漢源九襄地區(qū)深厚礫石層滲透特性研究

侯孝東，涂國祥，邱 瀟，李 明，王 清，錢昭宇

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室， 四川 成都 610059)

雅安市漢源九襄鎮(zhèn)地處于川西高原與四川盆地過渡帶，區(qū)域內(nèi)第四紀沉積物十分發(fā)育。據(jù)資料顯示，該地區(qū)第四紀沉積物主要為粒徑0.5 mm～500 mm的礫石層，礫石層平均厚度超過30 m，廣泛分布于九襄盆地，總覆蓋面積可達90 km2，并且其形成原因較為復雜，有冰水堆積、洪積、殘坡積、沖洪積等多種成因。與其他松散堆積體不同，該地區(qū)礫石層具有沉積特征變化大、物質(zhì)組成復雜、粒徑差異較大、結(jié)構(gòu)較密實等特點，因此對該地區(qū)深厚礫石層的滲透特性進行探究具有重要的意義。

自從Darcy通過對兩種均勻砂質(zhì)濾床進行試驗，并總結(jié)提出達西定律以來，國內(nèi)外許多學者對于土體的滲透特性及其影響因素進行了較為深入的研究，如王一冰等[1]通過降雨模型試驗，探討了砂性土的降雨入滲過程；宋亞亞等[2]利用GeoStudio軟件模擬邊坡降雨入滲過程，探討了水土特征曲線對于邊坡穩(wěn)定性的影響；宋林輝等[3]通過對黏性土的滲透特性研究發(fā)現(xiàn)，弱結(jié)合水在較大的水力梯度時處于流動狀態(tài)，在水力梯度較小時處于黏滯狀態(tài)；楊進兵等[4]對泥石流堆積物中細顆粒含量與滲透系數(shù)關(guān)系進行了試驗研究，指出泥石流堆積物滲透性主要影響因素是細顆粒部分；趙寬耀等[5]利用單環(huán)滲透儀探討了黃土邊坡的降雨入滲優(yōu)勢通道特征；謝定松等[6]進行粗粒土滲透試驗，得出土的滲透系數(shù)主要取決于土的顆粒組成，特別是含量<30%的細粒顆粒組成；趙茜等[7]通過三軸滲透試驗研究了凍融循環(huán)對黃土滲透特性的影響；張國棟等[8]通過碎石土的滲透試驗得出顆粒級配對滲透特性的影響主要是不均勻系數(shù)和特征粒徑。韓琳[9]根據(jù)土顆粒分形理論得出土粒度分形維數(shù)D，并提出土粒度分形維數(shù)D與滲透系數(shù)則呈負相關(guān)關(guān)系；蘇立君等[10]提出砂土的均值粒徑對滲透系數(shù)具有很大的影響；胡明鑒等[11]通過進行細顆粒對鈣質(zhì)砂滲透性影響的試驗，發(fā)現(xiàn)細粒含量增加會導致滲透系數(shù)減小，但在不同細粒含量下滲透系數(shù)的減小幅度不同。王珂等[12]研究了應力-滲流侵蝕耦合作用下粗糙裂隙滲流特性；王剛等[13]通過三軸滲透試驗得出試樣在圍壓作用下產(chǎn)生了對抗?jié)B不利的集中剪切帶。曹彭強[14]通過滲透試驗、固結(jié)與剪切試驗，研究了降雨入滲對于岸坡穩(wěn)定性的影響；劉天奇等[15]通過土壤滲透儀進行室內(nèi)變水頭滲透實驗，研究了江漢平原下游不同地區(qū)土壤的滲透特性。

