南水北调中线总干渠膨胀岩渗透性状试验研究

童 军，龚壁卫，陈劲松

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 概 述

多年以来，人们针对膨胀土边坡开展了大量的现场观测和原位试验研究，而针对膨胀岩渗透性状的研究却鲜见报道［1－3］。长江科学院和长江委综合勘测局曾于1984年在河南省引丹灌区刁南膨胀土渠道进行了现场观测，在长达4年的观测过程中，分析了土体变形与土压力的变化规律［4］。此后，1996年，长江科学院和武汉水利电力大学又在湖北枣阳进行了膨胀土渠坡的现场观测工作［4，5］。这些研究工作从不同的侧面反映了膨胀土在各种气候条件下的应力、变形和吸力的变化规律。龚壁卫等介绍了在膨胀土渠道边坡所进行的现场渗透实验成果，初步分析了膨胀土渠坡水相入渗规律，为膨胀土边坡处理、非饱和土边坡稳定分析取得了经验［6，7］。由于膨胀岩性状的特殊性与复杂性，室内渗透试验不能全面考虑岩土体结构性、裂隙性及应力变化，因此开展较大尺度的现场原位试验模拟实际岩体的性态及进行现场试验来弥补上述试验的不足是十分必要的。本文通过原位双环、GUELPH仪以及室内重塑样3种不同尺度的渗透试验，揭示了不同岩性及处理措施膨胀岩的场地原位渗透性状间的关系及其与重塑岩样渗透性状的差异，并对不同试验方法对岩体渗透系数量测结果的影响进行了探讨。

2 原位试验场地及试验方案

2．1 原位试验场地

原位试验场地位于南水北调中线工程总干渠新乡潞王坟膨胀岩试验段。本渠段主要分布泥灰岩和黏土岩2种岩性岩层，其中泥灰岩呈灰白色，以弱膨胀为主，上部胶结较好，下部稍差，表层风化成土；黏土岩呈棕红色，局部棕红色夹灰绿色，成岩差，多呈可塑－坚硬土状，干裂后呈碎块状。本渠段属大陆性温带季风气候区，夏秋炎热多雨，冬春干旱少雨。60%～70%的雨量集中在6 8月份，多以暴雨出现，水位、流量受降雨控制。地下水位埋藏较深，一般在渠底以下。

试验场地膨胀岩物理性质指标见表1所示。由表可知：试验场地的密度、含水率变化范围较大，岩体空间差异性较明显。

2．2 试验方案

本次试验共分为原位渗透试验和室内渗透试验两部分，见表2所示。原位渗透试验包括2种不同岩性和2组不同处理措施场地的双环渗透试验和4组泥灰岩及4组黏土岩场地的GUELPH仪渗透对比试验。室内试验包括4组泥灰岩和4组黏土岩重塑样的室内渗透对比试验，重塑样含水率依据泥灰岩及黏土岩场地的天然含水率确定。

表1 试验场地膨胀岩物理性质指标Table 1 The physical properties of the expansive rock in field

表2 原位及室内渗透试验方案Table 2 Test schemes for the field and laboratory tests

3 试验仪器及方法

3．1 试验仪器

考虑到膨胀岩的裂隙性并参考《土工试验规程》（SL237 1999）中原位渗透实验中试验仪器尺寸，本次试验将双环渗透试验中内外环的尺寸分别增大至50 cm，100 cm，如图1所示。GUELPH仪渗透试验则采用美国Soilmoisture Equipment Corp生产的2800K1型Guelph现场入渗仪。该仪器是根据马里奥特瓶原理制定的一种常水头设备，可用于室外岩土体渗透系数的快速测定。假设随着入渗的进行，孔底岩（土）中会形成一个球形饱和区，其形状大小取决于岩土体类型、孔半径和孔内水头高度。通过测量定水头条件下井孔中的水从孔底渗向非饱和土的稳定入渗速率，利用Richards分析方法即可得到岩土体的饱和渗透系数Kfs。

