土石混合体渗透性能的试坑双环注水试验研究

陈子华，陈蜀俊，陈 健，盛 谦，闵 弘，胡 伟

(1.中国地震局地震研究所，武汉 430071;2.中国科学院 a.武汉岩土力学研究所;b.岩土力学与工程国家重点试验室，武汉 430077)

1 研究背景

土石混合体是第四纪以来形成的、广泛存在的一种土体与块石的混合物，由具有一定工程尺度、强度较高的块石、细粒土体及孔隙构成且有一定含石量的极端不均匀松散岩土介质系统［1］。由于其具有典型的非均质性、非连续性及试样难以采集性等内在的独特性质，给研究带来了极大的困难，目前对其研究仍处于初级阶段。随着我国社会经济发展对能源的需求和国家西部大开发战略的实施，一大批大中型水电站已经或即将在西南地区开建，但这些水电站多建在高山峡谷地区，发育有大量由土石混合体构成的滑坡［2］，库区特别是近坝段的滑坡稳定性问题是影响水电站正常运营的关键性因素。在分析暴雨及库水升降作用下滑坡的稳定性时，滑坡土体的渗透系数是必须知道的一个基本物理力学参数，其准确性对稳定性分析具有重要的作用。

众多学者已经对土石混合体的物理力学性质展开过诸多研究。就渗透特性的研究方面，周中等［3］采用室内正交试验，利用自制常水头渗透仪研究了含石量、孔隙比和颗粒形状等3个因素在不同水平下对土石混合体渗透性能的影响。顾金略等［4］研制了伺服控制土石混合体压力渗透仪，能够有针对性地研究土石混合体渗流特性。徐扬等［5］针对唐钢司家营铁矿Ⅲ采场露天转井下开采回填废石设计研究工程要求，在该矿区Ⅲ采场附近进行了大尺度现场渗透试验，但主要是在已开挖的试坑中回填不同粒径范围及厚度的废石进行试坑注水试验。

由上可看出，前人对土石混合体渗透特性的研究多见于室内试验或人工回填形成的土石混合体中，对原状土进行的测试很少，因而这些研究具有很大的局限性。然而由于土石混合体自身特性，经过扰动的试样往往并不能真正反映该类土体渗透性。因此，开展野外现场土石混合体渗透性能试验的研究，测定其渗透系数就具有重要的工程价值和理论意义。

本文利用改进的双环注水试验设备，对西南地区某大型水电站近坝库段内一滑坡进行了现场试坑注水试验。其中对试验设备的改进是基于文献［5］的研究中土石混合体渗透系数较大，野外试验时不仅所需水量较多导致流量瓶须频繁更换，而且试验时读数不便且累积误差也较大。研究中对比了滑体和滑带处渗透试验结果，并利用室内颗粒分析试验对结果进行了分析。本文结论对西南地区土石混合体构成的滑坡的渗透系数具有一定的指导意义。

2 工程概况

如图1，西南地区已建某大型水电站近坝库段内有一滑坡，距坝址的距离为13.4～15.9 km，位于江右岸，体积约为4 760万m3。通过钻孔揭示该滑坡体上的各层物质的分布为:①以二叠系阳新灰岩(P1y)和玄武岩(P2β)的滑坡堆积体。分布在滑坡平台的表面，上游侧薄下游侧厚，一般厚10.30～58.30 m，最厚130.70 m。块碎石多为次棱角状，粒径3～8 cm居多，最大可达10 cm，结构较松散。②以阳新灰岩(P1y)的滑坡堆积体，分布在滑坡前缘斜坡上及滑体的中上部，是滑体的主要组成部分。厚度33.67 ～75.01 m，块径一般小于1.0 m，个别可达4.0 m，解体严重，见架空结构。③以志留系地层为主的碎石层，原岩为泥页岩，分布在滑体的底部，厚度25.78 ～30.41 m，结构较密实。

为准确测定该滑坡渗透系数，在滑体和滑带不同部位分别布置了试验点，其中滑体处4个，滑带处6个。试验点布置如图2所示。

图1 滑坡外貌Fig.1 Geomorphic features of the landslide

图2 渗透试验点分布(○为滑体处，△为滑带处)Fig.2 Arrangement of infiltration test points(○ in the sliding body and△ in the sliding zone)

3 试坑双环注水试验

3.1 试验仪器

依照《水利水电工程注水试验规程》(SL345—2007)，试坑双环注水试验采用实验装置如图3所示。

图3 双环注水试验仪器［6］Fig.3 Double-ring infiltrometer［6］

针对土石混合体自身的特性而改进的双环注水试验仪器如图4，其中进行的改进主要包括以下2个方面:

