堆石壩墊層料滲透性現(xiàn)場檢測的研究

邢 貴

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

0 引言

混凝土面板堆石壩壩體主要采用砂礫石填筑，多用當(dāng)?shù)夭牧?，施工效率高，已成為蓄水工程普遍采用的重要壩型。滲透破壞是面板堆石壩的主要破壞形式，出現(xiàn)的主要原因是壩體密實度欠佳及其接合體抗?jié)B性能不足。

在面板完好的條件下，堆石壩壩體的滲透穩(wěn)定性很容易滿足要求。一旦面板止水破損和面板失效的不利條件下，墊層料是限制滲流進(jìn)入壩體的第二道防線，對壩體整體滲流控制影響較大、出現(xiàn)缺陷后的事故造成的危害和社會影響也很大，滲透系數(shù)的測定一般采用原位滲透[2]和室內(nèi)滲透試驗，對堆石壩墊層料填筑過程中，室內(nèi)試驗檢測時間過長[6]，因此通過對現(xiàn)行原位滲透檢測的研究和優(yōu)化，有利于及時發(fā)現(xiàn)壩體填筑過程中的異常，既可以豐富巖土工程學(xué)科的科學(xué)理論，又為將來的混凝土面板堆石壩建設(shè)實時監(jiān)測提供理論和試驗依據(jù)。

由于新時代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、施工工藝和碾壓機械不斷推陳出新，現(xiàn)行土石壩的原位滲透主要依據(jù)《土工試驗規(guī)程原位滲透試驗》（SL237-042-1999）進(jìn)行試驗，由于現(xiàn)場試驗條件有限，安裝及試驗操作時勞動強度大，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗和科學(xué)研究成果，本文在試坑滲水法的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙環(huán)法，提出一種相對簡易的試驗方法，以提高檢測效率，豐富堆石壩滲流及滲透穩(wěn)定性的試驗研究。

1 檢測原理討論

國內(nèi)外學(xué)者對砂礫石滲透性做了很多研究，達(dá)西定律提出了滲透系數(shù)的概念，為研究土石壩原位滲流理論奠定基礎(chǔ)。劉杰的研究表明滲透破壞的主要影響因素為顆粒分析及密實度，砂礫石料的滲透系數(shù)大小主要取決于粒徑小于0.1 mm的顆粒含量[4]?，F(xiàn)場滲透系數(shù)的測定以抽水、注水試驗測定結(jié)果較為可靠。由于設(shè)備復(fù)雜，耗費大，目前SL237-042-1999列出現(xiàn)場試坑滲水法，是原位滲透的主要檢測方法[3]。現(xiàn)行規(guī)范以保持內(nèi)環(huán)水面不變確定，在采用固定水位方法時，供水桶計量精度較小，測定過程中明確需標(biāo)記水平面，保障供水量，檢測過程繁瑣，因為內(nèi)環(huán)水位變化，需對計算滲流量進(jìn)行修正，滲透流量應(yīng)等于供水瓶的供水量加內(nèi)環(huán)水位變化量[1]。另外結(jié)合資料研究，在粗粒土和堆石檢測中，當(dāng)滲流速度大于1～2 cm/s時，滲流一般不符合達(dá)西定律[5]。在滲流方面多數(shù)土石料滲流流速與水力坡降呈線性關(guān)系，可用達(dá)西定律反映滲透特征并確定滲透參數(shù)；而對孔隙大、流速大的粗顆粒土石料，滲透流速和水力坡降呈非線性關(guān)系，不符合達(dá)西定律。

