南水北調(diào)中線總干渠膨脹巖滲透性狀試驗(yàn)研究

童 軍，龔壁衛(wèi)，陳勁松

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 概 述

多年以來(lái)，人們針對(duì)膨脹土邊坡開(kāi)展了大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和原位試驗(yàn)研究，而針對(duì)膨脹巖滲透性狀的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道［1－3］。長(zhǎng)江科學(xué)院和長(zhǎng)江委綜合勘測(cè)局曾于1984年在河南省引丹灌區(qū)刁南膨脹土渠道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在長(zhǎng)達(dá)4年的觀測(cè)過(guò)程中，分析了土體變形與土壓力的變化規(guī)律［4］。此后，1996年，長(zhǎng)江科學(xué)院和武漢水利電力大學(xué)又在湖北棗陽(yáng)進(jìn)行了膨脹土渠坡的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)工作［4，5］。這些研究工作從不同的側(cè)面反映了膨脹土在各種氣候條件下的應(yīng)力、變形和吸力的變化規(guī)律。龔壁衛(wèi)等介紹了在膨脹土渠道邊坡所進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)滲透實(shí)驗(yàn)成果，初步分析了膨脹土渠坡水相入滲規(guī)律，為膨脹土邊坡處理、非飽和土邊坡穩(wěn)定分析取得了經(jīng)驗(yàn)［6，7］。由于膨脹巖性狀的特殊性與復(fù)雜性，室內(nèi)滲透試驗(yàn)不能全面考慮巖土體結(jié)構(gòu)性、裂隙性及應(yīng)力變化，因此開(kāi)展較大尺度的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際巖體的性態(tài)及進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)上述試驗(yàn)的不足是十分必要的。本文通過(guò)原位雙環(huán)、GUELPH儀以及室內(nèi)重塑樣3種不同尺度的滲透試驗(yàn)，揭示了不同巖性及處理措施膨脹巖的場(chǎng)地原位滲透性狀間的關(guān)系及其與重塑巖樣滲透性狀的差異，并對(duì)不同試驗(yàn)方法對(duì)巖體滲透系數(shù)量測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行了探討。

2 原位試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)方案

2．1 原位試驗(yàn)場(chǎng)地

原位試驗(yàn)場(chǎng)地位于南水北調(diào)中線工程總干渠新鄉(xiāng)潞王墳膨脹巖試驗(yàn)段。本渠段主要分布泥灰?guī)r和黏土巖2種巖性巖層，其中泥灰?guī)r呈灰白色，以弱膨脹為主，上部膠結(jié)較好，下部稍差，表層風(fēng)化成土；黏土巖呈棕紅色，局部棕紅色夾灰綠色，成巖差，多呈可塑－堅(jiān)硬土狀，干裂后呈碎塊狀。本渠段屬大陸性溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏秋炎熱多雨，冬春干旱少雨。60%～70%的雨量集中在6 8月份，多以暴雨出現(xiàn)，水位、流量受降雨控制。地下水位埋藏較深，一般在渠底以下。

試驗(yàn)場(chǎng)地膨脹巖物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。由表可知：試驗(yàn)場(chǎng)地的密度、含水率變化范圍較大，巖體空間差異性較明顯。

2．2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共分為原位滲透試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)兩部分，見(jiàn)表2所示。原位滲透試驗(yàn)包括2種不同巖性和2組不同處理措施場(chǎng)地的雙環(huán)滲透試驗(yàn)和4組泥灰?guī)r及4組黏土巖場(chǎng)地的GUELPH儀滲透對(duì)比試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)包括4組泥灰?guī)r和4組黏土巖重塑樣的室內(nèi)滲透對(duì)比試驗(yàn)，重塑樣含水率依據(jù)泥灰?guī)r及黏土巖場(chǎng)地的天然含水率確定。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地膨脹巖物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The physical properties of the expansive rock in field

表2 原位及室內(nèi)滲透試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes for the field and laboratory tests

