冻融循环作用对堆石料渗透特性影响试验研究

2021-10-09李永强

陕西水利 2021年9期

李永强

（陕西省泾惠渠灌溉中心,陕西三原 713800）

0 引言

我国西南山区温差极大,近年来在该区域新建的高土坝工程如雨后春笋。冻土区堆石料经反复冻融,其渗透特性发生显著变化,从而影响大坝正常工作状态,包括变形及稳定性。因此,了解大坝堆石料渗透特性受冻融循环作用的影响,有助于指导大坝前期设计及现场施工,特别是土石坝碾压程度及防冻措施,以保障大坝的正常安全运行。

国内外学者针对细粒土开展了室内冻融循环试验,研究冻融循环作用及次数对土样物理力学特性的影响。王大雁等[1]借助三轴试验认为冻融循环对细粒土的力学特性并无特性规律可循。常丹等[2]通过试验得出冻融循环导致粘聚力的降低,内摩擦角先增后减。严晗等[3]研究季节性冻土区反复冻融条件下力学特性,开展了冻融次数、含水量、压实系数等变量因素的室内试验研究。结果表明冻融循环后,粉砂土应力应变呈硬化型,破坏以塑性破坏为主。魏尧等[4]通过试验研究不同冻结温度下不同含水率的黄土力学特性的演变规律。结果表明黄土无侧限抗压强度在历经不同冻结温度后均逐渐减小,黏聚力随冻结温度的降低而降低,而内摩擦角则出现先减后增的趋势。胡飞田等[5]以青藏高原粉质黏土为对象,开展对不同冷却温度和冻融次数循环试验及三轴剪切试验。结果表明冷却温度越低,试样破坏强度随冻融次数的变化范围越小,粘聚力和内摩擦角随冷却温度和冻融次数的变化规律可采用Logistic模型模拟。陈涛等[5]依托西藏澜沧江堆石坝工程,研究发现冻融循环下堆石料产生较大的回胀变形,密实度和抗剪强度均有所降低,且经历“融缩”—“冻缩”—“冻胀”三个典型状态。

上述冻融循环试验研究对象多为细粒土,特别是粘性土。而针对粗粒土,如堆石料、掺砾石土料等,开展冻融循环作用下的大型渗透试验则较为罕见。虽堆石料在冻融循环下,其力学特性受影响程度不如细粒土,但其原有的细观结构在孔隙水冻融作用下仍然会出现变化或破坏,进而对其渗透性产生影响。而渗透性对堆石坝工程又是极为重要的设计参数。基于此,本文依托实际工程,开展大型渗透试验,揭示冻融循环下堆石料在不同上覆荷载下渗透特性的演变规律。

1 渗透试验方案

冻融循环试验（图1）在大型渗透仪上进行,其尺寸为300 mm×300 mm（渗径）,试验在陕西省水科院进行。试验不同阶段,需要通过温度传感器读取试样实际温度。本次试验冻结温度和融化温度分别确定为15 ℃和25 ℃,冻融持续时间均设置为12 h。首先将制作好的试样进行冻融试验,完成确定的冻融循环次数后,取出试样进行竖向加载试验,加载通过逐级施加,加载至设计荷载水平后,即开展渗透试验。渗透系数的测定时机为渗透仪出水口水流稳定且无明显气泡。为了避免试验误差,每组渗透试验均进行3 组平行试验,在没有异常数据情况下取其平均值。

图1 大型渗透试验照片

1.1 试样材料

试验材料为西南山区某堆石坝工程,英安岩,处于弱卸荷状态。现场气候为夏季降雨丰沛,最高气温25 ℃,冬季寒冷干燥,最低气温-20 ℃,属于典型高海拔温带季风气候区。

