凍融循環(huán)作用對(duì)堆石料滲透特性影響試驗(yàn)研究

李永強(qiáng)

（陜西省涇惠渠灌溉中心,陜西 三原 713800）

0 引言

我國西南山區(qū)溫差極大,近年來在該區(qū)域新建的高土壩工程如雨后春筍。凍土區(qū)堆石料經(jīng)反復(fù)凍融,其滲透特性發(fā)生顯著變化,從而影響大壩正常工作狀態(tài),包括變形及穩(wěn)定性。因此,了解大壩堆石料滲透特性受凍融循環(huán)作用的影響,有助于指導(dǎo)大壩前期設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工,特別是土石壩碾壓程度及防凍措施,以保障大壩的正常安全運(yùn)行。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)細(xì)粒土開展了室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn),研究凍融循環(huán)作用及次數(shù)對(duì)土樣物理力學(xué)特性的影響。王大雁等[1]借助三軸試驗(yàn)認(rèn)為凍融循環(huán)對(duì)細(xì)粒土的力學(xué)特性并無特性規(guī)律可循。常丹等[2]通過試驗(yàn)得出凍融循環(huán)導(dǎo)致粘聚力的降低,內(nèi)摩擦角先增后減。嚴(yán)晗等[3]研究季節(jié)性凍土區(qū)反復(fù)凍融條件下力學(xué)特性,開展了凍融次數(shù)、含水量、壓實(shí)系數(shù)等變量因素的室內(nèi)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明凍融循環(huán)后,粉砂土應(yīng)力應(yīng)變呈硬化型,破壞以塑性破壞為主。魏堯等[4]通過試驗(yàn)研究不同凍結(jié)溫度下不同含水率的黃土力學(xué)特性的演變規(guī)律。結(jié)果表明黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在歷經(jīng)不同凍結(jié)溫度后均逐漸減小,黏聚力隨凍結(jié)溫度的降低而降低,而內(nèi)摩擦角則出現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。胡飛田等[5]以青藏高原粉質(zhì)黏土為對(duì)象,開展對(duì)不同冷卻溫度和凍融次數(shù)循環(huán)試驗(yàn)及三軸剪切試驗(yàn)。結(jié)果表明冷卻溫度越低,試樣破壞強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化范圍越小,粘聚力和內(nèi)摩擦角隨冷卻溫度和凍融次數(shù)的變化規(guī)律可采用Logistic模型模擬。陳濤等[5]依托西藏瀾滄江堆石壩工程,研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)下堆石料產(chǎn)生較大的回脹變形,密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度均有所降低,且經(jīng)歷“融縮”—“凍縮”—“凍脹”三個(gè)典型狀態(tài)。

上述凍融循環(huán)試驗(yàn)研究對(duì)象多為細(xì)粒土,特別是粘性土。而針對(duì)粗粒土,如堆石料、摻礫石土料等,開展凍融循環(huán)作用下的大型滲透試驗(yàn)則較為罕見。雖堆石料在凍融循環(huán)下,其力學(xué)特性受影響程度不如細(xì)粒土,但其原有的細(xì)觀結(jié)構(gòu)在孔隙水凍融作用下仍然會(huì)出現(xiàn)變化或破壞,進(jìn)而對(duì)其滲透性產(chǎn)生影響。而滲透性對(duì)堆石壩工程又是極為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)?；诖?本文依托實(shí)際工程,開展大型滲透試驗(yàn),揭示凍融循環(huán)下堆石料在不同上覆荷載下滲透特性的演變規(guī)律。

1 滲透試驗(yàn)方案

凍融循環(huán)試驗(yàn)（圖1）在大型滲透儀上進(jìn)行,其尺寸為300 mm×300 mm（滲徑）,試驗(yàn)在陜西省水科院進(jìn)行。試驗(yàn)不同階段,需要通過溫度傳感器讀取試樣實(shí)際溫度。本次試驗(yàn)凍結(jié)溫度和融化溫度分別確定為15 ℃和25 ℃,凍融持續(xù)時(shí)間均設(shè)置為12 h。首先將制作好的試樣進(jìn)行凍融試驗(yàn),完成確定的凍融循環(huán)次數(shù)后,取出試樣進(jìn)行豎向加載試驗(yàn),加載通過逐級(jí)施加,加載至設(shè)計(jì)荷載水平后,即開展?jié)B透試驗(yàn)。滲透系數(shù)的測(cè)定時(shí)機(jī)為滲透儀出水口水流穩(wěn)定且無明顯氣泡。為了避免試驗(yàn)誤差,每組滲透試驗(yàn)均進(jìn)行3 組平行試驗(yàn),在沒有異常數(shù)據(jù)情況下取其平均值。

圖1 大型滲透試驗(yàn)照片

1.1 試樣材料

試驗(yàn)材料為西南山區(qū)某堆石壩工程,英安巖,處于弱卸荷狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)氣候?yàn)橄募窘涤曦S沛,最高氣溫25 ℃,冬季寒冷干燥,最低氣溫-20 ℃,屬于典型高海拔溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。

試驗(yàn)采用堆石壩工程現(xiàn)場(chǎng)取料英安巖,開展凍融循環(huán)滲透試驗(yàn)。結(jié)合《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)試驗(yàn)用料進(jìn)行縮尺處理[7-8],現(xiàn)場(chǎng)堆石料與縮尺后得到的試樣的模擬級(jí)配曲線對(duì)比見圖2。將試驗(yàn)用料風(fēng)干后,將其劃分為五種粒組,分別為60 mm~40 mm, 40 mm~20 mm, 20 mm~10 mm, 10 m~5 mm, 5 mm~0 mm。然后按各組份的用量充分拌和,并加入2%蒸餾水從下往上分為3 層進(jìn)行振動(dòng)擊實(shí)。制樣的過程照片見圖1。試樣的設(shè)計(jì)密度為2.08 g/cm3,與工程實(shí)際相匹配。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)堆石料與試樣的級(jí)配曲線對(duì)比圖

