山區(qū)中小河流清灘料碎石土堤滲流特性探討

張 挺，賈 愷，杜秀忠，黃錦林，孫昌利，余允吉

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

山區(qū)中小河流位置偏遠(yuǎn)，交通不便，若采用傳統(tǒng)的筑堤材料粘性土，則運(yùn)輸成本較高，與此同時(shí)伴隨堤防建設(shè)，當(dāng)?shù)赝嬖诖罅康那鍨┧槭?，而傳統(tǒng)觀念認(rèn)為無(wú)粘性土筑堤風(fēng)險(xiǎn)較高。近年來(lái)隨著清灘料碎石土(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“清灘料”)筑堤技術(shù)研究的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的山區(qū)中小河流采用了這種筑堤材料。 研究前期通過(guò)對(duì)清灘料材料特性的研究[1]，討論了清灘料筑堤的可能性，與此同時(shí)，也在研究清灘料在水位驟降條件下的特性如何。水位暴漲暴落是山區(qū)中小河流的典型特性，短時(shí)內(nèi)的水位急劇變化會(huì)造成堤防內(nèi)滲流場(chǎng)的快速變化，根據(jù)筑堤材料的不同，變化特性也有所不同。

碎石土特性研究方面，董倩[2]等認(rèn)為采用公式估算法評(píng)價(jià)山區(qū)碎石土回填地基的強(qiáng)夯加固效果具有局限性，而單一試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)方法可靠性低、成本高，只有綜合采用瑞雷波、荷載板和動(dòng)力觸探法才是山區(qū)碎石土回填地基經(jīng)濟(jì)、適用、可靠的檢測(cè)評(píng)價(jià)法；王雙等[3]收集92組碎石土滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練并測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為d10是關(guān)鍵粒徑；d50是分界粒徑；張國(guó)棟等[4]認(rèn)為碎石含量與滲透系數(shù)之間關(guān)系符合指數(shù)關(guān)系，顆粒級(jí)配對(duì)滲透特性的影響主要是不均勻系數(shù)和特征粒徑，滲流前后顆粒級(jí)配的變化與水力梯度有關(guān)。

水位降落條件下堤防的非穩(wěn)定滲流特性問(wèn)題已有許多學(xué)者做出了不少成果，段祥寶[5]通過(guò)砂槽模型室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了粉砂、細(xì)砂、黏土等多種材質(zhì)的邊坡在水位降落過(guò)程中的非穩(wěn)定滲流物理過(guò)程，分析了水位降落過(guò)程中上游邊坡的滲流場(chǎng)特點(diǎn)，比較了不同邊坡材料、滲透特性、坡比和水位降落速度的泄水過(guò)程中邊坡滲流場(chǎng)自由面形式和等勢(shì)線變化特點(diǎn)；王民俠[6]用不同公式進(jìn)行了水位下降快慢的判別，提出了水位驟降期壩型調(diào)整和穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)合理性問(wèn)題；詹美禮等[7]研究發(fā)現(xiàn)堤壩模型中各點(diǎn)的吸力不僅與水位變化、各點(diǎn)所處的位置有關(guān)，同時(shí)也受大氣溫度、濕度、蒸發(fā)等外界環(huán)境因素的影響，水位變化因素占優(yōu)還是蒸發(fā)因素占優(yōu)，決定著堤壩非飽和區(qū)負(fù)壓的變化發(fā)展方向；李子陽(yáng)[8]以庫(kù)水位驟變?nèi)^(guò)程為分析工況，基于非穩(wěn)定滲流理論，考慮滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的非線性關(guān)系，研究了典型土石壩工程的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)變化規(guī)律和滲透穩(wěn)定性，并對(duì)壩坡瞬態(tài)抗滑穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。各類(lèi)研究雖多，但針對(duì)清灘料筑堤的研究較少。

本文通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定清灘料堤防的滲透特性，并基于此進(jìn)行水位暴漲暴落條件下堤防滲流場(chǎng)變化的探討。

1 清灘料滲透特性

為了研究清灘料堤防的滲透特性，在韶關(guān)某河道現(xiàn)場(chǎng)取樣(如圖1所示)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹饺忧鍨┝螩u=51.5，Cc=1.09。

該典型樣本Cu>10，屬級(jí)配良好，說(shuō)明土粒不均勻，有足夠的細(xì)土粒去充填粗土粒形成的孔隙，且Cc=1～3級(jí)配良好。上述級(jí)配曲線為本次現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果典型代表，尚有部分取樣Cc<1，表明清灘料具有一定的不均勻性。