粗粒土的原位滲透檢測方法主要有實測流速法（色素法、電解質(zhì)法、食鹽法）注水法、抽水法（降低水位法:平衡法、不平衡法）、水位恢復(fù)法、試坑試驗法、單環(huán)試驗法、雙環(huán)試驗法等。與室內(nèi)試驗相比，現(xiàn)場的原位試驗在保持原狀土特性方面有著無可比擬的優(yōu)點。為更簡易方便地檢測墊層料的滲透性，本項目通過優(yōu)化試坑滲水法，在降低特定水面前提下，計算滲透流量，通過水面高度限制，減少了不同水面高度降落帶來的誤差值。為了便于觀測坑內(nèi)水位，在坑底要設(shè)置一個標(biāo)尺，雙環(huán)的設(shè)置一定程度排除了側(cè)向滲流帶的誤差，內(nèi)外環(huán)之間滲入的水，主要是側(cè)向散流及毛細(xì)管吸收，而內(nèi)環(huán)則是測試粗粒土層在垂直方向的實際滲透。測定單位時間內(nèi)從坑底滲入的水量Q，除以坑底面積A，即得出平均滲透速度 v=Q/F。達(dá)西定律是滲流中最基本的定律，其清楚地表明了滲流速度與水力坡降成正比的關(guān)系。當(dāng)坑內(nèi)水柱高度不大（約等于10 cm）時，可以認(rèn)為水頭梯度近于 1，結(jié)合SL237-042-1999，滲透系數(shù)近視值計算擬采用下列公式計算:

式中:kh20——水溫為20℃時的滲透系數(shù)，cm/s;

ηT——水溫為T℃時水的動力粘滯系數(shù)，kPa·s（10-6）；

η20——水溫為20℃時水的動力粘滯系數(shù)，kPa·s（10-6）；

h1——起始水頭，cm；

h2——終止水頭，cm；

t——時間，s。

2 試驗方法

2.1 試驗區(qū)概況

本次試驗區(qū)確定在山西某調(diào)蓄水庫進(jìn)行，該混凝土面板堆石壩墊層料采用裝載機裝料、20 t自卸汽車運輸上壩、后退法卸料，反鏟機配合推土機攤鋪，鋪料厚度約45 cm，10 t灑水車加水，加水量約5%，攤鋪平整后動平碾錯距法碾壓，碾壓方向平行于壩軸線，振動平碾行駛速度為2～3 km/h，碾壓遍數(shù)為6遍，錯距為1/6碾寬；各碾壓段之間搭接不小于1.0 m，壓實厚度約40 cm。試驗區(qū)設(shè)在接近壩頂?shù)膲|層區(qū)，在該檢測區(qū)范圍內(nèi)分別進(jìn)行了干密度、含水率、顆粒級配及原位滲透的檢測。根據(jù)墊層料的粒徑特征，并依據(jù)SL237-1999，干密度采用灌水法，含水率采用烘干法，顆粒級配采用篩析法進(jìn)行檢測，原位滲透試驗采用優(yōu)化后的試坑滲水法，下面介紹具體的試驗方法。

2.2 原位滲透檢測的人員設(shè)備

操作人員經(jīng)培訓(xùn)合格，掌握檢測儀器的安裝與使用，能夠準(zhǔn)確記錄原始數(shù)據(jù)，實際操作效果良好。

檢測的儀器設(shè)備包括鋼環(huán)、天平、量筒、溫度計、水桶及鋼直尺等，經(jīng)校準(zhǔn)滿足要求。參考SL237-042-1999，試驗采用現(xiàn)場加工的鋼環(huán)，內(nèi)環(huán)直徑為22.6 cm，高為15.0 cm。外環(huán)直徑為46.0 cm，高為15.0 cm。溫度計量程采用0～50℃，鋼直尺量測采用0～30 cm，最小刻度0.5 mm?，F(xiàn)場原位滲透檢測前應(yīng)校準(zhǔn)儀器，確保數(shù)據(jù)可靠性。

2.3 原位滲透試驗步驟

1）在試驗區(qū)布置開挖面積不小于1.0 m×1.5 m的試坑，在坑底再下挖一直徑約等于外環(huán)，深約10 cm的試坑，整平坑底。

2）把大小鋼環(huán)細(xì)心放入試坑，形成同心圓，鋼環(huán)入土深度至環(huán)上的起點刻度，兩環(huán)上緣應(yīng)在同一水平面上（如圖1鋼環(huán)安裝）。安裝鋼環(huán)時，防止土的變形，擾動過大需重新挖坑另作。

