大渡河中游流域深厚礫石層沉積特征與滲透特性

邱瀟 蒲勇 張亮 李明強

摘要：

大渡河中游流域廣泛分布一套物質組成復雜、沉積環(huán)境多變且工程地質性質特殊的深厚礫石層，其滲透性是制約沿線基礎建設活動的關鍵問題之一。通過野外顆分試驗和室內外滲透試驗，分別從滲透系數(shù)計算、水流流態(tài)、滲透性與沉積特征關系等方面對該地區(qū)深厚礫石層展開研究。研究結果表明：研究區(qū)域的礫石層主要由碎塊石及角礫土組成，有效粒徑和不均勻系數(shù)較大。試驗中水在較小的水力坡降下以層流方式運移，符合達西定律；在較大水力坡降下滲透表現(xiàn)為層流-紊流過渡階段，此階段滲流速度與水力坡降成冪函數(shù)關系，兩個階段滲透系數(shù)均可采用提出的經(jīng)驗公式估算。研究成果可為研究區(qū)深厚礫石層滲透系數(shù)計算和滲透性強弱判定提供參考。

關 鍵 詞：

礫石層； 滲透特性； 沉積特征； 滲透系數(shù)； 大渡河

中圖法分類號： P531

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.022

0 引 言

大渡河中游流域（瀘定縣至漢源縣）廣泛分布一套厚度大、結構密實、物質組成復雜的礫石層。這類礫石層沉積特征與一般的殘坡積物和沖洪積物有較大區(qū)別，主要表現(xiàn)為有較好的分層性、顆粒成分不均一性和多元性，礫石表面大多受過水流改造作用，其成因成為近年來研究關注的熱點。大多學者認為是第四紀更新世古氣候回暖，冰川融水搬運的產物［1-3］。20世紀末以來，隨著西部大開發(fā)的進一步推進，該套礫石層成為許多重大基礎設施建設活動（如硬梁包水電站、瀘石高速）的地質背景，且其多分布于河谷兩岸，電站蓄水運行期間部分將淹沒于水下，其滲流穩(wěn)定性問題給工程選址和建設活動帶來巨大的挑戰(zhàn)，因此查明其沉積特征和滲透特性具有重要意義。

自達西滲透定律提出后，國內外學者對土體的滲透特性做了大量研究，主要從土體類別［4-7］、試驗手段［8-10］、微觀特征［11-12］等方面入手取得了豐碩成果，但對大渡河中游流域這套成因復雜、工程地質特殊的深厚礫石層研究較少。本文通過實地調查和野外篩分試驗對上述地層沉積特征和顆粒組成進行了詳細分析，并結合室內外滲流試驗成果，從滲透系數(shù)計算、水流運移方式、滲透特性與沉積特征關系等方面對研究區(qū)礫石層進行了深入研究。研究成果可為類似深厚礫石層滲透系數(shù)計算和涉及滲流問題工程項目選址提供參考。

1 區(qū)域地質概況

研究區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣和雅安市漢源縣。瀘定縣地處青藏高原東緣，經(jīng)度為102°14′04″E，緯度為29°54′51″N，是進藏出川的要塞，地理位置重要，被譽為甘孜州的“東大門”。漢源縣位于龍門山前緣構造帶南部，經(jīng)度為102°37′23″E，緯度為29°29′03″N，平均海拔1 400 m，地勢呈四周高、中間低，向大渡河傾斜。區(qū)域內地層巖性復雜，多見出露閃長巖、花崗巖、角閃巖等。研究區(qū)水系分布密集，以大渡河為中心向四周擴散，支流較多，流域面積大于1 000 km2的有28條，其中一級支流有磨西河、田灣河、南椏河、流沙河等，分布如圖1所示。大多支流處于高山峽谷之中，落差大，多用于開發(fā)中型水電站。

本次在瀘定縣和漢源縣境內共選擇6個點進行詳細調查，分別位于瀘定縣馬桑葉、烏支索村、長沙壩村、磨西鎮(zhèn)和漢源縣九襄鎮(zhèn)及青杠咀，如表1所列，均處于大渡河中游流域內。

