无黏性粗粒土在水利工程中渗透系数试验方法研究

2021-02-01唐占君

水利科技与经济 2021年1期

唐占君

(哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司，新疆哈密 839000)

1 概述

渗透系数是渗流分析中最基本的、也是非常重要的计算参数，是一个具有多重意义的土工参数，它的大小主要反映土体中孔隙的大小、多少以及连通等构成情况[1]。目前国内外对土体的渗透系数主要通过试验获取，在缺乏试验条件时采用经验公式计算，因此经验计算公式的选用就显得尤为重要。无黏性粗粒土在水利工程建设中应用广泛，其特点为压实性能好、透水性强、填筑密度大、强度高、变形小等，且分布广泛、储量丰富、经济性好。研究表明，无黏性粗粒土的渗透规律很复杂，多年来国内多位专家从不同角度进行了相关研究。

2 试验方法研究

目前水利工程建设过程中，粗粒土渗透系数可通过室内试验或者现场试验获取。依据《土工试验规程》(SL237-1999)，粗粒土渗透系数室内试验一般都使用直径30 cm 垂直(水平)渗透装置，见图1，试验采用缩尺法制样。为了试验数据更真实可靠，部分试验室也采用直径100 cm甚至更大直径的设备对原级配的粗粒料进行相关渗透试验。即使如此，也依然存在不能满足原级配料的大型渗透试验，仍然需要缩尺法制样后进行试验[2]。依据《水利水电工程注水试验规程》(SL345-2007)，试坑单环注水试验适用于地下水位以上的砂土、砂卵砾石等土层。依据《土石筑坝材料碾压试验规程》(NB/T 35016-2013)，可采用现场垂直渗透变形试验和现场水平渗透变形试验，其试验装置图见图2和图3。

图1 室内垂直渗透仪示意图

图2 现场垂直渗透试验装置示意图

图3 现场水平渗透试验装置示意图

目前，在粗粒土室内试验中，处理超粒径有4种方法，分别是剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法。土工试验规程给出了4种缩尺方法，但具体采用哪种，规程并未给出明确规定。其中剔除法、相似级配法和混合法3种制样法制样都会改变样品中细粒含量比例，细料含量Pf会相应或多或少有所增加，细粒增加也会导致渗透系数K相应减小。而等量替代法，细料含量Pf保持不变，其渗透系数K与原始级配相差较少。谢定孙等研究建议[3]，为确保缩尺方法求得的渗透系数等于原级配的渗透系数，等量代替法必须至少保持30%的细颗粒级配不变化。从安全可靠出发，建议等量代替法最多只能代替60%的粗颗粒，保证40%的细粒粒径不变化。缩尺后细料含量Pf发生较大变化时，其渗透性变化也较大，缩尺倍数越大，差异就越大。

大部分地质勘查的室内试验中，渗透系数试验的取值是由室内利用缩尺法制样后试验获得，现场是通过原位注水试验来获取[4]。为了试验数据更接近真实，部分试验室也采用了直径100 cm甚至更大直径的设备对原级配的粗粒料进行相关渗透试验，但大部分的试验数据实用性并不强，分析原因如下：

缩尺法导致室内渗透系数试验数据偏小，但偏小多少却很难定量。另外，室内的试验控制密度大多都是按相对密度的0.85控制。但实体工程中，由于大型机械的碾压，工程实体相对密度远远高于0.85，而渗透系数随密实度的增大而减小，导致室内试验结果比工程实际偏大，不利于设计的渗流计算。例如，某工程的地勘资料渗透系数为2.1×10-2cm/s，工程施工实体的渗透系数为2.2×10-3cm/s，差了一个数量等级。笔者在工作中发现，粗粒土在大型设备碾压完毕后，表层的渗透系数小于中下部的渗透系数，特别是含细粒较多的粗粒土，尤为明显。某工程所用粗粒土细粒含量30%～40%左右，铺土厚度80 cm，碾压完毕后现场原位注水试验表层渗透系数为 2.0×10-3cm/s，中下层渗透系数为5.2×10-3cm/s，具体原因通过工程实例分析。

某些工程为了获取更为真实或者说更具意义的渗透系数取值，尽可能去进行原级配的垂直(或者水平)渗透系数试验[5]，当然这样的试验结果是更接近真实值的，具有一定的实际意义。但实体工程中渗透是复杂多变的，不是单纯垂直或者水平渗透，而试验室很难模拟出渗流的真实情况。另外，室内的大型渗透试验的控制密度也大多是相对密度0.85，而工程实体总是大于0.85甚至达到0.95以上，这也造成室内渗透系数试验数据成果偏大。《土石筑坝材料碾压试验规程》(NB/T35016-2013)中提出现场垂直和水平碾压土体渗透变形试验方法，笔者认为更接近于真实值，该试验方法降低了压实度对渗透系数的影响，另外它对垂直和水平的渗透系数均进行了分析研究，对工程的实际意义更大，而该方法取得的试验数据作为设计的渗流计算，准确度应该更高。