上述眾多學者對土體的滲透特性進行了較為全面的研究，但對于西南地區(qū)這類沉積特征及工程特性較為復雜的深厚礫石層，目前很少有學者對其滲透特性進行深入的研究。本文以四川盆地漢源九襄地區(qū)的深厚礫石層為例，選取四個具有代表性的礫石層剖面，通過野外實地調(diào)查及篩分，并采用等量替代法對土樣重塑，在室內(nèi)進行四種不同顆粒級配土樣的滲透試驗，并計算出滲透系數(shù)，探究其滲透系數(shù)與沉積特征、粒度分布之間的關(guān)系，為該地區(qū)的地質(zhì)災害防治及工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于川西高原與四川盆地之間的過渡帶，地貌上屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌，總體地勢西高東低，山脈走向受構(gòu)造控制呈北西—南東方向展布，平均海拔約1 400 m，降雨集中，經(jīng)常有暴雨、冰雹、山洪、泥石流等災情發(fā)生[16]。區(qū)域內(nèi)第四紀堆積物十分發(fā)育，總覆蓋面積達到90 km2(見圖1)。不同溝谷礫石層粒度分布范圍和沉積特征差異較大，由野外調(diào)查結(jié)果顯示其沉積成因也有較大區(qū)別。其巖性主要以紫紅色、灰褐色和灰白色得白云巖和花崗巖等為主。

圖1 漢源九襄鎮(zhèn)地形圖

2 研究區(qū)礫石層沉積特征及顆粒級配

(1) 木楠村：礫石層顆粒組成主要為角礫土，礫石層中夾雜著碎塊石層。礫石層的沉積特征與高程有關(guān)，在較高的高程處，礫石層中夾雜有較多棱角狀的碎塊石；而在較低高程處，礫石含量較多，僅夾雜少量磨圓較好的塊石。在高程較低的某剖面發(fā)現(xiàn)一條碎塊石層帶，層帶中含有較多磨圓相對好的塊石，并富集有粒徑在200 mm以上的巨顆粒，推測可能是在短期大量水流帶動下沉積形成的。樣品顆粒級配如圖2(a)所示，取樣點如圖3(a)所示。

(2) 后山村：后山村礫石層顆粒主要為磨圓較差角礫土和含角礫黏土，無明顯成層性，總體顆粒大小相差不大。在較高高程處，礫石層主要夾雜粒徑60 mm以上的碎塊石，其磨圓較差，呈現(xiàn)較好泥質(zhì)膠結(jié)；而較低高程處所夾雜的碎塊石粒徑相對較小，磨圓相對好于較高高程處。取樣點及顆粒級配曲線見圖3(b)，圖2(b)。

(3) 羊圈門：在較高高程處，礫石層夾雜碎塊石，磨圓較差，主要為棱角狀，少量的泥質(zhì)膠結(jié)，密實度表現(xiàn)為稍密實；而在較低高程處則表現(xiàn)為礫石塊石混雜，磨圓一般為次棱角狀，較好泥質(zhì)膠結(jié)，密實度為密實，取樣點及顆粒級配曲線見圖3(c)，圖2(c)。

(4) 上堰溝：主要表現(xiàn)為礫石夾雜少量塊石，有些位置具有一定成層性。上堰溝上游較高的高程處，主要為礫石夾雜少量棱角狀塊石，一般泥質(zhì)膠結(jié)，磨圓較差；在較低高程處顆粒有明顯的分層，不同層之間顆粒粒徑差異較大，一般表現(xiàn)為泥質(zhì)膠結(jié)，磨圓程度好于較高高程處。取樣點及顆粒級配曲線見圖3(d)，圖2(d)。

圖2 四取樣點級配曲線

圖3 參考點現(xiàn)場土樣

3 試驗裝置及方案

3.1 試驗裝置

本次試驗采用的是成都理工大學國家重點實驗室常水頭滲透儀，滲透儀尺寸為內(nèi)徑20 cm，高為40 cm，試驗允許最大粒徑為40 mm，滲透儀主要包括筒體、測壓孔、溢水孔等，試驗過程中可以通過調(diào)整供水箱以達到不同的水力梯度。

3.2 試驗方案

為了模擬現(xiàn)場礫石層的顆粒級配，將現(xiàn)場樣品進行晾曬和篩分，篩分成9個粒組區(qū)間：0～0.5 mm，0.5 mm～1 mm，1 mm～2 mm，2 mm～5 mm，5 mm～10 mm，10 mm～20 mm，20 mm～40 mm，40 mm～60 mm，60 mm以上，篩分后將不同粒組的顆粒進行分裝，再根據(jù)級配對土樣重塑，由于參考點土樣最大粒徑超過本次試驗滲透儀的最大允許粒徑，所以需要將土樣級配重新處理，本次試驗采用等量替代法對粒徑大于5 mm的土粒進行處理，其計算方法為：

