某河道治理工程中岸坡土体渗透特性分析研究

李西伟

(临沂市河东区葛沟灌区水利管理服务中心，山东 临沂 276029)

1 概述

在水利工程设计中常常需要考虑土体材料的持水特性，这对水工建筑结构安全稳定性、允许变形、荷载强度等均是具有较大影响。而在河道治理工程中，常常会遇到诸如岸坡稳定性与水土保持等问题，这类方面的问题无一例外均与土体材料持水特性有关，因而，在水利工程中开展土体持水特性研究很有必要[1-3]。为此，许多水利工程师通过理论推导结合工程实际资料，分析土—水特性，并提出了土水特征曲线拟合公式，极大提高了土体材料持水特性的认识水平与应用前景[4-6]。也有一些学者基于室内试验研究，设计不同实验方案，研究土体持水特性影响因素，并探讨用理论方程表述土—水特征[7-10]。本文将借助土力学试验仪器，设计干湿循环离心排水试验[11-12]，探讨干湿循环条件下土体的土—水特征，为推动认识水利工程中这类岸坡土体的持水特性提供一定参考。

2 试验方案

2.1 实验概况

山东鲁南地区河流开展河道治理时，其上下游区段内存在坡度较大的黏土体岸坡，该岸坡稳定性对河道整治工程进度具有重要影响，为此，从现场取样后考虑在室内进行土体持水特性试验研究。借助土体测试系统完成干湿循环试验，该试验系统精度较高，可通过电脑精确控制所施加基质吸力，测试系统采用体变测量传感器，可精确获得试样在实验过程中含水量变化，最大吸力可达2 000 kPa，最低含水量测试精度可达0.02%，所有参数采集均连接在总数据采集系统中，可实时观测试验过程中含水量与时间、或基质吸力与时间等的变化过程。该试验系统通过控制进气值，表征恒定基质吸力下试样含水量受进气影响下的变化特征，进而评估土体在工程中与水反应特征。

在上述试验介绍基础上，在现场钻孔取样，得到试验样品，并初步根据击实试验与液塑性试验测得样品物理参数与基本持水参数特征，如最优含水量为12.5%，塑限为15.8%等参数。为对比河道岸坡内原状土体性质，本文设计对照组，在另一试验组，将土体击实后，在重塑土体基础上，进行制样；两试验方案中的土体试样均采用环刀法精加工，制作出来符合实验要求所需的试样，尺寸径高比控制在1：2，试验样品制作好后，均放置在恒温恒湿环境下养护24 h。之后，对每个试样依次进行干燥、饱湿环境下脱湿、吸湿两个过程。

2.2 实验步骤

1) 以气泵进行加压，启动控制程序，测试传感器均清零，在正式加压前，应测试一次压力是否稳定，是否有漏气等，在确保一切正常情况下，对压力室内进行加压通气，并在每一级压力进气值下，均持续稳定一定时间，压力等级为40 kPa、80 kPa、150 kPa、300 kPa、450 kPa，降低气压时亦是如此，反过来降低至目标气压值；

2) 设定实验过程中数据采集间隔为1 s，根据传感器测试含水量等参数，保存好数据，待所有目标气压值均完成后，结束实验，清零压力室内气压值，取下试样；

3) 数据存盘，重复进行下一组实验。

3 干湿循环持水特性分析

3.1 脱湿与吸湿过程中排水量

在不同干湿循环次数下进行基质吸力离心试验后，获得图1所示结果，反映了原状土持水特性。从图中可看出，脱湿过程中进行离心排水试验时，排水量与时间呈正相关，基本变化呈“先增后平稳”，在基质吸力为150 kPa时，干湿循环0次在第20 h时排水量已基本达到稳定状态，为12 mL，相比第5 h增长了60%；对比不同干湿循环条件下排出水量亦可知，干湿循环次数与排出水量关联性并不大；在其他基质吸力条件下，排水量随时间变化均是一致或类似，对比不同吸力条件下同等干湿循环次数时，高基质吸力，原状土体内排除水量愈小，在同等干湿循环2次下，第50 h时基质吸力450 kPa所排出水量相比吸力40 kPa、150 kPa分别降低了51.7%、49.1%，表明其他参数相等条件下，基质吸力愈大，所排出水量愈少。分析出现这种现象是由于脱湿过程中土体处于干燥环境下，本身已处于水分子蒸发流失状态，当基质吸力愈大时，水分子的蒸发流失受到抑制，进而影响排出水量；而排出水量在实验后期呈平稳状态，分析是由于当水分子在基质吸力离心力条件下离开土体内部，但从本质上来看，离开土体内的水分子主要是处于土体开口孔隙内，针对闭口孔隙内的水分子流失还需要破坏土体内晶体矿物结构体系，才可继续排出水分子。

(a)基质吸力40 kPa

在吸湿过程中，排出水量与时间关系与脱湿过程相反态势，呈“先减后平稳”发展，基质吸力150 kPa、干湿循环0次时，其发展至平稳状态所用时间为30 h，土体内共吸收水量6.1 mL，当基质吸力增大，吸湿过程中土体内吸收水量愈小，同等条件下，基质吸力450 kPa相比前者吸水减小了90.2%，仅为0.6 mL。吸湿过程中进行土体离心试验，实质上压力舱内水分子会在较小吸力条件下进入至土体内，但吸力过大，会影响土体开口孔隙的开度，反而抑制土体的吸水。