圖1 鋼環(huán)安裝

3）在兩環(huán)底部均鋪以約2 cm厚的礫石層，垂直安放鋼直尺緊貼環(huán)壁，量取一定水量開始供水，內(nèi)外環(huán)初始供水比例為1∶3，盡量控制環(huán)內(nèi)水柱保持在10cm高度上，直進(jìn)行到滲入水量Q相對穩(wěn)定后，在內(nèi)環(huán)及兩環(huán)間隙內(nèi)注入清水至環(huán)上的預(yù)定開始刻度（約10.5 cm），注水同時開動秒表，并測量水溫T。

4）內(nèi)環(huán)及兩環(huán)間隙從環(huán)上的預(yù)定開始水頭h1（約10.5cm）開始靜置，到達(dá)預(yù)定的終止水頭h2（約9.5cm），記錄下開始時間t1及終止時間t2。每次到達(dá)終止水頭h2時，加入一定水量，到達(dá)預(yù)定開始水頭h1。加水時間應(yīng)控制在10～15 s，如此連續(xù)測定數(shù)次，直至流量穩(wěn)定為止。試驗中，為保持內(nèi)外筒間的水位高度，向外筒內(nèi)的供水量要大于內(nèi)筒的供水量（如圖2立尺觀測）。

圖2 立尺觀測

5）從水量達(dá)到穩(wěn)定后，連續(xù)測量至少5次，分次記錄滲水開始終止時間及水位和水溫T。試驗結(jié)束后，拆除儀器。取5個在允許差值范圍（10%）以內(nèi)的數(shù)據(jù)的平均值作為計算值。

3 成果整理

3.1 實驗現(xiàn)象

通過對原位滲透試驗觀察發(fā)現(xiàn)，水在具有一定防滲特性顆粒級配的墊層料中的滲流大體分三個階段。

1）初滲期:在加水開始前15～20 min是入滲速率快速下降的時段。入滲水沿墊層料孔隙開始下滲，在整個滲流路徑呈現(xiàn)漸變趨勢。

2）穩(wěn)滲期:當(dāng)入滲時間超過大概20 min，進(jìn)入了相對穩(wěn)定入滲階段，隨測點不同，入滲率可以保持在0.003～0.005 mm/s之間，這個期間，墊層料的孔隙狀態(tài)沒有發(fā)生變化，本次檢測進(jìn)行滲透系數(shù)測定采用此階段。

3）擴散期。加水時間超過80 min后，入滲速率出現(xiàn)增大，孔隙狀態(tài)發(fā)生變化，入滲水?dāng)y帶細(xì)顆粒開始發(fā)現(xiàn)位移，有些滲出部位隨顆粒沉積堵塞，有些孔隙被入滲水沖移充填物，擴散至周邊孔隙率大的地方。

試驗現(xiàn)象觀察是準(zhǔn)確檢測墊層料滲透特性的重要資料，當(dāng)擴散期出現(xiàn)過早，應(yīng)安排相應(yīng)的專門試驗進(jìn)行分析，必要時可使用示蹤劑，進(jìn)行鉆孔或挖坑驗證。

3.2 結(jié)果分析

項目組按照試驗的標(biāo)準(zhǔn)要求，在兩個不同部位分別進(jìn)行試驗檢測10次，原位滲透檢測結(jié)果詳見表1。

表1 墊層料原位滲透檢測匯總表

3.2.1 異常值的判別和剔除

原位滲透試驗需進(jìn)行大于5次的重復(fù)觀測，在檢測過程中，記錯、讀錯、初期不穩(wěn)定滲流等異常情況引起的已知原因的異常值，應(yīng)該隨時發(fā)現(xiàn)，隨時剔除。理論上，入滲流速在初滲期過渡至穩(wěn)滲期的過程中，滲透系數(shù)隨時間遞減，為了使試驗成果更可靠，應(yīng)進(jìn)行異常值的判別和剔除，這樣只是為了可以保證檢測值至少進(jìn)入緩變期，把試驗誤差控制在一定范圍。