測(cè)定清灘料滲透系數(shù)分為兩類(lèi)試驗(yàn)：A類(lèi)試驗(yàn)水流方向自下而上，細(xì)顆粒會(huì)發(fā)生流失，B類(lèi)試驗(yàn)水流自上而下，同時(shí)在下部鋪設(shè)濾網(wǎng)，細(xì)顆粒不易發(fā)生流失，試驗(yàn)如圖3所示。兩類(lèi)試驗(yàn)均為常水頭試驗(yàn)。

從圖3中可以明顯的看到，A類(lèi)試驗(yàn)細(xì)顆粒隨著水流方向向上，進(jìn)入上層水體后水體渾濁，進(jìn)而隨水流由溢流管流出，土體細(xì)顆粒逐漸減少；B類(lèi)試驗(yàn)對(duì)細(xì)顆粒進(jìn)行反濾，保證了清灘料級(jí)配的穩(wěn)定性，上層水體清澈無(wú)砂。

A類(lèi)試驗(yàn)進(jìn)行13組，B類(lèi)試驗(yàn)進(jìn)行9組，結(jié)果如圖4所示，考慮到滲透系數(shù)主要是以量級(jí)進(jìn)行衡量，圖中縱坐標(biāo)采用以10為底的對(duì)數(shù)來(lái)表示。

圖4中可以明顯的看到A類(lèi)試驗(yàn)的結(jié)果位于i×10-1cm/s量級(jí)，B類(lèi)試驗(yàn)的結(jié)果位于i×10-2cm/s量級(jí)，取平均值后，A類(lèi)試驗(yàn)測(cè)得清灘料滲透系數(shù)為2.81×10-1cm/s，B類(lèi)試驗(yàn)測(cè)得清灘料滲透系數(shù)為4.65×10-2cm/s。

從上述試驗(yàn)可以看到，即使細(xì)顆粒不流失，清灘料的滲透系數(shù)也是較大的。

考慮室內(nèi)試驗(yàn)會(huì)受到取樣過(guò)程等影響，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)仍選定韶關(guān)某清灘料堤防，采用探坑注水法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)。試驗(yàn)成果繪制于圖4中，從圖4中可以看到，現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)比B類(lèi)試驗(yàn)降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，其平均數(shù)為2.91×10-3cm/s。

2 清灘料水平允許滲透坡降

目前進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，土體水平允許滲透坡降很多都是參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2016)中的規(guī)定得到，而該規(guī)范并未對(duì)清灘料進(jìn)行規(guī)定和描述，為此進(jìn)行水平滲透試驗(yàn)，研究清灘料堤防的水平允許滲透坡降。

試驗(yàn)在砂槽內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)裝填清灘料，裝填時(shí)分層壓實(shí)，人工修坡至1:2，后逐級(jí)增加上游穩(wěn)壓供水系統(tǒng)的水壓，每級(jí)增加水頭后靜置30 min，待滲流場(chǎng)穩(wěn)定后讀取各測(cè)壓管讀數(shù)。試驗(yàn)得到的平均坡降如表1所示。

從上表1可知，隨著模型平均水力坡降的增加，滲流量逐級(jí)增加。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，土體的滲透系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)的部分測(cè)試結(jié)果較接近，這是填裝時(shí)分層壓實(shí)的結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)筑堤壓實(shí)過(guò)程一致；隨著加載的進(jìn)行，由測(cè)壓管讀數(shù)計(jì)算得到的平均水平滲透系數(shù)也在逐級(jí)增加，直至加載至水平平均水力坡降為0.63，接近極硬粘土的水平允許坡降。這種現(xiàn)象與一般的隨平均水力坡降增加細(xì)顆粒逐漸流失，滲透系數(shù)增大，發(fā)生滲透破壞有著明顯的區(qū)別，這與清灘料的細(xì)顆粒含量及碾壓密實(shí)度有關(guān)。

3 清灘料堤防水位驟降下的滲流場(chǎng)

山區(qū)河流最重要的特點(diǎn)是暴漲暴落，為了研究清灘料堤防在中小河流暴漲暴落條件下的滲流場(chǎng)變化特征，基于前述試驗(yàn)成果，采用有限元進(jìn)行數(shù)值分析。

建立以下堤防剖面進(jìn)行分析計(jì)算(如圖6所示)。

根據(jù)前述試驗(yàn)成果，清灘料在天然狀態(tài)下的滲透系數(shù)大約為10-2cm/s量級(jí)，在現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)狀態(tài)下滲透系數(shù)可達(dá)到10-3cm/s量級(jí)，在室內(nèi)水流壓密狀態(tài)下可達(dá)到10-5cm/s量級(jí)，因此，取兩個(gè)典型值進(jìn)行計(jì)算，小值1×10-4cm/s(介于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)和室內(nèi)壓實(shí)之間)和大值1×10-2cm/s(天然狀態(tài))，分別計(jì)算堤防滲流場(chǎng)的變化；其中當(dāng)滲透系數(shù)為1×10-2cm/s時(shí)，實(shí)際工程中往往采取防滲措施，以貼坡防滲為例進(jìn)行計(jì)算。