3 工程实例

3.1 工程概况

某水利工程坝型为砂砾石面板堆石坝，最大坝高164.3 m，总库容22.51×108m3，控制灌溉面积28.5×104hm2，属大(Ⅰ)型Ⅰ等工程。枢纽工程由拦河坝、溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔泄洪洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流引水洞及其厂房等主要建筑物组成。其主料场C4砂砾石料场，距坝址7.8～15.0 km，料场沿叶尔羌河呈弯曲的条带状分布，地面高程1 620～1 640 m，长7 400 m，宽230～550 m，面积3.7 km2，岩性为第四系全新统冲积砂卵砾石。该料场大部分位于河漫滩，地下潜水位埋深浅，并受河水涨落影响，平枯水期地下水埋深1～4 m，7-8月份洪水期均位于水下。据探坑揭露，料场无用层厚度0～0.5 m，平枯水期水上有用层厚度0.5～1.5 m，按平行断面法计算无用层储量110×104m3，水上有用层储量250×104m3；若按水下开采3 m计，C4砂砾石料场有用层总储量为1 000×104m3。

3.2 试验过程及结果分析

对C4料场填筑料检测现场填筑碾压后的渗透系数及压实指标，为设计单位根据检测成果复核渗透稳定提供依据。依据《水利水电工程注水试验规程》(SL 345-2007)的相关规定，试坑单环注水试验适用于地下水位以上的砂土、砂卵砾石等土层，本工程所用C4填筑料定名为卵石混合土(SICb)，符合规范规定。因此，本次C4填筑料碾压后现场渗透系数测定采用单环注水试验方法，现场试验选用的试验设备直径为51.49 cm(内径)，高50.1 cm，环面积2 082.0 cm2，见图4。

图4 现场注水试验

填筑压实碾压机械选用26T自行式振动碾，型号为XS263J，振动轮宽度为2 130 mm，振动频率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。砂砾料碾压采用高振幅低频率碾压10遍，行进速度不大于3 km/h，碾压方式采用错距法或整碾错距法，即能满足设计压实标准相对密度≥0.85。

本次现场原位注水试验共进行5组(1#、2#、3#、4#、5#)，其中3组(1#、2#、3#)在碾压试验段进行，目的在于与坝体填筑有所比对，试验时间2018年5月3日，该试验检测工作面振碾遍数>20遍，试验时注水铁环深度为表层10～20 cm。另外2组(4#、5#)在大坝下游第17层填筑面及第20层填筑面进行，该试验检测工作面振碾遍数为振碾10遍，试验结果见表1。

表1 5组现场原位注水试验成果表

续表1

3.2.1 大坝下游现场碾压试验及结果分析

1) 第17层的4#样。试验时间2018年5月3日，试验时注水铁环深度为表层10～20 cm，其渗透系数检测结果为2.1×10-3cm/s，压实度检测结果相对密度为0.92，试验结果见表1。

2) 第20层的5#样。试验时间2018年5月11日，试验时注水铁环深度为表层30 cm，其渗透系数检测结果为4.4×10-3cm/s，压实度检测结果相对密度为0.94，试验结果见表1。

在大坝下游进行2组原位注水试验，由试验结果可以看出，填筑段面的表层渗透系数小于中下部的渗透系数，分析其原因，有以下几个方面：

1) 从密实度上分析，表层填筑料经过碾压后，其密实度要大于中下部的密实度，从而导致中下部填筑料的渗透系数要较表层大。但随着时间的推移和大坝填筑的继续，再加上后期水的浸润，由于重力原因及沉降，这种表层和中下层的密实度会逐渐趋于一致，其渗透系数也应会逐渐趋于平衡。

2) 从现场碾压分析，天然干燥状态下的砂卵砾石填筑料在振动碾碾压过程中，大颗粒填筑料受到振动碾激振力的冲击，始终是保持向下运动。由于颗粒之间的相互作用，小颗粒受到挤压，向上运动，从而导致碾压完后，原来处于表层的大颗粒运动到中上部或者中部，而形成碾压完后表层的细颗粒含量较为集中，总体要大于中下部，这也是表层的渗透系数小于中下部的渗透系数的原因之一，但这种状态不会随时间的推移和重力沉降的关系而有大的改变。

3) 从上料角度分析，特别是卵石上料时，大颗粒会滚落到料堆跟脚部，这也一定程度上形成整体的填铺层面，中下层大颗粒总量大于中上层。

通过以上3点可以看出，由于碾压后的骨料排列结构起到决定性作用，虽然重力沉降最终会使压实度趋于一致，渗透系数趋于平衡，但填筑单层的中下部渗透系数始终会较表层大一些，而最终形成的结果是垂直渗透系数小于水平渗透系数。

3.2.2 碾压试验段试验检测结果分析

在碾压试验段进行3组原位注水试验，由试验结果可以看出：

1) 填筑试验段的渗透系数与大坝下游现场填筑面表层渗透系数基本一致。

2) 填筑试验段的渗透系数并没有因为碾压遍数的增加而有明显的减小，由此可以推断，C4料场填筑料当碾压密实度到一定程度后，其填筑断面表层的渗透系数基本一致，约为2.0×10-3cm/s。