试验采用堆石坝工程现场取料英安岩,开展冻融循环渗透试验。结合《土工试验方法标准》,对试验用料进行缩尺处理[7-8],现场堆石料与缩尺后得到的试样的模拟级配曲线对比见图2。将试验用料风干后,将其划分为五种粒组,分别为60 mm~40 mm, 40 mm~20 mm, 20 mm~10 mm, 10 m~5 mm, 5 mm~0 mm。然后按各组份的用量充分拌和,并加入2%蒸馏水从下往上分为3 层进行振动击实。制样的过程照片见图1。试样的设计密度为2.08 g/cm3,与工程实际相匹配。

图2 现场堆石料与试样的级配曲线对比图

为防止堆石料试样产生离析从而堵塞透水板,在透水板上方铺设30 mm厚的砂砾石排水层。另外,在装样前在仪器内壁均匀涂抹一层凡士林。

渗透试验操作过程及技术要求严格参照《水电水利工程粗粒土试验规程》。本文采用常水头对堆石料试样进行饱和处理,设定渗流方向为由下往上。水头高度保持不变,略高于渗透仪底部2 mm,水流通过渗透仪底部的连通管渗透至堆石料试样底部,直到试样内部水头与渗透水头相等后,再逐级缓慢增大水头,最终渗透仪出水口出现水流渗透连续且不再溢出气泡的状态,此时开始测量渗透系数。

1.2 测量装置和方法

试验装置的主要构件有：龙门架,千斤顶、水泵、水桶、百分表、温度计、数据采集系统等。稳定的渗流水通过以下操作实现,具体步骤：首先将桶A注入适量水,通过导管不断注入有高度差的桶B,桶B在边缘设溢流孔,以保证渗流试验所需的恒定水头差。借助千斤顶,以龙门架为反力装置,下压试验渗透仪的上盖板,分级下压力的大小可通过固定龙门架的力传感器测量,另外通过3 只百分表对在上覆压力作用下堆石料试样的变形进行量测。

2 试验结果分析

2.1 冻融循环对渗透系数的测量结果

表1 显示在不同冻融循环次数（n=0、n=3、n=10）下不同上覆压力水平（50 kPa、100 kPa、200 kPa及400 kPa）堆石料试样渗透系数值。从表1 可以看出,不论冻融循环次数多少,堆石料渗透系数随上覆荷载的增大有明显的减小趋势；而上覆荷载不论多大,渗透系数与冻融循环次数呈正相关关系,且当上覆荷载水平较低时,冻融循环次数对渗透系数的影响更为显著。可能是因为堆石料内部颗粒在反复冻融下打破了原有的细观平衡,导致接触力薄弱的细颗粒被融化的孔隙水流作用而变动原有位置。

表1 不同循环次数下的渗透系数表

2.2 冻融循环对渗透系数的影响

冻融循环前,随着堆石料试样上覆荷载水平的增大,其渗透性逐渐减小。这是因为随着上覆荷载水平的增大,堆石料试样越密实,孔隙率则减小,从而其渗透系数减小。且从数据上看,渗透性与上覆荷载呈非线性负相关关系。

为了更清晰显示冻融循环次数对不同上覆压力水平堆石料试样渗透特性的影响,将冻融循环次数分别为n=0、n=3、n=10下不同上覆压力与渗透系数的数据点进行拟合处理,见图3 。通过origin软件拟合得到,堆石料土样渗透系数与上覆荷载水平的相互关系采用幂函数进行拟合,其结果较为理想。

图3 不同冻融循环下渗透系数与上覆荷载的关系曲线图

式中：a表示压力为0时的渗透系数,b表示材料参数。

从图3 中可以看出,当上覆荷载保持不变时,堆石料渗透系数随冻融循环次数的增加而增大,且在冻融循环次数较小时（n=3）,其冻融循环作用对渗透特性的影响更为显著。当冻融循环次数固定时,渗透系数与上覆荷载呈非线性负相关关系,在循环次数较大时,上覆荷载对渗透系数的影响更为敏感。对于实际堆石坝工程来说,在设计施工时,应加强保温及排水措施,避免出现因冻融循环作用导致堆石料渗透性显著增大的现象,继而增加引发渗透破坏的风险,对大坝的正常工作状态产生不利影响。