華北地區(qū)平原水庫重塑粉質(zhì)黏土滲透性的探究

王華敬，楊 潔，王 坤，張艷青，孫穎君

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省煤田地質(zhì)局，山東 青島 266555)

0 引 言

平原水庫作為一種調(diào)控水資源的有效方式，近年來隨著水資源的綜合管理調(diào)度，建設(shè)力度逐漸加大。由于平原水庫多為封閉多邊形，與山區(qū)丘陵水庫相比較，具有圍壩軸線較長、地質(zhì)條件較差、筑壩土料較差等特點(diǎn)，壩體滲漏是大壩滲漏的主要來源，壩體滲透性偏大部位是局部的[1]，若防滲處理不當(dāng)，滲透破壞則可能導(dǎo)致水庫潰壩，損失更大。因此，滲透性作為工程風(fēng)險(xiǎn)檢測的重要指標(biāo)之一，對平原水庫安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

衡量滲透性的指標(biāo)是滲透系數(shù)，測定方法分為直接法和間接法。間接法利用固結(jié)試驗(yàn)，通過壓縮系數(shù)和固結(jié)系數(shù)間接算出，而由于固結(jié)系數(shù)的影響，使計(jì)算出的滲透系數(shù)存在較大偏差。直接法是通過室內(nèi)試驗(yàn)，或者現(xiàn)場的抽水或注水試驗(yàn)確定?，F(xiàn)場的試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且邊界條件難以界定，除非重大工程，一般用室內(nèi)試驗(yàn)測定。

對于室內(nèi)試驗(yàn)，李珊珊等[2]研究變水頭管橫截面面積、起始水頭高度、記錄水頭高度變化的時(shí)間間隔、溫度等因素對吹填淤泥質(zhì)軟黏土滲透系數(shù)的影響；朱熹文等[3]對淤泥質(zhì)飽和土的滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誤差主要來自水力坡降和邊壁效應(yīng)。

微觀方面，閆小慶[4]用壓汞研究軟土固結(jié)過程中孔隙結(jié)構(gòu)特征與滲流特性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同孔徑范圍的孔隙體積含量與滲透系數(shù)相關(guān)性的強(qiáng)弱不同。王宇[5]和周暉等[6]用分形理論研究黏性土孔隙的微觀特征對滲透性的宏觀影響，砂性土、粉質(zhì)黏土等主要土石壩材料的分維數(shù)越大,孔隙度一般越小，滲透系數(shù)隨著分維數(shù)的增大有增大的趨勢；軟土的孔隙分布分維及孔徑分維隨荷載增大而減小，滲透性隨著孔徑分維和孔隙分布分維值的減小而減小。

主燦等[7]、呂偉華等[8]的現(xiàn)場和室內(nèi)抽水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黏土層變形明顯滯后于承壓含水層水位的變化，含水層系統(tǒng)中弱透水層壓縮性比較大，完成固結(jié)需要很長時(shí)間。很多地區(qū)對地下抽水停止后，地面沉降很長時(shí)間都在繼續(xù)發(fā)展，有的甚至長達(dá)幾十年[9]，這說明在固結(jié)壓力不變的情況下，黏土層中結(jié)構(gòu)的變化歷時(shí)較長，導(dǎo)致孔隙比、滲透系數(shù)等的變化。相關(guān)的規(guī)范[10,11]對于重塑土樣的制備，沒有明確的固結(jié)時(shí)間規(guī)定，而《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[12]對水工建筑土料的塑性指數(shù)的要求是7～17，粉質(zhì)黏土滿足土料要求。因而有必要探究作為筑壩常用的粉質(zhì)黏土的滲透性與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系，為室內(nèi)細(xì)粒土滲透系數(shù)的測定和水工建筑物的滲流穩(wěn)定性、抽水引起的地面沉降的預(yù)測等工程提供關(guān)于滲透性方面的借鑒，使后人在相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)土樣滲透系數(shù)與工程實(shí)際接近的前提下盡可能縮減固結(jié)時(shí)間、提高制樣效率。

1 試驗(yàn)用粉質(zhì)黏土的性質(zhì)與試樣制備

試驗(yàn)選取南水北調(diào)東段某平原水庫的粉質(zhì)黏土，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[10]對土樣進(jìn)行基本物理參數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1，其顆分試驗(yàn)曲線如圖1所示。

表1 試驗(yàn)土樣的基本特性Tab.1 Basic characteristics of test soil samples

圖1 試驗(yàn)用粉質(zhì)黏土的顆粒分析曲線Fig.1 Particle analysis curve of silty clay for testing

