坝前淤泥土固结-渗透耦合特性试验研究

姚自凯 王红雨 马利军

摘 要：为研究坝前淤泥土在不同荷载下固结-渗透耦合特性，对分别取自10、50、100 cm深度处的坝前淤泥土样进行固结-渗透耦合试验，研究其孔隙比、渗透系数随固结压力的变化规律以及不同深度处孔隙比与渗透系数之间的关系。结果表明：在同一荷载作用下，随着深度的增加，淤泥土样的变形量逐渐减小，当荷载达到800 kPa时，10 cm深度处的压缩变形量为5.32 mm，50 cm深度处的压缩变形量为4.92 mm，100 cm深度处的压缩变形量为4.54 mm;不同深度处的淤泥土孔隙比随着荷载的增大逐渐减小，e—lg p曲线均表现出直线状态，孔隙比与固结压力之间呈现明显的对数关系;不同深度处的淤泥土渗透系数均随着固结压力的增大而减小，后期降低较缓慢，呈现明显的非线性，且孔隙比与渗透系数关系密切，渗透系数随孔隙比的减小而逐渐减小，利用单指数衰减方程可以较好地表达淤泥土渗透系数与固结压力及孔隙比与渗透系数之间的关系。

关键词：坝前淤泥土;固结;渗透;孔隙比;渗透系数

中图分类号：TV221   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.026

Abstract： In order to study the consolidation-seepage coupling characteristics of silt soil in the front of dam under different loads， the consolidation-seepage coupling experiment of the silt soil samples where located in the front of dam from the depth of 10 cm， 50 cm and 100 cm was conducted respectively. The variation of void ratio and permeability in different consolidation stresses and the relationship between the void ratio and permeability coefficient with different depth silt soil samples were researched. The results show that the deformation of silt samples is gradually decreased with the depth increase under the same load. When the load reaches to 800 kPa， the compression deformation of silt sample at 10 cm depth is 5.32 mm， the deformation at 50 cm depth is 4.92 mm and the deformation at 100 cm depth is 4.54 mm. The void ratio of silt at different depths is gradually decreased with the load increase. The all e-lg p curves show a linear state and there is an obvious logarithmic relationship between the void ratio and consolidation pressure. The permeability coefficient of silt at different depths is decreased with the increase of consolidation pressure in initial stage， then decreased slowly in the later stage， showing obvious non-linearity. Moreover， the porosity is closely related to the permeability coefficient which is gradually decreased with the decrease of porosity. The relationship between permeability coefficient， consolidation pressure， pore ratio and permeability coefficient can be well expressed by using single exponential decay equation.

Key words： silt in front of dam; consolidation; permeability; void ratio; permeability coefficient

1 引 言

壩前淤泥面加坝技术是处理宁夏南部黄土丘陵山区水库淤积问题的施工方法之一，该方法是以坝前淤积体为基础，在上游贴坡式加高坝体，从而达到增加水库库容的目的，具有节省土方填筑量、减少工程投资等优点[1-2]。坝前淤泥土作为加高坝体的坝基，多年处于静水沉积状态，近似饱和，土体的压缩变形与渗透特性对坝基的渗流、稳定及沉降等有着非常重要的影响[3]，因此研究坝前淤泥土的固结特性和渗透特性对于坝前淤泥面加坝技术的应用具有重要意义。

饱和土体在外部荷载的作用下孔隙水排出，超静孔隙水压力逐步消散，土体有效应力及变形逐步增大，这个过程称为土体的压缩固结，土体的压缩固结是孔隙水排出、孔隙减小的过程，而土体的孔隙与土体渗透性的变化又是耦合的。土体的固结特性与渗透特性相互影响，土体受到压缩，渗透性将会降低，而土体的渗透特性又决定了土的渗流状况，影响着土体排水固结的能力[4-5]。相关研究表明[6]，坝前淤泥土以粒径为0.002～0.05 mm的粉砂为主，约占淤泥土总量的60%，淤泥土中含少量黏土，属粉质黏土。针对黏土的固结、渗透特性，国内外学者进行了大量相关试验研究。谢康和等[7]采用半解析法研究成层性地基一维非线性固结问题，借助GDS高级固结仪采取萧山黏土作为样本开展固结-渗透试验，得出固结-渗透过程中其渗透性与孔隙比呈现非线性关系。邓岳保等[8]基于固结渗透联合测试试验条件下获得的且被广泛认可的土体非线性本构模型，给出了模型的参数获取过程及参数取值。李又云等[9]在逐级加载条件下低液限饱和黏土的渗透试验中，通过改制的K0固结仪进行逐级加载条件下的变水头渗透试验，研究了饱和黏土不同荷载条件下的渗透特性。黄天荣等[10]以上海第⑥层粉质黏土为例，研究了固结压力、各向异性及结构性对滨海地区粉质黏土渗透特性的影响，结果表明，粉质黏土渗透系数随着固结压力增大而减小。倪春海等[11]对不同压力下的黏土渗流性状进行试验研究，结果表明，固结压力对土体的渗透系数影响较大。刘维正等[12]通过固结渗透联合试验，对太湖湖沼相粉质黏土原状样与具有不同前期固结压力的重塑样的渗透系数进行测定，原状样和重塑样的渗透系数均随固结压力的增大呈非线性减小，且两者的孔隙比与渗透系数的变化模式相一致。Chu等[13]采用室内试验和现场试验相结合的方法，研究了新加坡海相黏土的固结渗透特性，通过Rowe型固结仪试验、孔压静力触探试验、扁铲侧胀试验、自钻式旁压试验分别测定了土体在垂直和水平方向的固结系数Cv和Ch，用BAT渗透率仪测定了土体在垂直和水平方向的渗透系数kv和kh。Lekha等[14]通过试验研究黏土在固结过程中渗透性和压缩性的变化规律，提出了一种更广义的有限厚度可压缩介质竖向固结理论，该理论假定变形较小，沉降受荷载增量产生的竖向应变控制，忽略了土体自重的影响。