2 深厚礫石層沉積特征及顆粒組成

2.1 礫石層沉積特征

據(jù)研究，影響巖土體滲透性的因素主要有土顆粒的粒徑、礦物成分，土體的結構和構造及孔隙比等，實地調查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)深厚礫石層具有復雜的成因和多變的沉積特征。因此查明礫石層的沉積特征對分析研究區(qū)礫石層的滲透特性有重要意義。通過收集鉆孔資料和現(xiàn)場踏勘，區(qū)域內礫石層具有以下特征。

（1） 磨西臺地礫石層厚度大，部分出露剖面達70余米，宏觀上分層現(xiàn)象明顯，大致可劃分為3～5層，層厚約5～30 m，大多由碎塊石（＞60 mm）、砂土（0.007 5～2 mm）及角礫（2～60 mm）組成，超過總量7成以上。巖性主要為角閃巖、灰?guī)r，含少量閃長巖、輝長巖，有一定磨圓，結構中密-密實。泥質膠結，分選性和韻律性均較差，如圖2所示。

（2） 青杠咀礫石層主要由角礫、碎石土組成，巖性為花崗巖、角閃巖。磨圓一般，稍密-中密，泥鈣質膠結。

（3） 馬桑葉礫石層出露厚度約40 m，主要由角礫土、碎石土組成。以2～60 mm顆粒為主，偶見粒徑大于800 mm巨顆粒。巖性以閃長巖和花崗巖為主，磨圓度較差，為次棱角狀。密實度呈松散-稍密，局部中密，分選較好。

（4） 烏支索礫石層宏觀上可劃為4～5層，主要由碎塊石土、角礫土、含塊石角礫土等組成。巖性主要為輝長巖、角閃巖，含少量閃長巖和花崗巖，磨圓度差，呈次棱角狀，泥質膠結，局部鈣質膠結，中密-密實。

（5） 長沙壩硬梁包礫石層主要由塊碎石土、角礫質碎石土等組成。巖性為輝長巖、花崗巖、閃長巖。礫石磨圓較差，呈棱角-次棱角狀。分選性和韻律性均較差，結構中密-密實，泥質膠結。

（6） 九襄礫石層主要由礫石土、碎塊石土等組成。巖性以花崗巖、灰?guī)r、砂巖為主。磨圓一般，為次棱角-次磨圓狀，結構稍密-中密，泥鈣質膠結。

3.3 試驗結果

根據(jù)礫石層室內滲流試驗所得數(shù)據(jù)（見表4），對水力坡降與滲流速度進行擬合，如圖6所示。結果表明：

（1） 磨西臺地深厚礫石層在水力坡降較小時（小于0.34），滲流速度與水力坡降擬合曲線呈線性關系，基本滿足達西定律。而當水力坡降超過0.34時，隨著水力坡降增長，滲流速度呈非線性增長，此時滲流不滿足達西定律，說明水在試樣中不是以層流方式運移。雷諾系數(shù)（Re）也表明當水力坡降較大時，其值均大于5且小于200，根據(jù)Nagy等的研究成果，說明隨著水力坡降增大，水流進入層流-紊流過渡狀態(tài)［13］。整個試驗過程水力坡降與滲流速度的函數(shù)關系可分為兩個階段來表示：v=0.024 3i（層流狀態(tài)），v=0.017 1i0.623（層流-紊流過渡狀態(tài)）。

（2） 青杠咀礫石層的滲透特性與磨西臺地礫石層類似，當水力坡降小于0.36時，水流在試樣中的運移方式更趨向于層流，且滿足達西滲流規(guī)律，當水力坡降超過0.36時，水力坡降與滲流速度曲線逐漸偏離直線，呈上凸形非線性增長，且雷諾系數(shù)也大于5，為層流-紊流過渡狀態(tài)。滲流過程也可用兩個階段來表示：v=0.013 3i（層流狀態(tài)），v=0.009 7i0.542（層流-紊流過渡狀態(tài)）。