將粉質(zhì)黏土烘干、碾碎、過0.5 mm篩、配制含水率為18%、干密度為1.64 g/cm3(對應(yīng)的壓實(shí)度為94%)的土樣，在密閉容器中靜置24 h后使用電動液壓脫模儀及土樣模具進(jìn)行制樣，直徑為75.0 mm、高度為42 mm，試樣制備完用保鮮膜包裹并在相同壓力下固結(jié)8、10、12、24 h后進(jìn)行變水頭試驗(yàn)，相同固結(jié)時(shí)間的平行試樣4個(gè)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 滲透試驗(yàn)

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[10]，將固結(jié)后的試樣切入直徑為61.80 mm、高為40 mm的抹過一層凡士林的環(huán)刀內(nèi)，以160、140、120、100 cm為起始水頭，用變水頭法測定滲透系數(shù)，多次測量后取平均值并換算為水溫20 ℃的滲透系數(shù)。

2.2 壓汞實(shí)驗(yàn)

對滲透后的試樣，從試樣中心取樣，將其放置于陰涼、通風(fēng)、干燥處，持續(xù)兩個(gè)半月，以保證土樣在自然狀態(tài)下完全風(fēng)干，取風(fēng)干后的土樣進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)[13]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 固結(jié)時(shí)間對滲透系數(shù)的影響

土的固結(jié)是土中孔隙縮小，土被壓密，自然會引起滲透性的降低。但對于擾動土試樣的制備，規(guī)范沒有明確給出是否固結(jié)，固結(jié)多久。圖2給出滲透系數(shù)與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系折線圖。

由折線圖可知，對于同一系列，固結(jié)時(shí)間為8～10 h的滲透系數(shù)隨固結(jié)時(shí)間的變化率相較于10～12 h的大(這也可以從圖4中不同系列間的距離看出)，例如160 cm水頭系列，8～10 h的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化率為10～12 h的2.4倍，可見初始的固結(jié)對滲透性能的影響最大。至12 h滲透性能相差不大，至24 h差異很小，不同起始水頭下測定結(jié)果趨近，最大為2.85×10-5cm/s，最小為2.14×10-5cm/s。對于160 cm水頭系列，固結(jié)時(shí)間8小時(shí)的滲透系數(shù)是24 h的4.5倍；對于100 cm的水頭，固結(jié)時(shí)間8 h的滲透系數(shù)是24 h的3.8倍；可見固結(jié)時(shí)間對滲透系數(shù)的影響顯著。

圖2 固結(jié)時(shí)間對滲透系數(shù)的影響Fig.2 Effect of consolidation time on permeability coefficient

由圖2可知，對于固結(jié)時(shí)間為10、12以及24 h的系列，無論起始水頭如何變化，測得的滲透系數(shù)都在同一數(shù)量級里，而固結(jié)時(shí)間為8 h的系列在不同起始水頭下測定的滲透系數(shù)數(shù)值差一個(gè)數(shù)量級。制備粉質(zhì)黏土?xí)r，若固結(jié)時(shí)間不達(dá)10 h，則滲透系數(shù)在不同起始水頭下誤差太大，這對于工程滲流量及穩(wěn)定計(jì)算過大，可能會增大工程造價(jià)。例如，固結(jié)8 h測定的滲透系數(shù)偏大，大壩穩(wěn)定性計(jì)算偏于不安全，計(jì)算的滲流量大于實(shí)際滲流量，而實(shí)際穩(wěn)定性和滲流量完全可能滿足工程要求，工程施工時(shí)可能控制過于嚴(yán)格，或采取過多的防滲措施和排水減壓措施，造成不必要的浪費(fèi)，影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。對于固結(jié)沉降的計(jì)算可能導(dǎo)致實(shí)際的固結(jié)度小于設(shè)計(jì)的固結(jié)度，導(dǎo)致施工進(jìn)度過快，土的強(qiáng)度不足而造成失穩(wěn)或工后沉降過大。

將4個(gè)水頭系列固結(jié)時(shí)間相同的滲透系數(shù)平均，得到滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，如圖3。

圖3 滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Curve of permeability coefficient changing with time

滲透系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系滿足：

y=133.03x-1.257

(1)

