含管狀孔隙黏性土滲透性試驗研究

魏常琦

摘要：黏性土在水利工程建設中常被認為是不透水層或隔水層，其滲透性多為弱透水或微透水，若黏性土發(fā)育有較多管狀孔隙，其土體結構將會發(fā)生變化，滲透性也會改變。含管狀孔隙黏性土常發(fā)育在山前洪積扇的前緣。受目前鉆孔內取土樣設備所限，土樣采取時對管狀孔隙結構破壞嚴重，室內制環(huán)刀樣時容易對管狀孔隙造成破壞或堵塞，不能得到含管狀孔隙黏性土真正的滲透系數。為正確認識含管狀孔隙黏性土的滲透性，采取了多種室內和室外滲透試驗手段，并經過反復對比分析，觀察到其滲透性等級多為中等透水，明顯大于一般意義上的黏性土，并且其滲透具有方向性，經抽水試驗分析驗證，在垂直方向的滲透性要遠大于水平方向的滲透性。

關鍵詞：管狀孔隙：黏性土;滲透試驗;滲透性能

中圖分類號：TU4II;TU413

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.05.03l

1 研究背景及意義

黏性土層在水利工程建設中常被作為不透水層或隔水層，但若黏性土層中出現了較多管狀孔隙，其滲透性會發(fā)生變化。近年來，在某些水利工程勘察及施工開挖后均發(fā)現了含管狀孔隙黏性土，其不僅發(fā)育在淺表層土體當中，在深度達40 m的土體中仍見有管狀孔隙發(fā)育。管狀孔隙在土體中的分布范圍之廣，發(fā)育深度之大，已改變了工程場區(qū)的水文地質條件[1-3]。由于其滲透性的變化可能引起一系列的工程地質問題，若在前期的勘察設計階段不能夠很好地認識這類土的滲透性，且對這類土所引發(fā)的工程地質問題沒有采取有效的處理措施，將會直接影響到工程施工的進度、費用，甚至影響到工程效益、工程安全，因此，找到含管狀孔隙黏性土的分布規(guī)律，并確定工程場區(qū)含管狀孔隙黏性土的滲透性質非常必要。

一般情況下，黏性土的滲透系數主要是通過現場鉆孔內取原狀土樣，并進行室內滲透試驗而得到。采取原狀土樣進行室內滲透試驗時，用環(huán)刀切土樣易對含管狀孔隙黏性土中的管狀孔隙造成破壞或堵塞，使測得的滲透系數與真實值相差很大，不能得到含管狀孔隙黏性土真正的滲透系數。本文采用多種測試方法，分別對含管狀孔隙黏性土的滲透性進行了試驗，對其發(fā)育成因和滲透性質進行分析和研究。

2 管狀孔隙發(fā)育成因分析

一般來說，土壤中孔隙的成因主要有生物因素及自然氣候變化等。生物因素為動物孔隙和植物根孔，動物活動形成的孔隙直徑一般較大，一般為1- 50mm，且導水性能強。植物根系孔徑一般較小，一般為0.5 - 2.5 mm.約8%的孔徑大于4.5 mm。另外，黃土的本質特征之一是具有孑L隙，根孔、蟲洞和裂隙等是黃土中最常見的大孔隙類型。

近些年，在焦作、濟源等地的某些水利工程施工開挖后，在黏性土層中均發(fā)現了管狀孔隙。鑒于此，從地形地貌、地層結構的角度分析管狀孔隙的成因，為研究管狀孔隙的形成提供了一個思路。該類工程所在區(qū)域地貌上多為低山丘陵區(qū)與沖洪積平原的過渡地帶。場區(qū)內的地質結構為上黏性土、下粗粒土二元結構，上部主要為第四系全新統及上更新統褐黃色、褐紅色重粉質壤土，呈可塑一硬塑狀，土體表面局部呈蜂窩狀，多發(fā)育近垂直向管狀孔隙，如圖1所示，且層與層之間連通較好，該層厚約30 m;場區(qū)下部為第四系上更新統砂卵石，呈密實狀，次圓一渾圓狀，卵石含量約為60%，少量泥質充填，厚約Sm。

為查明某工程場區(qū)地下水位埋深以及壤土層與砂卵石層之間的水力聯系，在場區(qū)內布置了水文試驗鉆孔，首先測得鉆孔內①層重粉質壤土中水位埋深，然后鉆至②層砂卵石后，在鉆孔中采用分層止水的方法，測得砂卵石層中承壓水位埋深，結果見表1，