（3） 馬桑葉礫石層在水力坡降不超過0.25時，水力坡降與滲流速度關系曲線更趨向于線性關系，而當水力坡降較大時，關系曲線呈非線性增長，計算所得的雷諾系數(shù)在整個試驗過程中均大于5。滲流階段可用v=0.013 5i（層流狀態(tài)），v=0.009 2i0.718（層流-紊流過渡狀態(tài)）來表示。

（4） 烏支索礫石層水力坡降與滲流速度曲線趨向于線性關系，說明在試驗的整個過程中，水在試驗中以層流方式運移，滿足達西定律，滲透系數(shù)為0.000 728 cm/s。

（5） 長沙壩礫石層在水力坡降小于0.52時，水力坡降與滲流速度曲線呈非線性關系，隨著水力坡降的增大，曲線逐漸偏離線性增長，但偏移幅度小。通過公式計算得到的雷諾系數(shù)均小于5，這說明水流的運移方式符合層流狀態(tài)。分析認為，可能是因為長沙壩礫石層中細顆粒含量較多，且有效粒徑d10較小，為0.53 mm，使粗細顆粒之間有較好的填充效應，導致流場中黏滯力大于水流慣性力，流速受影響而衰減，即使水力坡降與滲流速度曲線逐漸偏離直線關系，但整體水流速度緩慢，依然呈層流狀態(tài)運移。可以預見的是當水力坡降繼續(xù)增加，水流慣性力占主導時，水流流態(tài)將往層流-紊流過渡狀態(tài)轉移。

（6） 九襄地區(qū)礫石層在水力坡降小于0.7時，水力坡降與滲流速度曲線趨向于線性關系，而當水力坡降增大時，關系曲線逐漸下凹，滲流速度隨水力坡降增大速度放緩，說明試樣中水流狀態(tài)發(fā)生了改變，雷諾系數(shù)也表明，水的運移方式由層流向紊流狀態(tài)過渡。其滲流過程可用兩個函數(shù)表示：v=0.003 84i（層流狀態(tài)），v=0.003 16i0.715（層流-紊流過渡狀態(tài)）。

由于現(xiàn)場試驗條件限制，僅對磨西臺地、烏支索、長沙壩和九襄4個地區(qū)礫石層進行野外單環(huán)試驗，計算出滲透系數(shù)分別為0.020 52，0.000 69，0.001 57 cm/s和0.008 7 cm/s，此結果與室內滲透試驗層流段滲透系數(shù)較為一致，說明室內所測滲透數(shù)據(jù)較為準確。

4 討 論

4.1 深厚礫石層滲透規(guī)律分析

滲透系數(shù)是代表土體滲透性強弱的重要指標，一般認為土體中滲流狀態(tài)為層流時，可采用達西定律來確定其滲透系數(shù)。本文對大渡河中游流域深厚礫石層進行滲流試驗分析，發(fā)現(xiàn)其大部分試樣在較大的水力坡降下，其水力坡降與滲流速度曲線及雷諾系數(shù)均顯示水在試樣中的運移方式并非層流。而目前對于粗粒土在層流-紊流過渡狀態(tài)下的滲透系數(shù)求解方法還存在較大爭議。Nagy 等人提出，土體中流態(tài)處于過渡狀態(tài)時，可利用K=v/i0.74來計算滲透系數(shù)，而根據(jù)圖6，研究區(qū)大多礫石層水力坡降和滲流速度擬合曲線也為冪函數(shù)關系，但其指數(shù)略有變化，分布在0.542～0.718 范圍內。將層流-紊流過渡狀態(tài)擬合結果與公式計算結果進行對比（見表5），發(fā)現(xiàn)其數(shù)值較為接近，因此研究區(qū)礫石層層流-紊流過渡狀態(tài)下的滲透系數(shù)可根據(jù)試驗中水力坡降與滲流速度擬合而得，擬合公式為v=Kim，若擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)有較好的相關性，K即為滲透系數(shù)。