(1)针对高山峡谷地区进行野外试验困难和土石混合体渗透系数很大，野外试验时，流量瓶须频繁更换等问题，去掉流量瓶和瓶架，代之以量筒向大、小环内注水。

(2)通过胶尺来对大、小环内液面进行读数。具体为:在大、小环内壁上粘贴胶尺，其中胶尺量程为20 cm。

图4 改进双环注水试验仪器现场Fig.4 In-situ picture of improved double-ring infiltrometer

通过实践证明，改进的双环渗透试验设备非常适合于在高山峡谷地区进行土石混合体构成的滑坡的现场渗透试验;具有试验设备易于搬运、安装，试验时注水方便快捷，试验数据不易读错且累积误差小等诸多优点。

3.2 试验步骤

(1)在选定的试验点，挖一个方形试坑至试验土层。在方形试坑底部再挖一个深10～15 cm的注水试坑，整平坑底并尽量减少对试验土层的结构扰动。

(2)在注水试坑内依次放入小环和大环，并将2环按同心圆压入坑底，深约5～8 cm。以试坑周围土将小圆环内围底部封堵，并到一定高度，以保证加水后大环内水不至于进入小环;以同样方法将大环外围封堵。在大、小环内壁粘贴胶尺，保持胶尺竖直并紧贴地面。

(3)向大、小环内同时注水，水深均为10 cm［6］。打开秒表按规范要求开始计时，用量筒向2环内注水以保持液面为10 cm，并纪录一定时间内所加入水的体积。开始每隔5 min量测一次，连续量测5次;之后每隔15 min量测一次，连续量测2次;之后每隔30 min量测一次，并至少量测6次。本试验中经测定，所有试验点在渗水4 h后都已经达到了渗流稳定，取最后一次注入流量作为计算值。

3.3 渗透系数计算

以现场实测数据绘制内环注入流量与时间(Q-t)关系曲线，并按照《水利水电工程注水试验规程》(SL345—2007)中试坑双环注水试验的公式进行试验土层渗透系数计算

式中:K为渗透系数(cm/s);Q为最后一次注入流量(L/min);F为内环面积(≈491 cm2);H为试验水头(10 cm);z为现场测定的从试坑底算起渗入深度(cm);Ha为试验土层的毛细上升高度，以规范SL—237取经验值。

4 试验结果与分析

4.1 滑体与滑带试验结果比较

双环注水渗透试验结果如下表1。

表1 试坑双环注水试验结果Table 1 The results of in-situ double-ring water injection infiltration tests

由表1可以得出，滑体4个试验点的渗透系数比较接近，平均渗透系数为5.74×10－3cm/s;滑带6个试验点的渗透系数也很接近，平均渗透系数为1.76×10－3cm/s。渗透试验结果反映出滑体和滑带的渗透系数都较大，郭庆国［7］提出对粗粒土按渗透系数的不同，可将渗透系数K＞i×10－4cm/s的粗粒土划分为无黏性粗粒土;将渗透系数 K＜i×10－4cm/s的粗粒土划分为黏性粗粒土。由试验结果可知，滑体和滑带处土石混合体渗透系数都较大，与无黏性粗粒土的渗透系数相近。试验结果同时反映出滑体和滑带处土的渗透系数区别很大，滑体处平均渗透系数为滑带处平均渗透系数的3～4倍。

4.2 渗透性能的室内试验分析

为研究滑体和滑带两者渗透性能差异的原因，在它们各自的试验点处分别选择一个有代表性点的土石混合体试样，带回做室内试验，天然状态下物理指标及颗粒级配曲线分别见表2和图5。

表2 土石混合体基本物理指标Table 2 Basic physical parameters of soil-rock mixture

图5 土石混合体颗粒级配曲线Fig.5 Granulometric curves of the tested soil-rock mixture

由土力学知识及前人相关研究可知［3，7］，粗粒土渗透系数主要与其低于5 mm粒径的颗粒含量(P5含量)、密度、颗粒形状等因素有关。同时，具体到本文土石混合体构成的滑坡，滑体和滑带土的形成机理、物质来源不同，渗透系数也会不同。考虑以上各种因素，对滑体和滑带处试验所得渗透系数结果的差异原因作以下分析。

由颗粒分析试验结果可以分别求出滑体土的不均匀系数Cu为21.7，曲线的曲率系数为Cc为2.08;滑带土的不均匀系数 Cu为49，曲率系数 Cc为2.04。本文选择曲率系数Cc来评定土的颗粒级配，原因是文献［3］和文献［7］都认为不均匀系数Cc能反映出颗粒组成曲线的特征，适合评价土的颗粒级配。由试验结果可知，滑体和滑带试验土的曲率系数值非常接近，这说明两者级配相似。但是，两者的不均匀系数Cu之间的差别又反映出滑体和滑带土内粗、细颗粒的含量相差较大:由级配曲线可知，滑体处P5含量为30.4%，滑带处P5含量为45.6%，滑带土中P5含量明显要大于滑体处。文献［7］认为当细料含量小于30%时，填不满粗料的孔隙，因此对渗透系数起控制作用的是粗料的渗透性。当细料含量大于30%时，混合料的孔隙开始与细料发生密切关系，从而渗透系数减小。由此可看出，滑带土中的P5含量高于滑体，且在混合料占45.6%含量，因而相比滑体细料对渗透系数起主要控制作用。且从两者低于5 mm的颗粒曲线的形状来看，滑带土级配连续性相比滑体处也要好。这两个方面综合影响使得滑体处渗透系数大于滑带处。