3 試驗(yàn)儀器及方法

3．1 試驗(yàn)儀器

考慮到膨脹巖的裂隙性并參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237 1999）中原位滲透實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)儀器尺寸，本次試驗(yàn)將雙環(huán)滲透試驗(yàn)中內(nèi)外環(huán)的尺寸分別增大至50 cm，100 cm，如圖1所示。GUELPH儀滲透試驗(yàn)則采用美國(guó)Soilmoisture Equipment Corp生產(chǎn)的2800K1型Guelph現(xiàn)場(chǎng)入滲儀。該儀器是根據(jù)馬里奧特瓶原理制定的一種常水頭設(shè)備，可用于室外巖土體滲透系數(shù)的快速測(cè)定。假設(shè)隨著入滲的進(jìn)行，孔底巖（土）中會(huì)形成一個(gè)球形飽和區(qū)，其形狀大小取決于巖土體類型、孔半徑和孔內(nèi)水頭高度。通過(guò)測(cè)量定水頭條件下井孔中的水從孔底滲向非飽和土的穩(wěn)定入滲速率，利用Richards分析方法即可得到巖土體的飽和滲透系數(shù)Kfs。

圖1 原位雙環(huán)滲透試驗(yàn)照片F(xiàn)ig．1 Apparatus used in double ring permeability field tests

3．2 試驗(yàn)方法

原位雙環(huán)滲透試驗(yàn)參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237 1999）中原位滲透實(shí)驗(yàn)——“現(xiàn)場(chǎng)雙環(huán)滲透”的試驗(yàn)方法，具體試驗(yàn)步驟如下：在膨脹巖邊坡上平整好場(chǎng)地后，安裝雙套環(huán)，切斷地表裂隙；測(cè)定表土含水率，并在環(huán)附近沿一定深度測(cè)量初始含水率剖面，測(cè)定氣溫、水溫、地溫T（z）等；迅速在內(nèi)、外環(huán)中加水，使內(nèi)、外環(huán)水層深度達(dá)5 cm，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。安裝供水瓶，保持內(nèi)、外環(huán)內(nèi)水深恒定。每隔一定的時(shí)間間隔記內(nèi)環(huán)的補(bǔ)水量。當(dāng)入滲達(dá)到穩(wěn)定后，每5 h測(cè)定一次，直至試驗(yàn)結(jié)束；排去內(nèi)、外環(huán)積水，用人工手搖鉆測(cè)定濕潤(rùn)層含水率剖面，判斷滲流鋒面的開(kāi)展深度。

原位Guelph儀滲透試驗(yàn)的具體試驗(yàn)步驟如下：在開(kāi)挖面形成后，用鎬和鐵鍬將已經(jīng)出露的去掉，挖除待測(cè)巖表面松散物直至露出新鮮巖面，然后鉆一直徑為6 cm、孔深為18～25 cm的孔，收集孔底帶出土樣以便測(cè)定其含水率和自由膨脹率。將Guelph滲透儀安裝好注水后放入孔中，分別測(cè)量2個(gè)不同恒定水頭下從入滲儀流入巖體中水的滲透速率，即可求出巖土體的飽和滲透系數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1 不同巖性及處理措施場(chǎng)地的原位滲透性狀對(duì)比

圖2為不同巖性及處理措施場(chǎng)地的原位雙環(huán)滲透系數(shù)時(shí)程曲線。由圖可知：在試驗(yàn)初期，入滲較快，各場(chǎng)地的滲透系數(shù)均在10－4cm／s附近，隨著巖體慢慢吸水飽和以及膨脹巖原生裂隙的閉合，導(dǎo)致滲透系數(shù)急劇減小，24 h后滲透系數(shù)均穩(wěn)定在3×10－6～2×10－5cm／s，其中泥灰?guī)r土袋處理場(chǎng)地、黏土巖與格柵處理場(chǎng)地穩(wěn)態(tài)滲透系數(shù)近似相等，且后者滲透系數(shù)約為前者的1／4。這可能是由于格柵處理場(chǎng)地中的土工格柵有效地抑制了巖體變形，從而使得巖體的滲流通道和裂隙不如土袋處理和泥灰?guī)r裸坡場(chǎng)地發(fā)育充分的緣故。