式中：y為滲透系數(shù)，cm/s；x為時(shí)間；h為相關(guān)系數(shù)達(dá)到99%，擬合度高。

3.2 試驗(yàn)水頭對滲透系數(shù)的影響

《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]雖然規(guī)定“水頭高度根據(jù)試樣結(jié)構(gòu)的疏松程度確定，一般不大于2 m”且規(guī)定需“將變水頭管中的水位變換高度，待水位穩(wěn)定再進(jìn)行測記水頭和時(shí)間變化，重復(fù)試驗(yàn)5～6次”以消除水頭的影響，但為了減少變水頭次數(shù)、節(jié)約時(shí)間、提高效率，因而對于粉質(zhì)黏土的適宜高度值得探討。圖4是4個(gè)不同起始水頭對滲透性的影響。4個(gè)系列的滲透系數(shù)都是隨著起始水頭的增大而增大，尤以固結(jié)時(shí)間最短的8 h的增大幅度為最大，160 cm水頭的滲透系數(shù)比100 cm水頭增大60%，而固結(jié)時(shí)間為24 h的滲透系數(shù)受起始水頭的影響最小，僅為30%，可見固結(jié)時(shí)間越短，起始水頭對滲透系數(shù)的影響也越大。綜合圖2和圖4，固結(jié)時(shí)間為10 h對應(yīng)的滲透系數(shù)與固結(jié)時(shí)間為24 h對應(yīng)的滲透系數(shù)在同一數(shù)量級中，誤差相對較小，受起始水頭的影響也相對較小。對于同一起始水頭，固結(jié)時(shí)間為8～10 h的滲透系數(shù)隨固結(jié)時(shí)間的變化率相較于10～12 h和12～24 h的大(固結(jié)時(shí)間由8 h增加至10 h，隨固結(jié)時(shí)間的變化，固結(jié)效果更加明顯)。因此，對于粉質(zhì)黏土來說，至少固結(jié)10 h，起始水頭為100 cm是適宜的。對于固結(jié)時(shí)間為8 h的系列，160 cm水頭的滲透系數(shù)是100 cm的1.6倍；固結(jié)時(shí)間為24 h的系列，160 cm水頭的滲透系數(shù)是100 cm的1.3倍，可見水頭對滲透系數(shù)的影響小于固結(jié)時(shí)間的影響。

圖4 起始水頭對滲透系數(shù)的影響Fig.4 Effect of initial water head on permeability coefficient

3.3 微觀上孔隙隨固結(jié)時(shí)間的變化

圖5表示不同固結(jié)時(shí)間下孔隙含量百分比與孔徑范圍的關(guān)系曲線，從圖5中可以看出：10～40 μm孔隙的含量最多，其中固結(jié)24 h該孔徑范圍的含量為最少，固結(jié)8 h的最多，結(jié)合圖2，10～40 μm的孔隙含量增多，滲透系數(shù)增大，滲透系數(shù)與該范圍的孔隙含量成正比，說明10～40 μm的孔隙對滲透系數(shù)的影響起到?jīng)Q定性的作用。其次是7.5～10 μm的孔隙含量較多，其中固結(jié)8 h為最少，固結(jié)24 h的最多，與圖2中滲透系數(shù)的變化規(guī)律相反，即固結(jié)24 h對應(yīng)的滲透系數(shù)最小，固結(jié)8 h對應(yīng)的滲透系數(shù)最大，說明7.5～10 μm的孔隙不是決定滲透系數(shù)的關(guān)鍵孔隙。

圖5 孔隙含量百分比分布圖Fig.5 Pore content percentage distribution map

圖6表示不同固結(jié)時(shí)間下大于某孔徑的孔隙累計(jì)曲線，由圖6中可以直觀地看出：隨著固結(jié)時(shí)間的增長，孔隙累計(jì)曲線逐漸向左移動，說明大于某直徑的孔隙體積含量不變時(shí)，隨固結(jié)時(shí)間的增長，對應(yīng)的等效直徑在減小，說明大孔隙隨固結(jié)在減少，大于50 μm的等效直徑的累積含量隨固結(jié)作用的進(jìn)行逐漸減少，尤以24 h的減少最多，說明隨著固結(jié)作用的進(jìn)行，孔隙 越來越向小于10μm的孔隙演變，即土中的孔隙趨于均勻，趨于小孔隙。

圖6 土樣的孔隙累積曲線Fig.6 Pore accumulation curve of soil samples

4 結(jié) 論

通過變水頭滲透試驗(yàn)對不同固結(jié)時(shí)間以及不同起始水頭下平原水庫重塑粉質(zhì)黏土(壓實(shí)度94%)滲透系數(shù)進(jìn)行測定，結(jié)合壓汞法探究粉質(zhì)黏土內(nèi)部孔隙的分布情況，可得出以下結(jié)論。

(1)制備的粉質(zhì)黏土固結(jié)時(shí)間越長、測得的滲透系數(shù)越小且在水頭影響下的變化率越小，固結(jié)時(shí)間為24 h測定結(jié)果受起始水頭的影響最小。對制備重塑粉質(zhì)黏土試樣來說，當(dāng)項(xiàng)目工期緊張，為節(jié)約施工時(shí)間，至少固結(jié)10 h且起始水頭為100 cm是適宜的。

(2)10～40 μm范圍內(nèi)的孔隙對粉質(zhì)黏土滲透性起決定性作用，滲透性隨該范圍含量的增多而增大。

(3)重塑粉質(zhì)黏土的固結(jié)本質(zhì)上是10～40 μm范圍內(nèi)的孔隙壓縮為7.5～10 μm范圍內(nèi)的孔隙，孔隙趨于均一。

本文擬合出的粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)隨固結(jié)時(shí)間的變化公式，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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