土石混合體滲透性能的試坑雙環(huán)注水試驗研究

陳子華，陳蜀俊，陳 健，盛 謙，閔 弘，胡 偉

(1.中國地震局地震研究所，武漢 430071;2.中國科學院 a.武漢巖土力學研究所;b.巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430077)

1 研究背景

土石混合體是第四紀以來形成的、廣泛存在的一種土體與塊石的混合物，由具有一定工程尺度、強度較高的塊石、細粒土體及孔隙構成且有一定含石量的極端不均勻松散巖土介質系統(tǒng)［1］。由于其具有典型的非均質性、非連續(xù)性及試樣難以采集性等內在的獨特性質，給研究帶來了極大的困難，目前對其研究仍處于初級階段。隨著我國社會經濟發(fā)展對能源的需求和國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，一大批大中型水電站已經或即將在西南地區(qū)開建，但這些水電站多建在高山峽谷地區(qū)，發(fā)育有大量由土石混合體構成的滑坡［2］，庫區(qū)特別是近壩段的滑坡穩(wěn)定性問題是影響水電站正常運營的關鍵性因素。在分析暴雨及庫水升降作用下滑坡的穩(wěn)定性時，滑坡土體的滲透系數是必須知道的一個基本物理力學參數，其準確性對穩(wěn)定性分析具有重要的作用。

眾多學者已經對土石混合體的物理力學性質展開過諸多研究。就滲透特性的研究方面，周中等［3］采用室內正交試驗，利用自制常水頭滲透儀研究了含石量、孔隙比和顆粒形狀等3個因素在不同水平下對土石混合體滲透性能的影響。顧金略等［4］研制了伺服控制土石混合體壓力滲透儀，能夠有針對性地研究土石混合體滲流特性。徐揚等［5］針對唐鋼司家營鐵礦Ⅲ采場露天轉井下開采回填廢石設計研究工程要求，在該礦區(qū)Ⅲ采場附近進行了大尺度現場滲透試驗，但主要是在已開挖的試坑中回填不同粒徑范圍及厚度的廢石進行試坑注水試驗。

由上可看出，前人對土石混合體滲透特性的研究多見于室內試驗或人工回填形成的土石混合體中，對原狀土進行的測試很少，因而這些研究具有很大的局限性。然而由于土石混合體自身特性，經過擾動的試樣往往并不能真正反映該類土體滲透性。因此，開展野外現場土石混合體滲透性能試驗的研究，測定其滲透系數就具有重要的工程價值和理論意義。

本文利用改進的雙環(huán)注水試驗設備，對西南地區(qū)某大型水電站近壩庫段內一滑坡進行了現場試坑注水試驗。其中對試驗設備的改進是基于文獻［5］的研究中土石混合體滲透系數較大，野外試驗時不僅所需水量較多導致流量瓶須頻繁更換，而且試驗時讀數不便且累積誤差也較大。研究中對比了滑體和滑帶處滲透試驗結果，并利用室內顆粒分析試驗對結果進行了分析。本文結論對西南地區(qū)土石混合體構成的滑坡的滲透系數具有一定的指導意義。

2 工程概況

如圖1，西南地區(qū)已建某大型水電站近壩庫段內有一滑坡，距壩址的距離為13.4～15.9 km，位于江右岸，體積約為4 760萬m3。通過鉆孔揭示該滑坡體上的各層物質的分布為:①以二疊系陽新灰?guī)r(P1y)和玄武巖(P2β)的滑坡堆積體。分布在滑坡平臺的表面，上游側薄下游側厚，一般厚10.30～58.30 m，最厚130.70 m。塊碎石多為次棱角狀，粒徑3～8 cm居多，最大可達10 cm，結構較松散。②以陽新灰?guī)r(P1y)的滑坡堆積體，分布在滑坡前緣斜坡上及滑體的中上部，是滑體的主要組成部分。厚度33.67 ～75.01 m，塊徑一般小于1.0 m，個別可達4.0 m，解體嚴重，見架空結構。③以志留系地層為主的碎石層，原巖為泥頁巖，分布在滑體的底部，厚度25.78 ～30.41 m，結構較密實。