水位過(guò)程線采用某實(shí)測(cè)山區(qū)河流洪水過(guò)程線，如圖7所示。

圖7中可知，在洪水暴發(fā)后，水位驟升，9 h處水位上漲4.81 m，隨后水位發(fā)生驟降，16 h處水位降至僅上漲1.4 m，隨后水位逐漸下降，31 h后，水位降落較緩，至63 h處，水位降至上漲0.28 m，基本恢復(fù)原水位，模型中初始水位為堤基以上1.0 m。

注：圖中數(shù)字為暴漲時(shí)間(單位：h)

圖8 水位暴漲暴落堤防浸潤(rùn)線變化示意

從圖8中可知，當(dāng)滲透系數(shù)較小(k=1×10-4cm/s)時(shí)(圖8a)，堤防內(nèi)部的浸潤(rùn)線升降滯后較多，整個(gè)洪水過(guò)程對(duì)堤防的影響范圍較小，浸潤(rùn)線在堤身下游段的位置基本不變；當(dāng)滲透系數(shù)較大(k=1×10-2cm/s)時(shí)(圖8b)，堤防內(nèi)部浸潤(rùn)線升降與河道水位變化進(jìn)度較為接近，且浸潤(rùn)線線形狀相似，當(dāng)河道水位漲至最高水位時(shí)，浸潤(rùn)線接近最高水位穩(wěn)定浸潤(rùn)線，河道水位變化對(duì)堤身影響范圍大，會(huì)影響到整個(gè)壩體；在k=1×10-2cm/s模型中設(shè)置貼坡防滲后(圖8c)，可以看到貼坡防滲有著明顯的作用，顯著降低了浸潤(rùn)線水頭，當(dāng)河道水位暴漲暴落時(shí)，在一定程度上呈現(xiàn)堤防滲透系數(shù)較小時(shí)的特性(圖8a)，有較大的滯后性，且相較圖8b而言，河道水位變化對(duì)堤防影響范圍較小，但是由于貼坡防滲厚度較小，對(duì)堤身水位降低效果有限，其浸潤(rùn)線影響范圍較圖8a還是會(huì)更大。

堤防在圖7所示水位條件下，滲流量如圖9所示。

從圖9中可知：當(dāng)滲透系數(shù)較小(k=1×10-4cm/s)時(shí)(圖9a)，水位暴漲暴落峰值滲流量與最高水位穩(wěn)定滲流量相差較大，暴漲暴落時(shí)滲流量的增加量較??；但是當(dāng)滲透系數(shù)較大(k=1×10-2cm/s)時(shí)(圖9b)，水位暴漲暴落峰值滲流量與其對(duì)應(yīng)最高水位穩(wěn)定滲流量較為接近；設(shè)置貼坡防滲后，整體滲流量明顯下降，但水位暴漲暴落時(shí)，其峰值對(duì)應(yīng)的堤身最大滲流量，均與各自對(duì)應(yīng)的峰值水位在穩(wěn)定滲流時(shí)的滲流量接近。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 清灘料碎石土顆粒粒徑范圍較廣，細(xì)顆粒含量的多少及密實(shí)程度對(duì)整體的滲透系數(shù)影響較大。

2) 清灘料碎石土疏松時(shí)滲透系數(shù)較大，筑堤碾壓密實(shí)后滲透系數(shù)較小，兩者相差約2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3) 清灘料堤防碾壓密實(shí)時(shí)，防滲性能較好，河道水位暴漲暴落時(shí)堤身浸潤(rùn)范圍較小，滲流量較??；當(dāng)碾壓不夠密實(shí)時(shí)，堤防內(nèi)浸潤(rùn)線變化與河道水位變化關(guān)系密切，堤身全范圍均受到影響，設(shè)置貼坡排水后可以有效降低堤身浸潤(rùn)線水位，較少滲流量，但堤身受影響范圍仍然較大，無(wú)論是否設(shè)置貼坡防滲，水位暴漲暴落時(shí),其峰值對(duì)應(yīng)的堤身最大滲流量,均與各自對(duì)應(yīng)的峰值水位在穩(wěn)定滲流時(shí)的滲流量接近。

4) 室內(nèi)試驗(yàn)中清灘料水平最大允許坡降較大，該結(jié)論尚需進(jìn)一步進(jìn)行研究。