圖2 不同巖性及處理措施場(chǎng)地的原位滲透系數(shù)時(shí)程曲線Fig．2 Variation of the field permeability coefficientwith time

表3為原位雙環(huán)與Guelph儀滲透試驗(yàn)測(cè)得各場(chǎng)地的穩(wěn)態(tài)滲透系數(shù)對(duì)比。其中Guelph儀對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)滲透系數(shù)為待測(cè)場(chǎng)地選取的4個(gè)具代表性量測(cè)點(diǎn)滲透系數(shù)的平均值。盡管Guelph儀滲透試驗(yàn)在同一巖性場(chǎng)地測(cè)得滲透系數(shù)的離散性較大（見(jiàn)表1），但泥灰?guī)r場(chǎng)地滲透系數(shù)的平均值仍大于黏土巖。

表3為不同巖性及處理措施場(chǎng)地的入滲影響深度，根據(jù)雙環(huán)滲透試驗(yàn)前后的土層含水率剖面得到。由表可知，各場(chǎng)地的入滲深度的規(guī)律與滲透系數(shù)一致，泥灰?guī)r和土袋處理場(chǎng)地的入滲深度近似相等，均為1．5 m左右；而黏土巖與格柵處理場(chǎng)地的入滲深度則要小得多，約為泥灰?guī)r和土袋場(chǎng)地的1／2～2／3?？梢?jiàn)由于格柵加筋約束作用使得入滲速率和入滲影響深度均有較大幅度地減小。

表3 不同巖性及處理措施場(chǎng)地穩(wěn)態(tài)滲透系數(shù)及入滲影響深度比較Table 3 The comparison of stable permeability coefficient and infiltration depths for different test field with different rock properties and treatmentmeasures

圖3為天然含水率狀態(tài)下的泥灰?guī)r、黏土巖重塑樣的滲透系數(shù)隨著干密度的變化。由圖可知：試驗(yàn)區(qū)膨脹巖體在無(wú)裂隙及天然結(jié)構(gòu)性被完全破壞的情況下，泥灰?guī)r的滲透系數(shù)仍大于黏土巖，與不同巖性的原位滲透對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果一致。在含水率一定的條件下，泥灰?guī)r、黏土巖重塑樣的滲透系數(shù)與干密度在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中具有很好的線性關(guān)系。且泥灰?guī)r擬合曲線的斜率小于黏土巖，即泥灰?guī)r滲透系數(shù)隨著干密度的增大而減小的速率小于黏土巖。

圖3 天然含水率下重塑巖樣的滲透系數(shù)隨干密度的變化Fig．3 The change of the permeability coefficient of molded expansive rock sample with the dry density under natural water content

4．2 膨脹巖原位與重塑滲透性狀對(duì)比

由表2知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)G1－3，G2－3的表層土體分別與室內(nèi)重塑泥灰?guī)r、黏土巖樣的含水率最為接近，將G1－3，G2－3分別與泥灰?guī)r、黏土巖在原位和重塑條件下的滲透性狀進(jìn)行對(duì)比，如圖4（a）、（b）所示。圖中直線根據(jù)室內(nèi)重塑巖樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合得到。由圖可知：利用原位雙環(huán)及Guelph儀滲透試驗(yàn)得到的巖體原位滲透系數(shù)均比重塑巖樣大。這是由于現(xiàn)場(chǎng)巖體存在較多裂隙的緣故，由此可見(jiàn)非飽和膨脹巖中的裂隙對(duì)入滲性能起到關(guān)鍵的控制作用。

圖4 膨脹巖的原位及重塑滲透性狀比較Fig．4 Comparisons of the permeability behavior between the fields and laboratorymolded sample tests

4．3 試驗(yàn)方法對(duì)巖體滲透系數(shù)量測(cè)的影響

由于試驗(yàn)場(chǎng)地巖體性質(zhì)的復(fù)雜性以及各種試驗(yàn)方法自身的局限性，不同試驗(yàn)方法測(cè)得的滲透系數(shù)有所差異。