為準確測定該滑坡滲透系數，在滑體和滑帶不同部位分別布置了試驗點，其中滑體處4個，滑帶處6個。試驗點布置如圖2所示。

圖1 滑坡外貌Fig.1 Geomorphic features of the landslide

圖2 滲透試驗點分布(○為滑體處，△為滑帶處)Fig.2 Arrangement of infiltration test points(○ in the sliding body and△ in the sliding zone)

3 試坑雙環(huán)注水試驗

3.1 試驗儀器

依照《水利水電工程注水試驗規(guī)程》(SL345—2007)，試坑雙環(huán)注水試驗采用實驗裝置如圖3所示。

圖3 雙環(huán)注水試驗儀器［6］Fig.3 Double-ring infiltrometer［6］

針對土石混合體自身的特性而改進的雙環(huán)注水試驗儀器如圖4，其中進行的改進主要包括以下2個方面:

(1)針對高山峽谷地區(qū)進行野外試驗困難和土石混合體滲透系數很大，野外試驗時，流量瓶須頻繁更換等問題，去掉流量瓶和瓶架，代之以量筒向大、小環(huán)內注水。

(2)通過膠尺來對大、小環(huán)內液面進行讀數。具體為:在大、小環(huán)內壁上粘貼膠尺，其中膠尺量程為20 cm。

圖4 改進雙環(huán)注水試驗儀器現場Fig.4 In-situ picture of improved double-ring infiltrometer

通過實踐證明，改進的雙環(huán)滲透試驗設備非常適合于在高山峽谷地區(qū)進行土石混合體構成的滑坡的現場滲透試驗;具有試驗設備易于搬運、安裝，試驗時注水方便快捷，試驗數據不易讀錯且累積誤差小等諸多優(yōu)點。

3.2 試驗步驟

(1)在選定的試驗點，挖一個方形試坑至試驗土層。在方形試坑底部再挖一個深10～15 cm的注水試坑，整平坑底并盡量減少對試驗土層的結構擾動。

(2)在注水試坑內依次放入小環(huán)和大環(huán)，并將2環(huán)按同心圓壓入坑底，深約5～8 cm。以試坑周圍土將小圓環(huán)內圍底部封堵，并到一定高度，以保證加水后大環(huán)內水不至于進入小環(huán);以同樣方法將大環(huán)外圍封堵。在大、小環(huán)內壁粘貼膠尺，保持膠尺豎直并緊貼地面。

(3)向大、小環(huán)內同時注水，水深均為10 cm［6］。打開秒表按規(guī)范要求開始計時，用量筒向2環(huán)內注水以保持液面為10 cm，并紀錄一定時間內所加入水的體積。開始每隔5 min量測一次，連續(xù)量測5次;之后每隔15 min量測一次，連續(xù)量測2次;之后每隔30 min量測一次，并至少量測6次。本試驗中經測定，所有試驗點在滲水4 h后都已經達到了滲流穩(wěn)定，取最后一次注入流量作為計算值。

3.3 滲透系數計算

以現場實測數據繪制內環(huán)注入流量與時間(Q-t)關系曲線，并按照《水利水電工程注水試驗規(guī)程》(SL345—2007)中試坑雙環(huán)注水試驗的公式進行試驗土層滲透系數計算

式中:K為滲透系數(cm/s);Q為最后一次注入流量(L/min);F為內環(huán)面積(≈491 cm2);H為試驗水頭(10 cm);z為現場測定的從試坑底算起滲入深度(cm);Ha為試驗土層的毛細上升高度，以規(guī)范SL—237取經驗值。

4 試驗結果與分析

4.1 滑體與滑帶試驗結果比較

雙環(huán)注水滲透試驗結果如下表1。

表1 試坑雙環(huán)注水試驗結果Table 1 The results of in-situ double-ring water injection infiltration tests