從表1中可以看出，各鉆孔內①層重粉質壤土中的穩(wěn)定水位與采取分層止水后測得套管內②層砂卵石中的承壓水位埋深基本一致，說明重粉質壤土中的地下水主要受下部砂卵石層中的承壓水垂直向補給?？紤]到工程場區(qū)位于山前洪積扇的前緣，為地下水的排泄區(qū)，地質結構為上部含管狀孔隙的重粉質壤土和下部砂卵石的二元結構，下部砂卵石層中地下水具有承壓性，對上部重粉質壤土不斷產生頂托補給作用，隨著水壓力的持續(xù)增加，上部黏性土土體結構發(fā)生變化，將在土體中產生排泄通道，釋放承壓水頭，排泄通道即形成重粉質壤土中的豎向管狀孔隙。結合現場調查發(fā)現，在水利工程開挖的基坑邊緣排水溝內出現了地下水沿重粉質壤土層中管狀孔隙自流溢出的現象，在場區(qū)附近低洼處的河溝及水井內有較多呈點狀涌出的小泉眼，均是承壓水沿著重粉質壤土中的管狀孔隙滲流溢出的結果。

3 土體的滲透性試驗及評價

為進一步研究該類含管狀孔隙黏性土的滲透性，根據相關技術規(guī)范要求，分別對其進行了室內滲透試驗和現場注水、抽水試驗。其中對淺部包氣帶土層進行現場單環(huán)注水試驗和大型試坑滲水試驗，對深部土體進行鉆孔注水及抽水試驗，經統計計算分別獲得了這種土的滲透系數[4-9]。

3.1 室內滲透試驗及結果分析

3.1.1 常規(guī)室內滲透試驗

根據場區(qū)內布置水文地質試驗孔揭露的地質情況，在黏性土層中均發(fā)現有管狀孔隙發(fā)育，對鉆孑L內不同深度取得的簡裝樣，均嚴格依據《土工試驗規(guī)程》（ SL 237-1999）的規(guī)定進行了土樣制備和滲透試驗，并根據公式計算其滲透系數，試驗結果見表2。

3.1.2 改進制樣方法的室內滲透試驗

為了對比常規(guī)室內滲透試驗的結果，在場區(qū)內開挖豎井取I級土樣，對豎井內含管狀孔隙黏性土層（2-6 m深度范圍）采樣，共采集6塊方塊樣，邊長均為20 cm。室內制樣過程中對滲透試驗環(huán)刀兩端先預留1 cm厚土，然后用修土刀垂直下切薄層（小于5mm）剝離，局部采用鋼針進行了挑毛，后清理表層土屑，盡可能保持土樣原有管狀孔隙的通透性，見圖2，并對環(huán)刀側壁擾動的土樣進行處理，對數據進行修正。各土樣垂向滲透試驗結果見表3。

3.1.3 室內試驗結果對比分析

根據兩次室內試驗的結果對比，改進試驗方法后，所取I級方塊樣測得垂向滲透系數約為鉆孔巖芯土樣滲透系數的100倍，滲透性等級由弱透水變?yōu)橹械韧杆?。經進一步分析，常規(guī)滲透試驗滲透系數結果偏小的原因主要有兩方面：一是受目前鉆孔巖芯取土設備所限，土樣在鉆孔內采取時，其受擠壓擾動較大，對管狀孔隙結構破壞嚴重;另一方面《土工試驗規(guī)程》規(guī)定切土時削土刀與環(huán)刀平面呈300角，切土過程中有涂抹現象，堵塞了環(huán)刀試樣上下表面分布的管狀孔隙，從而導致了含管狀孔隙黏性土滲透性受到極大的影響。

3.2 現場單環(huán)注水試驗

考慮到場區(qū)內含管狀孔隙黏性土滲透系數偏大，根據工程區(qū)內不同的地貌單元，在地下水位以上的重粉質壤土中選取了6個試坑單環(huán)注水試驗點。單環(huán)直徑為35.7 cm，面積0.1 m²，單環(huán)注水試驗嚴格按照《水利水電工程注水試驗規(guī)程》（ SL 345-2007）要求進行[10-11]，并在圓形試坑開挖過程中，充分保護試坑底部管狀孔隙不被堵塞和涂抹。從所挖試坑斷面上看，管狀孔隙比較發(fā)育，孔徑多為0.05 - 0.50 cm，分布間距0.5 -3.0 cm，見圖3。

在注水試驗過程中，可以明顯看出單環(huán)內水流沿著坑底管狀孔隙不斷滲入，在一些大的管狀孔隙上還形成有小旋渦，注水試驗結果見表4。

3.3 現場鉆孔注水試驗

為進一步查明場區(qū)地下水位以下的深部土體孔隙發(fā)育情況和滲透性等級，根據《水利水電工程注水試驗規(guī)程》，在6個水文地質試驗孔不同深度范圍內分別進行了鉆孔常水頭注水試驗。根據鉆孔揭露情況可見，在深部重粉質壤土層中管狀孔隙仍較為發(fā)育，見圖4。

根據《水利水電工程注水試驗規(guī)程》計算試驗段土層的滲透系數（結果見表5）。式中：k為試驗巖土層滲透系數，cm/s;Q為注人流量，L/min;H為試驗水頭，cm，等于試驗水位與地下水位之差;A為形狀系數，cm。

3.4 現場鉆孔抽水試驗

根據《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》（SL320-2005），在水文地質鉆孔中進行3個降深的單孔抽水試驗，并對砂卵石與重粉質壤土中的地下水位進行了分層觀測。根據《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》潛水非完整孔的公式計算滲透系數（結果見表6）。