密度也是影响土石混合体渗透性能的一个重要因素，因为密度在一定程度上可以反映土中的孔隙率e的大小，而文献［3］指出孔隙率e对渗透系数的影响也是很显著的。从原位密度来看，滑体处要大于滑带处。但从现场所做原位密度试验来看，由于滑体处所含碎块石无论在尺寸和数量上都要大于滑带处试样，造成前者原位密度要略大于后者。但正由于滑体处所含碎块石要大于滑带处试样，且细颗粒含量少，颗粒间孔隙率高，导致渗透系数也大于滑带处。

滑体和滑带土的形成机理和物质来源不同使得两者的颗粒形状及物质成分也不同。张家发等［8］认为颗粒形状会影响颗粒之间的接触关系和填充关系，当然也就会影响孔隙的形状和大小，从而影响到其中的水流运动。该滑坡属于一古滑坡，早期的高速滑动使得滑体部分为堆积的一套玄武岩与阳新灰岩混杂的块碎石层，结构松散且颗粒棱角性大。滑带土为细粒土、碎石和碎屑组成，颗粒的棱角性小于滑体。而土中颗粒的棱角性越大，渗透系数也越大［9］。从两者的物质来比较，滑体土结构松散，而滑带土挤压紧密，滑带的原岩为泥页岩，透水性也较小。两个方面的综合作用使得滑体处渗透系数要大于滑带处。

5 结论

(1)利用改进的双环注水试验设备进行野外现场试坑注水试验，得到了滑体和滑带处土石混合体的渗透系数，结果较为准确。实践表明，改进的双环实验设备具有诸多优点，尤其适合于高山峡谷地区土石混合体的现场渗透试验。

(2)试坑双环注水试验结果表明，滑体和滑带渗透系数都较大，与无黏性粗粒土的渗透系数相近，并且滑体处渗透系数为滑带处3～4倍。结合室内颗粒分析试验研究表明，相比滑带，滑体土中的P5含量低、颗粒棱角性大、结构较松散是导致其渗透系数高于滑带的主要原因。

［1］徐文杰，胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义［J］.水文地质与工程地质，2009，(4):50 －56.(XU Wen-jie，HU Rui-lin.Conception，Classification and Significations of Soil-Rock Mixture［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2009，(4):50 －56.(in Chinese))

［2］徐文杰，王永刚.土石混合体细观结构渗流数值试验研究［J］.岩土工程学报，2010，32(4):542 －550.(XU Wen-jie，WANG Yong-gang.Meso-structural Permeability of S-RM Based on Numerical Tests［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(4):542 －550.(in Chinese))

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［4］顾金略，李 晓，李守定，等.伺服控制土石混合体压力渗透仪研究［J］.工程地质学报，2009，17(5):711－716.(GU Jin-lue，LI Xiao，LI Shou-ding，et al.Development of Servo-control Rock and Soil Aggregate Permeability Tests Apparatus［J］.Journal of Engineering Geology，2009，17(5):711 －716.(in Chinese))

［5］徐 杨，高 谦，李 欣，等.土石混合体渗透性现场试坑试验研究［J］.岩土力学，2009，30(3):855 －858.(XU Yang，GAO Qian，LI Xin，et al.In-situ Experimental Study of Permeability of Rock and Soil Aggregates［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(3):855 －858.(in Chinese))

［6］SL345—2007，水利水电工程注水试验规程［S］.北京:中华人民共和国水利部，2007.(SL345—2007，Code of Water Injection Test for Water Resources and Hydropower Engineering［S］.Beijing:Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China，2007.(in Chinese))

［7］刘 杰.土的渗流稳定与渗流控制［M］.北京:水力电力出版社，1992:1－20.(LIU Jie.Seepage Stability and Seepage Control of Soil［M］.Beijing:China Water Power Press，1992:1 －20.(in Chinese))

［8］张家发，焦赳赳.颗粒形状对多孔介质孔隙特征和渗流规律影响研究的探讨［J］.长江科学院院报，2011，28(3):39 －44.(ZHANG Jia-fa，JIAO Jiu-jiu.Influence of Grain Shape on Characteristics of Pores and Seepage in Porous Media［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(3):39 －44.(in Chinese))

［9］TICKELL F G，HIATT W N.Effect of Angularity of Grains on Porosity and Permeability of Unconsolidated Sands［J］.AAPG Bulletin，1938，22(9):1272－1274.