由表1可以得出，滑體4個試驗點的滲透系數比較接近，平均滲透系數為5.74×10－3cm/s;滑帶6個試驗點的滲透系數也很接近，平均滲透系數為1.76×10－3cm/s。滲透試驗結果反映出滑體和滑帶的滲透系數都較大，郭慶國［7］提出對粗粒土按滲透系數的不同，可將滲透系數K＞i×10－4cm/s的粗粒土劃分為無黏性粗粒土;將滲透系數 K＜i×10－4cm/s的粗粒土劃分為黏性粗粒土。由試驗結果可知，滑體和滑帶處土石混合體滲透系數都較大，與無黏性粗粒土的滲透系數相近。試驗結果同時反映出滑體和滑帶處土的滲透系數區(qū)別很大，滑體處平均滲透系數為滑帶處平均滲透系數的3～4倍。

4.2 滲透性能的室內試驗分析

為研究滑體和滑帶兩者滲透性能差異的原因，在它們各自的試驗點處分別選擇一個有代表性點的土石混合體試樣，帶回做室內試驗，天然狀態(tài)下物理指標及顆粒級配曲線分別見表2和圖5。

表2 土石混合體基本物理指標Table 2 Basic physical parameters of soil-rock mixture

圖5 土石混合體顆粒級配曲線Fig.5 Granulometric curves of the tested soil-rock mixture

由土力學知識及前人相關研究可知［3，7］，粗粒土滲透系數主要與其低于5 mm粒徑的顆粒含量(P5含量)、密度、顆粒形狀等因素有關。同時，具體到本文土石混合體構成的滑坡，滑體和滑帶土的形成機理、物質來源不同，滲透系數也會不同。考慮以上各種因素，對滑體和滑帶處試驗所得滲透系數結果的差異原因作以下分析。

由顆粒分析試驗結果可以分別求出滑體土的不均勻系數Cu為21.7，曲線的曲率系數為Cc為2.08;滑帶土的不均勻系數 Cu為49，曲率系數 Cc為2.04。本文選擇曲率系數Cc來評定土的顆粒級配，原因是文獻［3］和文獻［7］都認為不均勻系數Cc能反映出顆粒組成曲線的特征，適合評價土的顆粒級配。由試驗結果可知，滑體和滑帶試驗土的曲率系數值非常接近，這說明兩者級配相似。但是，兩者的不均勻系數Cu之間的差別又反映出滑體和滑帶土內粗、細顆粒的含量相差較大:由級配曲線可知，滑體處P5含量為30.4%，滑帶處P5含量為45.6%，滑帶土中P5含量明顯要大于滑體處。文獻［7］認為當細料含量小于30%時，填不滿粗料的孔隙，因此對滲透系數起控制作用的是粗料的滲透性。當細料含量大于30%時，混合料的孔隙開始與細料發(fā)生密切關系，從而滲透系數減小。由此可看出，滑帶土中的P5含量高于滑體，且在混合料占45.6%含量，因而相比滑體細料對滲透系數起主要控制作用。且從兩者低于5 mm的顆粒曲線的形狀來看，滑帶土級配連續(xù)性相比滑體處也要好。這兩個方面綜合影響使得滑體處滲透系數大于滑帶處。

密度也是影響土石混合體滲透性能的一個重要因素，因為密度在一定程度上可以反映土中的孔隙率e的大小，而文獻［3］指出孔隙率e對滲透系數的影響也是很顯著的。從原位密度來看，滑體處要大于滑帶處。但從現場所做原位密度試驗來看，由于滑體處所含碎塊石無論在尺寸和數量上都要大于滑帶處試樣，造成前者原位密度要略大于后者。但正由于滑體處所含碎塊石要大于滑帶處試樣，且細顆粒含量少，顆粒間孔隙率高，導致滲透系數也大于滑帶處。