3.5 現場大型試坑滲水試驗

根據《土工試驗規(guī)程》，試坑法滲水試驗是野外測定包氣帶非飽和（巖）土層滲透系數的簡易方法。為模擬工程開挖后含管狀孔隙黏性土的滲透性，在場區(qū)內挖3處試坑，坑底均高出潛水位3-5 m，然后向試坑內均勻注水，使試坑中的水位始終高出坑底一定高度，并在坑內設置標尺，以觀測坑內水位變化情況，測定單位時間內注入試坑的水量Q，近似計算試驗土層的滲透系數。

當試坑坑壁四周無防滲措施時

F=（L+2z）（B+2z）

（4）式中：F為試坑滲透面積，cm²;L為試坑長度，cm;B為試坑寬度，cm;z為試驗水深，cm。

平均滲透速度v=Q/F，當坑內水位保持不變時，可以認為水力梯度近于1，因而滲透系數k=v。這種求解方法因為受側向滲透的影響較大，所以所測綜合滲透系數精度稍差。當試坑足夠大時，側滲影響可忽略不計，測得的滲透系數可認為是垂向滲透系數。

本次共設置3個大型試坑，見表7，其中：1#、2#試坑規(guī)模較小，坑內水深稍淺，3#試坑尺寸和試驗水深均遠大于前兩個試坑。

3#超大型試坑滲水試驗能較好地模擬實際工程的滲漏條件，所獲得數據接近試驗土層的綜合滲透系數。本次試驗對根孔、蟲孔發(fā)育的上部土壤層均未作為測試土層，以排除試驗數據的離散性，各試坑滲水試驗測試時間為8h，試驗結果見表7。

3.6 滲透試驗結果匯總分析

匯總以上幾種試驗的結果，見表8。對黏性土進行常規(guī)取樣和室內試驗時，沒有考慮其具有管狀孔隙結構，在取樣時巖芯常受到機械擠壓擾動，管狀孔隙結構多被破壞?，F場技術人員由于沒有引起足夠的重視，或僅把它當成普通的針狀孔隙來考慮，因此在進行室內滲透試驗時，制作環(huán)刀樣也就沒有考慮管狀孔隙的因素。制樣的過程中所產生的“抹涂”效應堵塞了部分管狀孔隙，使所測得的滲透系數和一般的黏性土沒有很大差別，其滲透性等級常為弱透水。而現場采取的方塊樣和鉆孔內注水、抽水試驗避免了對土體管狀孔隙結構的破壞，土體擾動較小，滲透性等級多為中等透水性[12]?，F場單環(huán)注水試驗受試驗裝置影響，試驗環(huán)外用黏土填實可能不夠擠密，部分滲透性等級為強透水性。現場大型試坑滲水試驗受施工機械影響，坑底及側壁管狀孔隙被擾動破壞，滲透系數略小。

4 管狀孔隙發(fā)育方向性研究

為進一步查明含管狀孔隙黏性土體在水平方向上孔隙的發(fā)育情況，在現場基坑內選取了3個管井進行抽水試驗[13-15]。管井深約12 m，內徑38 cm，外徑50cm，整個井身均位于含管狀孔隙的重粉質壤土層中。在這3個管井周圍平行和垂直于地下水水流方向分別布置2個觀測井，圖5為J4管井與觀測井（J4PI -J4P4）的平面位置示意圖。

在試驗過程中，當管井抽水流量穩(wěn)定至2.5 xl0^-3m²/s時，持續(xù)一段時間后分別對抽水管井和觀測井內地下水位進行測量。當抽水管井水位降深8m，而距抽水管井2m的觀測孔降深僅為1m時，其水位降深曲線見圖6，另外兩個管井及觀測井水位降深曲線與圖6相似。

根據之前的現場注水試驗結果，含管狀孔隙黏性土的滲透性相當于粉細砂的滲透性，而粉細砂的影響半徑R經驗值為50-75 m，按50 m考慮，抽水井抽水量達到2.5xl0^-3m³/s時，水位降深為8m，距其2m的觀測井水位降深應達到5-6 m。而根據這次管井抽水試驗數據，距其2m的觀測井實際降深僅為1 m。說明黏性土中的管狀孔隙發(fā)育具有一定的方向性，其垂直方向上孔隙發(fā)育要遠大于水平方向的，因此使得這類土的滲透性也同樣具方向性，垂直方向滲透性能遠遠大于水平方向的滲透性能。

5 結語

通過對含管狀孔隙黏性土進行室內滲透試驗，并在室外對淺部包氣帶土層進行現場單環(huán)注水試驗和大型試坑滲水試驗，對深部土體進行鉆孔注水及抽水等試驗，基本掌握了該類土的發(fā)育規(guī)律和滲透性能。其滲透性等級多為中等透水性，并且滲透具方向性，垂直方向滲透性能遠遠大于水平方向的滲透性能。

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【責任編輯張帥】