4.2 深厚礫石層沉積特征與滲透特性的關系

研究區(qū)礫石層具有復雜的物質組成和多變的沉積特征，其成因大多與第四紀以來古氣候的變化有關，沉積歷史距今久遠，礫石層經(jīng)過長時間固結作用，大多具有密實度好、孔隙比小、顆粒間膠結程度好等特點。上述因素使其滲透系數(shù)比一般的松散堆積體小，一般在10-4～10-2 cm/s之間，屬中等透水土。但其滲透性又比部分密實的殘、坡積土強，可能是因為研究區(qū)礫石層多為冰水沉積物，具有一定磨圓度，在冰川融水的作用下，部分細顆粒被水流搬運至它處，而沉積下來的顆粒往往較粗，使有效粒徑d10和不均勻系數(shù)均較大。在滲透試驗過程中，水力坡降增大，顆粒間黏滯阻力小于水流慣性力，水在試樣中呈層流-紊流過渡狀態(tài)。

5 結 論

（1） 大渡河中游流域深厚礫石層主要由碎塊石土和角礫土組成，超過總量7成以上，顆粒呈次棱角-次磨圓狀，密實度較好，分選性和韻律性較差。礫石層顆粒粒徑一般分布范圍廣，從小于0.075 mm細顆粒至大于200 mm巨顆粒均有分布，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分布在0.47～6.08和21.23～88.84之間，大多屬級配良好土。

（2） 試驗結果表明，研究區(qū)礫石層在水力坡降較小時，滲透速度與水力坡降擬合曲線呈線性關系，水在試樣中以層流方式運移。當水力坡降較大時，流場中黏滯阻力小于水流慣性力，曲線呈非線性關系，水流表現(xiàn)為層流-紊流過渡狀態(tài)。

（3） 采用冪函數(shù)v=Kim對研究區(qū)礫石層層流-紊流過渡狀態(tài)下的滲透系數(shù)進行擬合，數(shù)據(jù)點表現(xiàn)出較好的相關性，K即為礫石層的滲透系數(shù)。根據(jù)本文試驗數(shù)據(jù)，若室內外試驗無法進行時，層流和層流-紊流過渡狀態(tài)滲透系數(shù)均可采用經(jīng)驗公式 K=αCcCue2估算，修正系數(shù)α在0.13～3.86之間，估算誤差在一個數(shù)量級內。

（4） 研究區(qū)礫石層的滲透系數(shù)分布在10-4～10-2 cm/s之間，屬中等透水土，其滲透性可能與礫石層的成因有關，表現(xiàn)為：礫石層大多為第四紀以來的冰水沉積物，固結歷史長，結構密實，但受強水動力的搬運作用，細顆粒可能被搬運至它處，沉積下來的顆粒通常較粗，有效粒徑往往較大，使其滲透特性大多呈層流和層流-紊流過渡兩種狀態(tài)。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

In the midstream basin of the Dadu River，a set of deep and thick gravel layer is widely distributed，which is characterized as complex composition，varied sedimentary environment and special engineering properties.The permeability of this gravel layer is one of the key problems restricting the infrastructure activities along the area.We deeply research this gravel layer from the aspects of permeability coefficient calculation，state of flow，relationship between the permeability and the sedimentary characteristics through the in-situ particle size distribution analysis and the indoor-outdoor permeability test.The results show that this set of gravel layer mainly consists of fractured stones and breccia soils，whose effective particle size and non-uniformity coefficient are larger.In the test，the water migrates in a laminar flow way under a small hydraulic gradient meeting the Darcy′s Law，while it displays laminar-turbulent transition under a large hydraulic gradient，during which the flow velocity and the hydraulic gradient satisfies the power function relation.A proposed empirical formula could be applied to estimate the permeability coefficients of the two stages.This conclusion can provide references for the permeability coefficient calculation and the permeability strength evaluation of the deep and thick gravel layer in the research area.

Key words：

gravel layer；permeability characteristics；sedimentary characteristics；permeability coefficient；Dadu River