笔者以宁夏固原市西吉县南川水库坝前淤泥土为研究对象，利用固结、渗透仪器开展逐级加载条件下坝前淤泥土固结-渗透耦合特性试验研究，分析在逐级加载条件下，不同深度处坝前淤泥土孔隙比随固结压力的变化规律、固结条件下的渗透特性变化规律、孔隙比与渗透系数之间的关系，以期为分析坝前淤泥面加坝逐级填筑的固结沉降问题提供参考。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

试验所用土样取自宁夏固原市西吉县南川水库坝前淤泥土（见图1），取样深度分别为10、50、100 cm，依次记为试样①、试样②、试样③。试验所用淤泥土基本物理性质见表1，粒径级配曲线如图2所示，粒径及粒组含量见表2。淤泥土颗粒分析采用BT-2003型激光粒度分布仪，可测得的粒度范围为0.1～600 μm，土壤颗粒组分分级及类型参照水利部《土工试验规程》（SL 237—1999）分類标准，粉粒粒径为2～50 μm，黏粒粒径为小于2 μm。由表1、表2可以看出，试验所用淤泥土样塑性指数在7.1～8.4之间，以2～50 μm粉土为主，含有少量黏土，因此该淤泥土为低液限粉质黏土。

2.2 试验设备

试验设备主要包括WG型杠杆加压式固结仪、传感器及百分表等，在仪器底部使用管道与淤泥土样底部连通，渗透试验时土样孔隙水自下而上流动，试验设备结构简图如图3所示。

2.3 试验方案

试验淤泥土样初始高度为4 cm，土样断面面积为30 cm2，由于坝前淤泥土的含水量高、强度低，在较大的压力作用下会被挤出，为了避免这种情况的发生，减小淤泥被挤出对试验的影响，试验加荷等级按照12.5、25、50、100、200、300、400、800 kPa共8个等级逐级加载。渗透试验是在每一级固结压力作用下，待24 h试样高度变化稳定后，进行变水头渗透试验，待淤泥土样内出水量稳定后开始记录水头高度的变化及所需的时间，水头高度每降低10 cm时，采集一次水头数据及所需的时间，每级荷载作用下渗透数据的采集不低于3个时段。淤泥土样固结试验、渗透试验操作步骤及试验数据的记录按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）的规定进行。因孔隙水黏滞系数受温度的影响较大，渗透试验时，需记录室内环境温度的变化情况，并应进行修正。

3 试验结果分析

3.1 淤泥土固结特性

按照上述试验方案，分别得到不同深度处淤泥土样在连续加载条件下的固结变形情况，以及在每级荷载作用下的孔隙比随固结压力的变化情况，不同深度处淤泥土固结试验结果见表3，不同深度淤泥土样固结e—p曲线如图4所示，不同深度处淤泥土样固结e—lg p曲线如图5所示。

由不同深度淤泥土固结试验结果分析可知，同一荷载作用下，随着深度的增加，淤泥土样的变形量逐渐减小，试样①在第一级荷载12.5 kPa下的压缩变形量为1.22 mm，试样②的变形量为0.98 mm，试样③的变形量为0.87 mm;当荷载达到800 kPa时，试样①的压缩变形量为5.32 mm，试样②的变形量为4.92 mm，试样③的变形量为4.54 mm。由图4可知，在固结压力12.5 kPa作用下，试样①淤泥土样稳定后的孔隙比为0.936，400 kPa固结压力作用下土样稳定后的孔隙比为0.753，固结压力为800 kPa时，孔隙比减小到0.731;试样②在12.5 kPa下的孔隙比为0.825，固结压力为400 kPa时，孔隙比减小到0.661，固结压力为800 kPa时的孔隙比最终稳定在0.639;试样③在12.5 kPa下的孔隙比为0.723，固结压力为400 kPa时，孔隙比减小到0.587，固结压力为800 kPa时的孔隙比最终稳定在0.562。由图5可知，不同深度处淤泥土的e—lg p曲线均表现出直线状态，孔隙比与固结压力之间呈现明显的对数关系。通过对淤泥土的e—lg p拟合得出，相关系数R2均在0.98以上，说明两者相关性较强，其拟合公式为：e=-Cclg p+e0（式中：e0为初始孔隙比;Cc为压缩指数，是e—lg p曲线上直线段的斜率）。