本次檢測采用格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行異常值的判別和剔除。在測量次數(shù)大于50的情況下，一般采用3σ準(zhǔn)則較簡便，但在GB/T 4388-2008《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》中已不采用此方法；3＜n＜50的情況下，格拉布斯準(zhǔn)則效果較好，尤其適用于單個異常值[7]。

本次檢測次數(shù)n=20，算術(shù)平均值:

最大值為 5.84×10-3cm/s，最小值為 3.40×10-3cm/s，其中最大值與平均值差值最大的為可疑值，則=2.14。

初步給定的包含概率為p=0.95，即顯著性水平為ɑ=0.05，在GB/T 4388-2008的表A.2中查出臨界值G0.95（20）=2.557，判斷5.84×10-3不是異常值。

采用格拉布斯準(zhǔn)則的方法可以對試驗結(jié)果測值的有效性進(jìn)行初步判別，剔除異常值，保障試驗的準(zhǔn)確性。

3.2.2 檢測結(jié)果

一切測量結(jié)果都不可避免地具有不確定度[8]。通過評定與表示不確定度可以提供測量結(jié)果進(jìn)行比較的基礎(chǔ)，積累該檢測方法相應(yīng)的大數(shù)據(jù)庫。一般給出的檢測結(jié)果是修正測量結(jié)果，抑或平均值，在測量結(jié)果的完整表述中，應(yīng)包括測量不確定度，必要時還應(yīng)說明相關(guān)影響量的取值范圍。測量結(jié)果可以理解為最佳估計值，而不確定度表現(xiàn)了被測量之值的分散性，但不確定度評定時也必須剔除測量結(jié)果中的異常值[8]。根據(jù)墊層料原位滲透實際情況分析，不確定度來源較復(fù)雜，結(jié)果為滲透系數(shù)的近視值，故僅進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定方法。經(jīng)計算，由測量重復(fù)性導(dǎo)致的最佳估計值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

此次檢測墊層料的滲透系數(shù)近似值的試驗結(jié)果為:最佳估計值4.53×10-3cm/s，標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.14×10-3cm/s。

經(jīng)檢測試驗區(qū)的現(xiàn)場干密度為2.35 g/cm3，含水率7.5%，設(shè)計上限、下限及檢測結(jié)果的顆粒級配檢測曲線見圖1。

圖1 設(shè)計上限、下限及檢測結(jié)果的顆粒級配檢測曲線

經(jīng)檢測，該試驗區(qū)的干密度、顆粒級配均符合設(shè)計要求。原位滲透的判定依據(jù)混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范SL228-2013的5.5.1規(guī)定:嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的面板堆石壩墊層料壓實后的滲透系數(shù)宜為1×10-2至1×10-3。故檢測墊層料的近似值試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4 討論

通過試驗和分析，總結(jié)出以下幾點結(jié)論:

1）原位滲透檢測時，檢測數(shù)據(jù)必須來源于滲透穩(wěn)定期，該時期滲透特征穩(wěn)定，具有檢測可行性。因此進(jìn)行試驗現(xiàn)象觀察記錄、異常值剔除及不確定分析數(shù)據(jù)均是反映墊層料滲透特性的結(jié)果資料，需同報告及原始記錄一起歸檔。檢測布點應(yīng)針對研究區(qū)平均布點，盡可能多組試驗，建議對需檢測填筑層做兩組試驗作為參考，確保試驗結(jié)果的穩(wěn)定性及精確度。

2）墊層料在限定的試驗條件下（水柱高度約等于10 cm），滲透系數(shù)近似值采用滲透流速的形式，分析滲透特征，只是籠統(tǒng)體現(xiàn)材料的滲透性，以提高填筑過程中滲透性檢測的時效性。準(zhǔn)確分析粗粒土的滲透系數(shù)，需進(jìn)一步分析邊界條件、滲透坡降等相關(guān)影響因素。本文通過優(yōu)化的試坑滲水法，采用降水頭注水試驗可以縮短試驗時間，具有簡易快捷的特點，但還需要積累更多的實地數(shù)據(jù)資料對其系統(tǒng)地深入研究。