滑體和滑帶土的形成機理和物質來源不同使得兩者的顆粒形狀及物質成分也不同。張家發(fā)等［8］認為顆粒形狀會影響顆粒之間的接觸關系和填充關系，當然也就會影響孔隙的形狀和大小，從而影響到其中的水流運動。該滑坡屬于一古滑坡，早期的高速滑動使得滑體部分為堆積的一套玄武巖與陽新灰?guī)r混雜的塊碎石層，結構松散且顆粒棱角性大?；瑤翞榧毩Ｍ?、碎石和碎屑組成，顆粒的棱角性小于滑體。而土中顆粒的棱角性越大，滲透系數也越大［9］。從兩者的物質來比較，滑體土結構松散，而滑帶土擠壓緊密，滑帶的原巖為泥頁巖，透水性也較小。兩個方面的綜合作用使得滑體處滲透系數要大于滑帶處。

5 結論

(1)利用改進的雙環(huán)注水試驗設備進行野外現場試坑注水試驗，得到了滑體和滑帶處土石混合體的滲透系數，結果較為準確。實踐表明，改進的雙環(huán)實驗設備具有諸多優(yōu)點，尤其適合于高山峽谷地區(qū)土石混合體的現場滲透試驗。

(2)試坑雙環(huán)注水試驗結果表明，滑體和滑帶滲透系數都較大，與無黏性粗粒土的滲透系數相近，并且滑體處滲透系數為滑帶處3～4倍。結合室內顆粒分析試驗研究表明，相比滑帶，滑體土中的P5含量低、顆粒棱角性大、結構較松散是導致其滲透系數高于滑帶的主要原因。

［1］徐文杰，胡瑞林.土石混合體概念、分類及意義［J］.水文地質與工程地質，2009，(4):50 －56.(XU Wen-jie，HU Rui-lin.Conception，Classification and Significations of Soil-Rock Mixture［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2009，(4):50 －56.(in Chinese))

［2］徐文杰，王永剛.土石混合體細觀結構滲流數值試驗研究［J］.巖土工程學報，2010，32(4):542 －550.(XU Wen-jie，WANG Yong-gang.Meso-structural Permeability of S-RM Based on Numerical Tests［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(4):542 －550.(in Chinese))

［3］周 中，傅鶴林，劉寶琛，等.土石混合體滲透性能的正交試驗研究［J］.巖土工程學報，2006，28(9):1134－1138.(ZHOU Zhong，FU He-lin，LIU Bao-chen，et al.Orthogonal Tests on Permeability of Soil-Rock-Mixture［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(9):1134 －1138.(in Chinese))

［4］顧金略，李 曉，李守定，等.伺服控制土石混合體壓力滲透儀研究［J］.工程地質學報，2009，17(5):711－716.(GU Jin-lue，LI Xiao，LI Shou-ding，et al.Development of Servo-control Rock and Soil Aggregate Permeability Tests Apparatus［J］.Journal of Engineering Geology，2009，17(5):711 －716.(in Chinese))

［5］徐 楊，高 謙，李 欣，等.土石混合體滲透性現場試坑試驗研究［J］.巖土力學，2009，30(3):855 －858.(XU Yang，GAO Qian，LI Xin，et al.In-situ Experimental Study of Permeability of Rock and Soil Aggregates［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(3):855 －858.(in Chinese))

［6］SL345—2007，水利水電工程注水試驗規(guī)程［S］.北京:中華人民共和國水利部，2007.(SL345—2007，Code of Water Injection Test for Water Resources and Hydropower Engineering［S］.Beijing:Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China，2007.(in Chinese))

［7］劉 杰.土的滲流穩(wěn)定與滲流控制［M］.北京:水力電力出版社，1992:1－20.(LIU Jie.Seepage Stability and Seepage Control of Soil［M］.Beijing:China Water Power Press，1992:1 －20.(in Chinese))

［8］張家發(fā)，焦赳赳.顆粒形狀對多孔介質孔隙特征和滲流規(guī)律影響研究的探討［J］.長江科學院院報，2011，28(3):39 －44.(ZHANG Jia-fa，JIAO Jiu-jiu.Influence of Grain Shape on Characteristics of Pores and Seepage in Porous Media［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(3):39 －44.(in Chinese))

［9］TICKELL F G，HIATT W N.Effect of Angularity of Grains on Porosity and Permeability of Unconsolidated Sands［J］.AAPG Bulletin，1938，22(9):1272－1274.