3.2 淤泥土固结-渗透耦合特性

表4、表5与表6分别为试样①、试样②与试样③的变水头试验结果。在每级荷载作用下，选取其中两个时间段对应的水头高度变化，因在不同温度下水的黏滞系数不同，自由水的流动速率将发生变化，为了便于比较，将t时间时对应的水温下的黏滞系数ηt与20°时对应的水温下的黏滞系数η20进行比较，从而将不同温度条件下的渗透系数统一修正到温度为20 ℃时对应的渗透系数k20。

受各种因素的影响，在每级荷载作用下，淤泥土样的渗透系数在不同时间段发生或大或小的变化，这主要是由试验误差或次固结效应引起的，但是渗透系数变化的幅度相对较小，最大误差值为0.35×10-8cm/s，变化幅度小于2.5%，可认为渗透系数在每级荷载固结完成后为常量。

淤泥土渗透系数随固结压力的变化规律如图6所示，不同深度处淤泥土孔隙比与渗透系数之间的关系如图7所示。

从图6可以看出，不同深度处的淤泥土渗透系数均随着固结压力的增大而减小，呈现出明显的非线性，其中试样①的淤泥土渗透系数在土样初期受压阶段迅速降低，固结压力由12.5 kPa，增大至25 kPa时，渗透系数由6.46×10-7 cm/s降至3.58×10-7 cm/s，后期受压降低较缓慢。在同一固结压力作用下，不同深度处的淤泥渗透系数关系为：试样①>试样②>试样③。由固结试验可知，在固结过程中，每一级荷载作用下，淤泥土孔隙比大小为：试样①>试样②>试样③，该结果与土体的排水固结理论相一致。从图7可以看出，孔隙比与渗透系数关系密切，渗透系数随孔隙比的减小而逐渐减小，试样①孔隙比由0.936减小到0.731，渗透系数由6.46×10-7 cm/s减小到9.30×10-8 cm/s;试样②孔隙比由0.825减小到0.639，渗透系数由3.50×10-7 cm/s减小到9.26×10-8 cm/s;试样③孔隙比由0.723减小到0.562，渗透系数由3.38×10-7 cm/s减小到8.20×10-8 cm/s。

[5] 王沛，石磊，姚远宏.不同渗透压力条件下黏质粉土的渗透试验研究[J].土工基础，2018，32（5）：567-570.

[6] 汪亚峰，傅伯杰，陈利顶，等.黄土高原小流域淤地坝泥沙粒度的剖面分布[J].应用生态学报2009，20（10）： 2461-2467.

[7] 谢康和，齐添，胡安峰，等.基于GDS的黏土非线性渗透特性试验研究[J].岩土力学，2008，29（2）：420-424.

[8] 邓岳保，谢康和，李菲菲，等.基于GDS 固结渗透试验参数的竖井地基固结非线性有限元分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33（8）：4203-4210.

[9] 李又云，张玉伟，刘保健.逐级加载条件下低液限饱和黏土的渗透试验[J].公路交通科技，2017，34（4）：50-57.

[10] 黄天荣，卢耀如，王建秀.滨海地区粉质黏土渗透特性试验[J].水运工程，2018（5）：44-48.

[11] 倪春海，宋林辉，王宇豪，等.不同压力下的黏土渗流性状试验研究[J].科学技术与工程，2015，15（21）：43-47.

[12] 刘维正，石名磊，缪林昌.天然沉积饱和黏土滲透系数试验研究与预测模型[J].岩土力学，2013，34（9）：2501-2507.

[13] CHU J，MYINT W B，CHANG M F，et al. Consolidation and Permeability Properties of Singapore Marine Clay[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2002，128（9）：724-732.

[14] LEKHA K R，KRISHNASWAMY N R，BASAK P.Consolidation of Clays for Variable Permeability and Compressibility[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2003，129（11）：1001-1009.

[15] 陈一明，谈广鸣.淤积固结条件下坝前泥沙压力对坝体影响的试验[J].武汉大学学报（工学版），2014，47（2）：145-148.

【责任编辑 赵宏伟】