图1 原位双环渗透试验照片Fig．1 Apparatus used in double ring permeability field tests

3．2 试验方法

原位双环渗透试验参考《土工试验规程》（SL237 1999）中原位渗透实验——“现场双环渗透”的试验方法，具体试验步骤如下：在膨胀岩边坡上平整好场地后，安装双套环，切断地表裂隙；测定表土含水率，并在环附近沿一定深度测量初始含水率剖面，测定气温、水温、地温T（z）等；迅速在内、外环中加水，使内、外环水层深度达5 cm，并开始计时。安装供水瓶，保持内、外环内水深恒定。每隔一定的时间间隔记内环的补水量。当入渗达到稳定后，每5 h测定一次，直至试验结束；排去内、外环积水，用人工手摇钻测定湿润层含水率剖面，判断渗流锋面的开展深度。

原位Guelph仪渗透试验的具体试验步骤如下：在开挖面形成后，用镐和铁锹将已经出露的去掉，挖除待测岩表面松散物直至露出新鲜岩面，然后钻一直径为6 cm、孔深为18～25 cm的孔，收集孔底带出土样以便测定其含水率和自由膨胀率。将Guelph渗透仪安装好注水后放入孔中，分别测量2个不同恒定水头下从入渗仪流入岩体中水的渗透速率，即可求出岩土体的饱和渗透系数。

4 试验结果及分析

4．1 不同岩性及处理措施场地的原位渗透性状对比

图2为不同岩性及处理措施场地的原位双环渗透系数时程曲线。由图可知：在试验初期，入渗较快，各场地的渗透系数均在10－4cm／s附近，随着岩体慢慢吸水饱和以及膨胀岩原生裂隙的闭合，导致渗透系数急剧减小，24 h后渗透系数均稳定在3×10－6～2×10－5cm／s，其中泥灰岩土袋处理场地、黏土岩与格栅处理场地稳态渗透系数近似相等，且后者渗透系数约为前者的1／4。这可能是由于格栅处理场地中的土工格栅有效地抑制了岩体变形，从而使得岩体的渗流通道和裂隙不如土袋处理和泥灰岩裸坡场地发育充分的缘故。

图2 不同岩性及处理措施场地的原位渗透系数时程曲线Fig．2 Variation of the field permeability coefficientwith time

表3为原位双环与Guelph仪渗透试验测得各场地的稳态渗透系数对比。其中Guelph仪对应的稳态渗透系数为待测场地选取的4个具代表性量测点渗透系数的平均值。尽管Guelph仪渗透试验在同一岩性场地测得渗透系数的离散性较大（见表1），但泥灰岩场地渗透系数的平均值仍大于黏土岩。

表3为不同岩性及处理措施场地的入渗影响深度，根据双环渗透试验前后的土层含水率剖面得到。由表可知，各场地的入渗深度的规律与渗透系数一致，泥灰岩和土袋处理场地的入渗深度近似相等，均为1．5 m左右；而黏土岩与格栅处理场地的入渗深度则要小得多，约为泥灰岩和土袋场地的1／2～2／3。可见由于格栅加筋约束作用使得入渗速率和入渗影响深度均有较大幅度地减小。

表3 不同岩性及处理措施场地稳态渗透系数及入渗影响深度比较Table 3 The comparison of stable permeability coefficient and infiltration depths for different test field with different rock properties and treatmentmeasures

图3为天然含水率状态下的泥灰岩、黏土岩重塑样的渗透系数随着干密度的变化。由图可知：试验区膨胀岩体在无裂隙及天然结构性被完全破坏的情况下，泥灰岩的渗透系数仍大于黏土岩，与不同岩性的原位渗透对比试验的结果一致。在含水率一定的条件下，泥灰岩、黏土岩重塑样的渗透系数与干密度在半对数坐标中具有很好的线性关系。且泥灰岩拟合曲线的斜率小于黏土岩，即泥灰岩渗透系数随着干密度的增大而减小的速率小于黏土岩。

图3 天然含水率下重塑岩样的渗透系数随干密度的变化Fig．3 The change of the permeability coefficient of molded expansive rock sample with the dry density under natural water content