(1)

重塑后的土樣級配如圖4所示。

圖4 重塑土樣級配曲線

為保證試驗時各土樣具有相同的密實程度且與現(xiàn)場堆積體密度一致，本次試驗采取分層裝樣，一共分為五層，每層土樣厚度為8 cm，并在土裝樣后進行錘擊壓實，控制錘擊次數(shù)使試驗土樣密度與現(xiàn)場所取得土樣平均密度一致，均為1.95 g/cm3。滲透試驗采用四種試樣一共進行四組試驗，試驗時將初始水頭差設(shè)為5 cm，之后遞增5次水頭，每次增加1 cm，直到水頭差達到9 cm。

4 試驗結(jié)果分析

通過對四種試樣的室內(nèi)滲透試驗，我們得到以下試驗結(jié)果：

從圖5可以看出，在較小的水力梯度下，水的流速與水力梯度基本滿足線性關(guān)系，當水力梯度較大時，則不滿足線性關(guān)系。由于土中含有較多的粗顆粒，且中間粒徑的顆粒較為缺乏，在較小的水力梯度下，水的滲流基本滿足層流狀態(tài)，當水力梯度較大時，水的流動形式較為復雜，細顆粒在粗顆粒之間的空隙中移動，最終部分細顆粒被水流帶出，導致其水流速度與水力梯度呈現(xiàn)非線性的關(guān)系。在試驗時觀察發(fā)現(xiàn)出水口的水流較為渾濁，這一現(xiàn)象也表示試驗中存在部分細顆粒的流失，通過計算得出該土樣的滲透系數(shù)k=0.010 4 cm/s，與木楠村取樣點原位滲透試驗測得的滲透系數(shù)基本一致。

圖5 1號試樣流速與水力梯度的關(guān)系

同樣，2號—4號試樣的結(jié)果分析如下：

2號試樣的試驗結(jié)果與1號試樣類似，在較小的水力梯度下水的滲流為層流狀態(tài)，但由于粗顆粒含量較多，水力梯度較大時水流流速與水力梯度呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，計算得出該土樣滲透系數(shù)為k=0.003 4 cm/s，與后山村取樣點原位滲透試驗所測得的滲透系數(shù)基本一致。

3號試樣的流速與水力梯度基本滿足線性關(guān)系，即水流為層流狀態(tài)，試驗時出水口水流較為清澈，表示試驗中沒有細顆粒的流失，通過計算得出3號試樣的滲透系數(shù)為k=0.000 85 cm/s，與羊圈門取樣點原位滲透試驗測得的滲透系數(shù)基本一致。

4號試樣透水性較差，滲透試驗效果不明顯，其水流流速和水力梯度基本滿足線性關(guān)系，通過計算得出其滲透系數(shù)約為k=0.000 37 cm/s，與上堰溝取樣點原位滲透試驗所測得的滲透系數(shù)基本吻合。

5 討 論

通過以上四組試驗，計算出試樣的滲透系數(shù)，這四種試樣的滲透系數(shù)相差較大，主要原因可能是四種試樣的顆粒組成差異較大。因此我們對其滲透特性與顆粒組成之間的關(guān)系進行探究。

5.1 滲透系數(shù)與細顆粒含量之間的關(guān)系

礫石層中的細顆粒作為粗顆粒空隙間的充填物，對礫石層的滲透性有著決定性的影響，因此對細顆粒(小于0.5mm)含量與滲透系數(shù)之間的關(guān)系進行探究具有重要的意義。

將四種試樣的滲透系數(shù)與細顆粒(小于0.5 mm)的含量進行整理，如圖6所示，我們可以發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)與細顆粒含量之間存在明顯的負相關(guān)。通過擬合，得到滲透系數(shù)與細顆粒的含量之間的關(guān)系表達式為：