為防止堆石料試樣產(chǎn)生離析從而堵塞透水板,在透水板上方鋪設(shè)30 mm厚的砂礫石排水層。另外,在裝樣前在儀器內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林。

滲透試驗(yàn)操作過程及技術(shù)要求嚴(yán)格參照《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》。本文采用常水頭對(duì)堆石料試樣進(jìn)行飽和處理,設(shè)定滲流方向?yàn)橛上峦稀Ｋ^高度保持不變,略高于滲透儀底部2 mm,水流通過滲透儀底部的連通管滲透至堆石料試樣底部,直到試樣內(nèi)部水頭與滲透水頭相等后,再逐級(jí)緩慢增大水頭,最終滲透儀出水口出現(xiàn)水流滲透連續(xù)且不再溢出氣泡的狀態(tài),此時(shí)開始測(cè)量滲透系數(shù)。

1.2 測(cè)量裝置和方法

試驗(yàn)裝置的主要構(gòu)件有：龍門架,千斤頂、水泵、水桶、百分表、溫度計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。穩(wěn)定的滲流水通過以下操作實(shí)現(xiàn),具體步驟：首先將桶A注入適量水,通過導(dǎo)管不斷注入有高度差的桶B,桶B在邊緣設(shè)溢流孔,以保證滲流試驗(yàn)所需的恒定水頭差。借助千斤頂,以龍門架為反力裝置,下壓試驗(yàn)滲透儀的上蓋板,分級(jí)下壓力的大小可通過固定龍門架的力傳感器測(cè)量,另外通過3 只百分表對(duì)在上覆壓力作用下堆石料試樣的變形進(jìn)行量測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融循環(huán)對(duì)滲透系數(shù)的測(cè)量結(jié)果

表1 顯示在不同凍融循環(huán)次數(shù)（n=0、n=3、n=10）下不同上覆壓力水平（50 kPa、100 kPa、200 kPa及400 kPa）堆石料試樣滲透系數(shù)值。從表1 可以看出,不論凍融循環(huán)次數(shù)多少,堆石料滲透系數(shù)隨上覆荷載的增大有明顯的減小趨勢(shì)；而上覆荷載不論多大,滲透系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,且當(dāng)上覆荷載水平較低時(shí),凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)滲透系數(shù)的影響更為顯著?？赡苁且?yàn)槎咽蟽?nèi)部顆粒在反復(fù)凍融下打破了原有的細(xì)觀平衡,導(dǎo)致接觸力薄弱的細(xì)顆粒被融化的孔隙水流作用而變動(dòng)原有位置。

表1 不同循環(huán)次數(shù)下的滲透系數(shù)表

2.2 凍融循環(huán)對(duì)滲透系數(shù)的影響

凍融循環(huán)前,隨著堆石料試樣上覆荷載水平的增大,其滲透性逐漸減小。這是因?yàn)殡S著上覆荷載水平的增大,堆石料試樣越密實(shí),孔隙率則減小,從而其滲透系數(shù)減小。且從數(shù)據(jù)上看,滲透性與上覆荷載呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

為了更清晰顯示凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)不同上覆壓力水平堆石料試樣滲透特性的影響,將凍融循環(huán)次數(shù)分別為n=0、n=3、n=10下不同上覆壓力與滲透系數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合處理,見圖3 。通過origin軟件擬合得到,堆石料土樣滲透系數(shù)與上覆荷載水平的相互關(guān)系采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合,其結(jié)果較為理想。

圖3 不同凍融循環(huán)下滲透系數(shù)與上覆荷載的關(guān)系曲線圖

式中：a表示壓力為0時(shí)的滲透系數(shù),b表示材料參數(shù)。

從圖3 中可以看出,當(dāng)上覆荷載保持不變時(shí),堆石料滲透系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,且在凍融循環(huán)次數(shù)較小時(shí)（n=3）,其凍融循環(huán)作用對(duì)滲透特性的影響更為顯著。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)固定時(shí),滲透系數(shù)與上覆荷載呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,在循環(huán)次數(shù)較大時(shí),上覆荷載對(duì)滲透系數(shù)的影響更為敏感。對(duì)于實(shí)際堆石壩工程來說,在設(shè)計(jì)施工時(shí),應(yīng)加強(qiáng)保溫及排水措施,避免出現(xiàn)因凍融循環(huán)作用導(dǎo)致堆石料滲透性顯著增大的現(xiàn)象,繼而增加引發(fā)滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)大壩的正常工作狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

依托實(shí)際堆石壩工程,開展模型滲透試驗(yàn),就凍融循環(huán)作用對(duì)不同上覆荷載水平下的堆石料滲透特性影響進(jìn)行研究,得到結(jié)論如下：

（1）當(dāng)上覆荷載保持不變時(shí),堆石料滲透性與凍融循環(huán)次數(shù)呈非線性正相關(guān)關(guān)系,在凍融循環(huán)初期（凍融循環(huán)次數(shù)為3）,對(duì)滲透性影響更為顯著。

（2）當(dāng)上覆荷載水平較低時(shí),經(jīng)凍融循環(huán)次數(shù)越多,堆石料滲透系數(shù)越大,說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度越大。建議設(shè)計(jì)時(shí),加強(qiáng)堆石壩的保溫及排水措施,避免因凍融循環(huán)作用使其滲透系數(shù)增大,從而對(duì)大壩安全性產(chǎn)生不利影響。