3.2 土—水特征曲线

根据试验所获得数据，获得两种不同形态土的持水特征曲线，限于篇幅，本文只给出干湿循环1次、5次的对比曲线(如图2所示)。从图2中可看出，原状土在各干湿循环条件下，体积含水量均是脱湿工况高于吸湿工况，干湿循环1次、基质吸力150 kPa时，吸湿环境下体积含水量为17.3%，而脱湿环境下相比增大了幅度约12.6%。对比不同干湿循环次数含水量特征，循环次数愈多，则体积含水量愈低，其他参数一致条件下，原状土在干湿循环1次下吸力150 kPa时含水量是循环5次的1.15倍。从整体来看，不论是吸湿环境亦或是脱湿环境，含水量与基质吸力均为反相关变化，干湿循环5次吸湿环境下吸力40 kPa的含水量为30.3%，相比吸力450 kPa下增高幅度约为109.4%；分析表明，当基质吸力处于较大时，会一定程度将土体内晶体矿物之间的亲水性破坏，造成土体内水分子流失，含水量下降。

(a)原状土(1次、5次干湿循环)

与原状土类似，重塑土的土—水特征曲线基本变化与之一致，对比相同外参数条件下，原状土的含水量要高于重塑土，以干湿循环5次为例，原状土在基质吸力为80 kPa时吸湿环境下含水量为22.3%，同样试验条件下重塑土对应的含水量为11.8%，分析表明重塑土相比原状土受基质吸力影响更为敏感，其更受到基质吸力影响，而导致土体内水分子排出，含水量降低。

4 渗透系数影响因素分析

作为河道治理工程，渗透系数是工程设计中比较关注的重要参数，而根据干湿循环离心排水试验，可获得土体渗透系数[13]。图3反映了渗透系数与离心吸力之间变化关系，从图中可看出，渗透系数与吸力为负相关相关变化，原状土在干湿循环2次吸湿环境60 kPa是渗透系数为2.11×10-8m/s，而当基质吸力增大至267 kPa时，渗透系数下降了3个量级，仅为2.07×10-11m/s；分析表明，在较大基质吸力条件下，土体内部开口孔隙内已无水分子存在，而是存在大量气体分子，气体分子在一定程度上会对土体内残留的水分子运动产生阻碍影响，造成渗透系数偏低。对比吸湿环境与脱湿环境下，两者渗透系数变化基本一致，在各个基质吸力条件下基本为一致性，即吸湿环境与脱湿环境下，对土体渗透系数影响较弱。对比原状土与重塑土渗透系数可知，同为干湿循环2次相同基质吸力60 kPa下重塑土渗透系数为1.52×10-8m/s，与原状土渗透系数相差并不大，且在吸力267 kPa下亦是如此，两者密度均为1.7 g/cm3，渗透系数在两者之间差异性并不显著。

(a)原状土

为对比不同密度之间渗透系数差异，以不同密度的重塑土作为对比试验(如图4所示)。从图4中可看出，密度与渗透系数特征呈负相关，密度愈大，渗透系数愈小；干湿循环5次、密度1.7 g/cm3在基质吸力150 kPa时渗透系数为1.31×10-11m/s，而密度1.4 g/cm3相比前者增大了1个多量级，达2.18×10-10m/s；分析表明重塑土试样的密度愈大，其土体内孔隙数量愈少，且孔隙尺寸愈小，则在相同基质吸力条件下内部水分子的排出愈困难，土体结构内部晶体间连结性能更好，水分子的流动相比来说更较困难，因而渗透系数较低。

(a)干湿循环1次 (b)干湿循环5次图4 渗透系数与密度关系

对比相同密度下渗透系数特征可知(见图5)，在密度1.4 g/cm3时，基质吸力在40 kPa前，不同循环次数的土样渗透系数基本一致，但当基质吸力超过40 kPa后，渗透系数以循环次数5次为最高，在基质吸力150 kPa时，循环次数5次的渗透系数为2.18×10-10m/s，相比循环0次、2次分别提高了10.3倍、105.7%。密度1.7 g/cm3时，渗透系数较高者属循环5次，而0次循环时渗透系数较低。综上可知，循环次数愈多，会促进土体内水分子活跃性，对水分子渗流运动具有帮助作用，进而产生渗透系数较高的现象。

(a)ρ=1.4 g/cm3 (b)ρ=1.7 g/cm3图5 渗透系数与干湿循环次数关系

5 结语

针对某河道工程岸坡土体持水特性开展试验研究，设计干湿循环离心吸力排水试验，获得了原状土与重塑土的持水特性与渗透系数，得到以下几点结论：

1) 研究了脱湿与吸湿过程中排水量，脱湿过程排水量与时间为正相关关系，呈“先增后平稳”变化，干湿循环0次在第20 h时排水量达到稳定，吸力与排水量为负相关关系，干湿循环2次、第50 h时吸力450 kPa所排出水量相比40 kPa、150 kPa分别降低了51.7%、49.1%；吸湿过程排水量随时间呈“先减后平稳”变化，吸力与吸水量成负相关关系。

2) 获得了两种土体土—水特征曲线，含水量均是脱湿工况高于吸湿工况，循环次数愈多，则含水量愈低，原状土在干湿循环1次下吸力150 kPa时含水量是循环5次的1.15倍，含水量与基质吸力均为负相关变化；相同条件下，原状土的含水量要高于重塑土，重塑土受吸力影响更为敏感。

3) 分析了渗透系数均随基质吸力增大而降低，吸湿与脱湿环境对土体渗透系数影响较小；密度与渗透系数特征呈负相关，在基质吸力150 kPa时密度1.4 g/cm3的土样渗透系数相比密度1.7 g/cm3增大了1个多量级；干湿循环次数增多，渗透系数较高。