4．2 膨胀岩原位与重塑渗透性状对比

由表2知，现场试验G1－3，G2－3的表层土体分别与室内重塑泥灰岩、黏土岩样的含水率最为接近，将G1－3，G2－3分别与泥灰岩、黏土岩在原位和重塑条件下的渗透性状进行对比，如图4（a）、（b）所示。图中直线根据室内重塑岩样试验结果进行线性拟合得到。由图可知：利用原位双环及Guelph仪渗透试验得到的岩体原位渗透系数均比重塑岩样大。这是由于现场岩体存在较多裂隙的缘故，由此可见非饱和膨胀岩中的裂隙对入渗性能起到关键的控制作用。

图4 膨胀岩的原位及重塑渗透性状比较Fig．4 Comparisons of the permeability behavior between the fields and laboratorymolded sample tests

4．3 试验方法对岩体渗透系数量测的影响

由于试验场地岩体性质的复杂性以及各种试验方法自身的局限性，不同试验方法测得的渗透系数有所差异。

原位双环渗透试验被广泛应用于测定原位场地的渗透系数，可有效地克服场地的尺寸效应对量测成果的影响，但耗时较长，且其试验原理还有待进一步完善。

Guelph渗透仪原理较为完善，使用快速简便，但也存在以下问题。①尺寸效应问题：大尺度试验可减小由于土壤颗粒、密度、虫孔、作物根系、裂隙等原因引起的岩土体空间变异性的影响。对于某个入渗试验点来说，直接参与测定的土壤入渗面越大，其试验结果对所测定土壤的代表性也就越好。而Guelph入渗仪入渗半径为6 cm，远小于双环法，因而试验孔附近土体的孔隙和裂隙对结果的影响更大。②试验数量问题：由于场地的空间变异性，故试验点的数目不宜过少，否则所得结果缺乏代表性，甚至会导致错误。因此确定合理试验数目对于场地真实渗透系数的获取至关重要。③大气作用的时间效应问题：岩体开挖面暴露于大气中时间越长，受到的风化作用就越剧烈，岩体的裂隙发育情况等会发生变化，在不同的风化阶段测试的水力特性会有很大差别，也只能分别代表对应的风化或大气作用程度下的岩体渗透性状。表1中Guelph仪渗透试验成果具有较大的离散性可能是上述3个原因所致。室内试验比较精确，试验原理也较为完善，但也存在某些不足之处。

本文中岩体的重塑渗透系数均小于同条件下的原位渗透系数，可见重塑渗透试验无法考虑岩体本身的结构性及裂隙性，从而不能很好地反映出场地岩体的真实渗透性状。

基于以上原因，在研究膨胀岩渠坡的渗透性状时，应在综合考虑场地尺寸、空间变异性以及时间效应的基础上选取合适的试验方法，才能真实、全面、快速地揭示出岩体的渗透性状。

5 结 论

通过比较不同岩性、处理措施的原位渗透试验，得到如下结论：

（1）原位双环试验结果表明：泥灰岩和土袋处理场地的渗透系数一般在n×10－5cm／s左右，泥灰岩和格栅加筋处理场地的渗透系数较小，约为n×10－6cm／s左右。格栅加筋场地的渗透系数和入渗深度均为各场地中最小，土工格栅加筋可作为一种有效的膨胀岩渠坡处理措施。

（2）Guelph仪渗透试验由于受岩体本身的结构和裂隙性及场地的空间变异性的影响，试验成果离散性较大，但泥灰岩场地的平均稳态渗透系数仍大于黏土岩。

（3）室内重塑泥灰岩和黏土岩样的渗透系数与干密度在半对数坐标程呈较好的线性关系，均小于同条件下原位渗透系数。

（4）原位与室内渗透试验具有不同的适用场合。应综合考虑场地的尺寸、空间变异性以及时间效应的影响，选取合适的渗透试验方法以真实、全面、快速地揭示膨胀岩（土）体的渗透性状。

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