礫石土滲透穩定特性試驗研究

劉 杰，謝定松

（1.中國水利水電科學研究院 巖土工程研究所，北京 100038；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

1 引 言

近40多年來，世界高度在100 m以上的高土石壩，用礫石土作為防滲體的大壩約有70座以上，95%以上的高壩都在正常運行[1]。礫石土，國內稱為寬級配土，在滲透穩定性方面的認識，主要依靠工程經驗，試驗資料較少。為保證礫石土作防滲體的滲透穩定性，國內有專家提出，土中小于0.005 mm的顆粒含量一定要大于10%。

四川大渡河上的瀑布溝土石壩，高187 m，是國內當前最高的一座用礫石土作為心墻材料的堆石壩，心墻土的料源是黑馬I區的礫石土，它的特點是小于0.005 mm的顆粒含量小于10%。能否作為心墻土料，由于這方面的試驗資料很少，在設計審查會上爭論激烈。有專家堅持認為應摻入一定量的黏土顆粒，使小于0.005 mm的顆粒含量大于10%，以保證其滲透穩定性[2]。設計單位為論證黑馬 I區土料作為防滲體的可用性，委托中國水利水電科學研究院進行試驗研究，并送來黑馬I區土料以及顆粒組成方面的全部料場勘探結果，供試驗研究之用。試驗結果表明，黑馬I區礫石土為非管涌土，在無反濾保護的情況下，臨界水力比降大于2，可作為心墻土料。設計單位決定直接采用黑馬I區土料作心墻防滲土料。2009年底，大壩建成并投入運行，現場施工質檢結果表明，心墻土料中小于0.005 mm的顆粒含量平均值為5%，而且變幅不大，小于5 mm的粒徑平均值占51%，顆粒組成曲線與室內試驗采用的中間 1條曲線相一致，滲透系數達 10-5～10-6cm/s的量級，滿足防滲要求，大壩運行正常。本文主要闡述 10年前防滲土料的滲透穩定試驗結果，并進行了滲透穩定分析方法的探究，提出了判別礫石土滲透穩定性的方法，供今后選用礫石土作防滲土料之用，同時輔佐近期發表的工程資料[3]。為闡明試驗結果的普遍性，文中同時引入了僅僅查到的依斯托美娜的試驗結果[4]。

2 料場土料的基本性質

土料成因為坡洪積，母巖主要成分為白云質灰巖和少量凝灰巖，顏色為淺黃色，屬寬級配土，粒徑變化在0.002～200 mm之間，其中粒徑大于80 mm的部分僅占10%左右，粒徑小于5 mm部分占35%～70%，小于0.005 mm粒徑含量變化于1.78%～9.58%之間，平均值為4.57%。根據大量的勘探資料，將顆粒組成歸納為粗、中、細3條曲線，編號為P1、P2和P3，顆粒組成曲線繪于圖1[5]。圖中同時繪有依斯托美娜[4]試驗用的4條顆粒組成曲線（編號依1～依4），由于同為礫石土，試驗方法也相同，可以補充闡明瀑布溝的試驗結果。在此需要說明的是，本文在顆粒分析試驗中，對小于5 mm的顆粒采用了洗篩法和不加洗篩兩種方法，發現小于0.1 mm的顆粒含量有明顯差別，二者甚至可差8%。圖1顆粒組成曲線中小于5 mm的部分是根據洗篩法的試驗結果繪制而成，小于0.005 mm顆粒含量的平均值為7%，稍大于料場勘探所得數據，小于5 mm顆粒含量與現場勘探資料相一致，分別為70%、50%和35%。

礫石土中粒徑小于0.5 mm的細粒部分的物理性質列于表1，表明細粒部分屬低液限粉土。

圖1 試驗用料顆粒組成曲線Fig.1 Granular composition of test material

表1 細粒部分的基本性質Table 1 Basic property of fine particle

3 試驗儀器及方法

根據設計要求，試驗土料采用的最大粒徑為80 mm，d85粒徑的最大值為40 mm，故儀器采用φ20 cm的垂直管涌儀。筒壁透明，可以觀察滲透破壞性狀。土料為天然土料，按圖1中的3條顆粒級配曲線分別制樣，小于5 mm的顆粒直接使用工地送來的土料，含量分別為35%、50%和70%。試樣分為兩層填筑。P1、P3的干密度直接采用按擊實儀（862.5 kN/m3）擊實試驗的最大干密度，P2試驗的干密度采用0.97倍試驗最大干密度。為防止試樣在大的水力比降下沿儀器壁整體的滑動，P2土樣表面壓有厚8 mm、孔徑為9 mm的透水板一塊，P1試驗土樣表面壓有厚8 mm、孔徑為20 mm的透水板一塊。透水板中孔徑的大小是按不影響試樣管涌破壞的原則確定的。飽和采用滴水飽和法，滲流方向由下向上。每級水頭下試驗持續時間為30 min，當出現滲透變形后，等滲流量穩定，滲水中無細顆粒帶出時才能升高下一級水頭。當試樣出現水平裂縫或泉眼不斷向深部發展，滲流量不斷增大時認為最終破壞，停止試驗。