圖6 滲透系數(shù)與細顆粒含量關(guān)系

Y=0.46X-4.23

(2)

式中：Y為滲透系數(shù)；X為細顆粒含量。

通過分析我們發(fā)現(xiàn)細顆粒含量對滲透系數(shù)的影響并非線性關(guān)系，而是隨著細顆粒含量的增多，其對土體滲透性的影響逐漸減小。這可能是因為土體中細顆粒含量較少時，粗顆粒骨架的空隙中充填較少的細顆粒，水流通過粗顆粒間的空隙進行流動，此時土體的滲透系數(shù)相對較大；隨著細顆粒含量的增多，粗顆粒骨架之間的空隙逐漸被細顆粒所充填，從而影響水流在空隙中的流動，土體的滲透性也隨之降低，當細顆粒的含量繼續(xù)增加，其對粗顆?？障兜奶畛湫Ч饾u降低，因此細顆粒含量對滲透系數(shù)的影響也隨之變小。

5.2 滲透系數(shù)與土體不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)之間的關(guān)系

土體的不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc是反映土體級配的兩項重要指標，不均勻系數(shù)Cu可以反映土體的不同大小粒組的分布情況，曲率系數(shù)Cc可以反映土體限制粒徑d60與有效粒徑d10之間各粒組的分布情況。

通過對四組試樣的相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理，得到四組試樣的不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)與其滲透系數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果如表1所示。

表1 土樣不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)及滲透系數(shù)

通過表1我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著土體不均勻系數(shù)增大，其滲透性也隨之增大。不均勻系數(shù)表示土體粒度分布范圍的大小，不均勻系數(shù)越大，土顆粒的大小分布越不均勻，粗細顆粒之間的粒徑差異越大，土體的粒間空隙就越多，所以其滲透系數(shù)就越大；從表1可以觀察到，曲率系數(shù)也和滲透系數(shù)呈現(xiàn)出很好的正相關(guān)，曲率系數(shù)反映土體各粒組的連續(xù)性，曲率系數(shù)越大，土體的連續(xù)性就越差，因缺少某些中間粒徑，導致土粒間的空隙不能被很好的充填，所以土體的滲透系數(shù)也就越大。

5.3 滲透特性與沉積特征的關(guān)系

研究區(qū)四個取樣點的沉積特征差異較大，其礫石含量、密實程度、泥質(zhì)膠結(jié)程度都與其滲透性有關(guān)。塊石及礫石含量的不同影響著礫石層的顆粒級配，進而影響其滲透特性，礫石含量越多，其滲透性也越好；密實程度同樣也對滲透特性有著很大的影響，密實程度越好，顆粒間的空隙也就越少，滲透性就越差；泥質(zhì)膠結(jié)程度則影響礫石層的細顆粒含量，泥質(zhì)含量越多，其滲透性越差。

從整體來看，四個區(qū)域的礫石層沉積特征均與高程相關(guān)，在較高的高程處，礫石含量較多，夾雜少量磨圓度較差的碎塊石，泥質(zhì)膠結(jié)程度也較差，因此其滲透性相對較好；而在較低高程處，礫石層整體粒徑相對較小，塊石含量多于較高高程處，磨圓度和泥質(zhì)膠結(jié)程度也相對較好，因此其滲透性較差。

6 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)礫石層的滲透系數(shù)總體在10-2cm/s～10-4cm/s左右，基本為中透水土體。

(2) 粗顆粒含量較多的土樣，在較小的水力梯度時水流流速與水力梯度滿足線性關(guān)系，當水力梯度較大時則不滿足線性關(guān)系。

(3) 礫石層的滲透性與細顆粒含量存在明顯負指數(shù)相關(guān)，細顆粒含量越多，其滲透性越差，當細顆粒含量增加到一定范圍時，其對滲透性的影響會逐漸變小。

(4) 礫石層的滲透性與其不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)均表現(xiàn)為正相關(guān)。

(5) 四個區(qū)域的礫石層沉積特征與高程表現(xiàn)一定相關(guān)性，其滲透性隨高程降低逐漸減小。