原位雙環(huán)滲透試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于測(cè)定原位場(chǎng)地的滲透系數(shù)，可有效地克服場(chǎng)地的尺寸效應(yīng)對(duì)量測(cè)成果的影響，但耗時(shí)較長(zhǎng)，且其試驗(yàn)原理還有待進(jìn)一步完善。

Guelph滲透儀原理較為完善，使用快速簡(jiǎn)便，但也存在以下問(wèn)題。①尺寸效應(yīng)問(wèn)題：大尺度試驗(yàn)可減小由于土壤顆粒、密度、蟲(chóng)孔、作物根系、裂隙等原因引起的巖土體空間變異性的影響。對(duì)于某個(gè)入滲試驗(yàn)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，直接參與測(cè)定的土壤入滲面越大，其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)所測(cè)定土壤的代表性也就越好。而Guelph入滲儀入滲半徑為6 cm，遠(yuǎn)小于雙環(huán)法，因而試驗(yàn)孔附近土體的孔隙和裂隙對(duì)結(jié)果的影響更大。②試驗(yàn)數(shù)量問(wèn)題：由于場(chǎng)地的空間變異性，故試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目不宜過(guò)少，否則所得結(jié)果缺乏代表性，甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤。因此確定合理試驗(yàn)數(shù)目對(duì)于場(chǎng)地真實(shí)滲透系數(shù)的獲取至關(guān)重要。③大氣作用的時(shí)間效應(yīng)問(wèn)題：巖體開(kāi)挖面暴露于大氣中時(shí)間越長(zhǎng)，受到的風(fēng)化作用就越劇烈，巖體的裂隙發(fā)育情況等會(huì)發(fā)生變化，在不同的風(fēng)化階段測(cè)試的水力特性會(huì)有很大差別，也只能分別代表對(duì)應(yīng)的風(fēng)化或大氣作用程度下的巖體滲透性狀。表1中Guelph儀滲透試驗(yàn)成果具有較大的離散性可能是上述3個(gè)原因所致。室內(nèi)試驗(yàn)比較精確，試驗(yàn)原理也較為完善，但也存在某些不足之處。

本文中巖體的重塑滲透系數(shù)均小于同條件下的原位滲透系數(shù)，可見(jiàn)重塑滲透試驗(yàn)無(wú)法考慮巖體本身的結(jié)構(gòu)性及裂隙性，從而不能很好地反映出場(chǎng)地巖體的真實(shí)滲透性狀。

基于以上原因，在研究膨脹巖渠坡的滲透性狀時(shí)，應(yīng)在綜合考慮場(chǎng)地尺寸、空間變異性以及時(shí)間效應(yīng)的基礎(chǔ)上選取合適的試驗(yàn)方法，才能真實(shí)、全面、快速地揭示出巖體的滲透性狀。

5 結(jié) 論

通過(guò)比較不同巖性、處理措施的原位滲透試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）原位雙環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明：泥灰?guī)r和土袋處理場(chǎng)地的滲透系數(shù)一般在n×10－5cm／s左右，泥灰?guī)r和格柵加筋處理場(chǎng)地的滲透系數(shù)較小，約為n×10－6cm／s左右。格柵加筋場(chǎng)地的滲透系數(shù)和入滲深度均為各場(chǎng)地中最小，土工格柵加筋可作為一種有效的膨脹巖渠坡處理措施。

（2）Guelph儀滲透試驗(yàn)由于受巖體本身的結(jié)構(gòu)和裂隙性及場(chǎng)地的空間變異性的影響，試驗(yàn)成果離散性較大，但泥灰?guī)r場(chǎng)地的平均穩(wěn)態(tài)滲透系數(shù)仍大于黏土巖。

（3）室內(nèi)重塑泥灰?guī)r和黏土巖樣的滲透系數(shù)與干密度在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)程呈較好的線性關(guān)系，均小于同條件下原位滲透系數(shù)。

（4）原位與室內(nèi)滲透試驗(yàn)具有不同的適用場(chǎng)合。應(yīng)綜合考慮場(chǎng)地的尺寸、空間變異性以及時(shí)間效應(yīng)的影響，選取合適的滲透試驗(yàn)方法以真實(shí)、全面、快速地揭示膨脹巖（土）體的滲透性狀。

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