4 試驗結果

對3種土料各進行了3種密度下的滲透破壞試驗，部分試驗結果的水力比降-滲流量（J-V）的關系曲線繪于圖2。圖中P1的第1個試驗P1-1的試驗結果表明:當水力比降J為8.2時尚未發現試樣出現異?，F象；當J=15.0時試樣分別在上、下兩端開始出現兩道水平縫，滲流量驟增，試驗水頭自動下降。經1 min后水頭自動上升到原來數值，滲流量減小，并趨穩定，試驗最終破壞為流土型。

圖2中P2的第2個試驗P2-2的試樣的密度偏低，試驗結果表明:當水力比降J達7.1時，土樣表面有3股煙霧狀的很細水流由土樣表面流出，滲流量相應加大，不久渾水停止，滲流穩定。繼續升高水頭，當J=10.3時，又有煙霧狀的細流從試樣表面流出，5 min后滲水全渾，滲流量加大，泉涌向土樣內部不斷發展，沿儀器壁可觀察到集中滲流通道，滲透破壞型式為過渡型。P2-1試驗提高了干密度（為設計采用干密度），由于試驗干密度提高，滲透破壞型式轉為流土型。P2-1結果表明，P2土料的滲透變形特性帶有過渡型的特征，滲透變形型式與干密度大小有關，在大密度下滲透變形型式轉為流土型。

圖2 瀑布溝3種土料滲透穩定部分試驗J-V關系曲線Fig. 2 Variations of V with J of seepage stability experiment of Pubugou

圖中P3的第2個試驗P3-2試驗結果表明，當水力比降J=2.4時，土樣表面出現一股煙霧狀細流，5 min后滲流變清。繼續升高水頭，J=3.1時又不斷出現煙霧狀滲流，滲流量變大，水頭自動下降。經 30 min后滲流變清，水力比降自動恢復到3.1，滲流穩定。繼續升高水頭，J=4.0時，滲流量不斷加大，水頭不斷下降。經10 min后水力比降降至3.1，滲流量仍在加大。停止試驗后進一步觀察試樣，發現在土樣表面中部有3個泉眼，周圍堆積有一堆細顆粒。儀器壁旁另有2個泉眼，也同樣在泉眼周圍堆積有一堆細顆粒，而且沿儀器壁出現集中滲流通道，直達底層。由于開始滲流破壞后仍有一定承受水頭的能力，直到水力比降增大到4.0時才完全滲透破壞，故破壞型式仍屬過渡型。

部分試驗結果列于表 2。結果表明，瀑布溝礫石土中最細的土料滲透破壞型式為流土型，最粗的土料＜5 mm的顆粒含量為35%，滲透破壞型式為過渡型，顆粒平均曲線的滲透變形型式為流土型。對整個壩料的評定是可以用作心墻防滲土料，臨界水力比降大于3.0。

表2 礫石土滲透破壞試驗結果Table 2 Experiment results of seepage damage of gravelly soils

5 礫石土滲透穩定特性分析

5.1 礫石土的顆粒組成及滲透變形特征

礫石土是種多級配土，很不均勻，不均勻系數高達100以上，其組成完全可以視為由粗、細兩個部分混合而成。如果將其分解為粗、細兩個部分，則粗粒部分的不均勻系數在10左右。細粒部分將具有細粒土的特征，多為低液限粉土。試驗研究結果表明，寬級配土的滲透及滲透穩定性質主要取決于粗、細粒在土體中的比例關系。當細粒含量小于某一數值后，填不滿粗?？紫?，此時滲透系數的大小主要決定于粗粒的顆粒組成，因細粒在土體中不受粗粒的束縛，在滲流作用下很容易流失，并一直流失到細粒全部被帶走，致使土體的滲透系數變為純粗粒的滲透系數，這種破壞稱管涌型。當細粒含量超過某一數值后，粗、細粒合二而一，滲透系數主要取決于粗粒的密實度和細粒土的滲透性，滲透破壞是整個土體的破壞，因而是流土型。當細粒含量接近或剛填滿粗料孔隙時，整個土體的滲透變形特征將呈一種過渡型，即開始時表面出現的是管涌破壞現象，但不會破壞土體的整體穩定性，管涌破環將會隨時間延長而自行調整，達到新的穩定。再升高水頭，又出現新的滲透破壞，最后又得到新的調整，最終的表現形式與細粒含量及干密度有關，當細粒含量偏小時，呈管涌破壞，細粒含量偏高時呈局部流土型。由此看來，在認識礫石土的滲透穩定性時，將其分為粗、細兩個部分，然后分析細粒填充粗?？紫扼w積的程度，以判別其滲透穩定性質。這種分析方法對于認識礫石土的滲透性及滲透穩定性具有由表及里、由淺入深的重要意義。

