3。

3.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

對(duì)C4料場(chǎng)填筑料檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓后的滲透系數(shù)及壓實(shí)指標(biāo)，為設(shè)計(jì)單位根據(jù)檢測(cè)成果復(fù)核滲透穩(wěn)定提供依據(jù)。依據(jù)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 345-2007)的相關(guān)規(guī)定，試坑單環(huán)注水試驗(yàn)適用于地下水位以上的砂土、砂卵礫石等土層，本工程所用C4填筑料定名為卵石混合土(SICb)，符合規(guī)范規(guī)定。因此，本次C4填筑料碾壓后現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)測(cè)定采用單環(huán)注水試驗(yàn)方法，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用的試驗(yàn)設(shè)備直徑為51.49 cm(內(nèi)徑)，高50.1 cm，環(huán)面積2 082.0 cm2，見圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)

填筑壓實(shí)碾壓機(jī)械選用26T自行式振動(dòng)碾，型號(hào)為XS263J，振動(dòng)輪寬度為2 130 mm，振動(dòng)頻率27～32 Hz，高振幅1.9 mm，激振力410 kN；低振幅0.95 mm，激振力300 kN。砂礫料碾壓采用高振幅低頻率碾壓10遍，行進(jìn)速度不大于3 km/h， 碾壓方式采用錯(cuò)距法或整碾錯(cuò)距法，即能滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度≥0.85。

本次現(xiàn)場(chǎng)原位注水試驗(yàn)共進(jìn)行5組(1#、2#、3#、4#、5#)，其中3組(1#、2#、3#)在碾壓試驗(yàn)段進(jìn)行，目的在于與壩體填筑有所比對(duì)，試驗(yàn)時(shí)間2018年5月3日，該試驗(yàn)檢測(cè)工作面振碾遍數(shù)>20遍，試驗(yàn)時(shí)注水鐵環(huán)深度為表層10～20 cm。另外2組(4#、5#)在大壩下游第17層填筑面及第20層填筑面進(jìn)行，該試驗(yàn)檢測(cè)工作面振碾遍數(shù)為振碾10遍，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 5組現(xiàn)場(chǎng)原位注水試驗(yàn)成果表

續(xù)表1

3.2.1 大壩下游現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)及結(jié)果分析

1) 第17層的4#樣。試驗(yàn)時(shí)間2018年5月3日，試驗(yàn)時(shí)注水鐵環(huán)深度為表層10～20 cm，其滲透系數(shù)檢測(cè)結(jié)果為2.1×10-3cm/s，壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果相對(duì)密度為0.92，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2) 第20層的5#樣。試驗(yàn)時(shí)間2018年5月11日，試驗(yàn)時(shí)注水鐵環(huán)深度為表層30 cm，其滲透系數(shù)檢測(cè)結(jié)果為4.4×10-3cm/s，壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果相對(duì)密度為0.94，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

在大壩下游進(jìn)行2組原位注水試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，填筑段面的表層滲透系數(shù)小于中下部的滲透系數(shù)，分析其原因，有以下幾個(gè)方面：

1) 從密實(shí)度上分析，表層填筑料經(jīng)過碾壓后，其密實(shí)度要大于中下部的密實(shí)度，從而導(dǎo)致中下部填筑料的滲透系數(shù)要較表層大。但隨著時(shí)間的推移和大壩填筑的繼續(xù)，再加上后期水的浸潤，由于重力原因及沉降，這種表層和中下層的密實(shí)度會(huì)逐漸趨于一致，其滲透系數(shù)也應(yīng)會(huì)逐漸趨于平衡。

2) 從現(xiàn)場(chǎng)碾壓分析，天然干燥狀態(tài)下的砂卵礫石填筑料在振動(dòng)碾碾壓過程中，大顆粒填筑料受到振動(dòng)碾激振力的沖擊，始終是保持向下運(yùn)動(dòng)。由于顆粒之間的相互作用，小顆粒受到擠壓，向上運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致碾壓完后，原來處于表層的大顆粒運(yùn)動(dòng)到中上部或者中部，而形成碾壓完后表層的細(xì)顆粒含量較為集中，總體要大于中下部，這也是表層的滲透系數(shù)小于中下部的滲透系數(shù)的原因之一，但這種狀態(tài)不會(huì)隨時(shí)間的推移和重力沉降的關(guān)系而有大的改變。

3) 從上料角度分析，特別是卵石上料時(shí)，大顆粒會(huì)滾落到料堆跟腳部，這也一定程度上形成整體的填鋪層面，中下層大顆?？偭看笥谥猩蠈?。

通過以上3點(diǎn)可以看出，由于碾壓后的骨料排列結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性作用，雖然重力沉降最終會(huì)使壓實(shí)度趨于一致，滲透系數(shù)趨于平衡，但填筑單層的中下部滲透系數(shù)始終會(huì)較表層大一些，而最終形成的結(jié)果是垂直滲透系數(shù)小于水平滲透系數(shù)。

3.2.2 碾壓試驗(yàn)段試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

在碾壓試驗(yàn)段進(jìn)行3組原位注水試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1) 填筑試驗(yàn)段的滲透系數(shù)與大壩下游現(xiàn)場(chǎng)填筑面表層滲透系數(shù)基本一致。

2) 填筑試驗(yàn)段的滲透系數(shù)并沒有因?yàn)槟雺罕閿?shù)的增加而有明顯的減小，由此可以推斷，C4料場(chǎng)填筑料當(dāng)碾壓密實(shí)度到一定程度后，其填筑斷面表層的滲透系數(shù)基本一致，約為2.0×10-3cm/s。

4 結(jié)論及建議

通過粗粒土滲透系數(shù)方法的研究，結(jié)合實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)原位注水試驗(yàn)，得到以下結(jié)論和建議：

1) 室內(nèi)滲透系數(shù)試驗(yàn)應(yīng)盡可能使用原級(jí)配，條件不允許時(shí)，采用縮尺法應(yīng)采用等量替代法，但應(yīng)注意細(xì)粒含量的適宜性。

2) 現(xiàn)場(chǎng)原級(jí)配碾壓試驗(yàn)過程中增加現(xiàn)場(chǎng)碾壓土體滲透變形試驗(yàn)是很有必要性的，不僅能進(jìn)一步驗(yàn)證地勘數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也能更準(zhǔn)確地為設(shè)計(jì)提供實(shí)體工程的滲透系數(shù)數(shù)據(jù)。

3) 不論是天然的卵礫石還是破碎料，為了更準(zhǔn)確地獲取滲透性能數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能模擬實(shí)際的工況進(jìn)行原級(jí)配滲透試驗(yàn)。對(duì)不同巖性，應(yīng)具體分析，選擇合適的試驗(yàn)方案。