5.2 粗、細顆粒的區分原則及區分粒徑

寬級配土應以何種粒徑將其分為粗粒和細粒兩個部分，這是需要研究的問題。粗粒和細粒之間的區分粒徑選擇的不同，則細粒剛剛填滿粗?？紫稌r的顆粒含量也就不同。如目前工程界常以5 mm的粒徑將其分為粗、細兩個部分，然后進一步研究寬級配土的壓實性、滲透性和滲透穩定性。按此種區分粗、細粒的方法研究天然寬級配土的力學性質時，則得細粒在混合料中的最優含量往往在40%左右，此時混合料的滲透系數最小，壓實后的密度最大。如果用1 mm作為粗、細粒的區分粒徑，最優細粒含量將在35%左右。

顆粒級配曲線中段出現平臺的寬級配土，是一種典型的粗、細混合料，完全有理由以平臺段的顆粒粒徑將其分為粗、細兩個部分。此種土料粗、細摻合后的最優級配情況下的細粒含量多在 30%左右，此時在同類土中具有最大干密度和最小的滲透系數。

寬級配土的顆粒級配變化范圍很廣，不均勻系數Cu＞50以上，要用某一固定粒徑將其分為粗、細兩個部分，并以此研究其基本特性，其結果往往不能真實地反映寬級配土的基本性質，也不可能得出統一的最優細粒含量，其結果是顆粒級配曲線不同，最優細粒含量也就不同。但實際情況是，由粗、細兩種土料摻合后的寬級配土最優細粒含量在30%左右。

筆者曾專門研究了寬級配無黏性土粗、細粒之間的區分粒徑問題，在研究工作中選用粒徑大小截然不同的兩種土料，一種是粒徑為2～25 mm的礫石，另一種是粒徑為0.2～0.8 mm的砂粒，二者混合后的顆粒級配曲線實際上是缺乏0.8～2.0 mm的粒徑，混合土料完全有理由由0.8～2.0 mm的粒徑區分為粗粒和細粒兩個部分。粗粒礫石中的粒徑D15=6 mm，細粒的粒徑 d85=0.6 mm，=10＞4，表明粗粒形成的孔隙直徑大于細粒的最大粒徑。顯然，當砂粒填不滿粗粒的孔隙體積時，則砂粒在礫石孔隙中處于可移動狀態。將各類摻合料進行擊實試驗，確定細粒剛剛填滿粗粒孔隙時的細粒含量。試驗結果表明:當摻入粗粒礫石中的細粒含量小于總重量的25%時，粗粒礫石中的孔隙體積沒有明顯的變化；當細粒的摻合量達25%時，粗粒的孔隙體積稍有增大，但僅增加 3%；當砂粒的摻量大于25%以后，細粒稍有增加，粗粒礫石的孔隙體積開始明顯增大[6]。由于這一簇混合料的顆粒組成曲線在0.8～2.0 mm之間出現一個小的平臺，而且1585/D d=10，很顯然，它們的粗、細粒之間的區分粒徑應是0.8～2.0 mm之間的某一任意值，可取平均值為1.4 mm。

上述結果如何應用于連續級配的寬級配土值得研究。分析比較試驗結果，若以幾何平均粒徑為粗、細料的區分粒徑，既可適用于不連續級配的寬級配土，也可適用于連續級配的土。表3為對上述摻合料區分粒徑計算分析結果。由表可知，用計算得的粗、細粒區分粒徑，將混合土料分為粗、細兩部分后，所求得的細粒含量與實際值基本相一致。

表3 缺乏中間粒徑寬級配土的粗細粒區分粒徑Table 3 Specification particle of coarse grain and fine particle of uncontinuous grading gravelly soils

分析了文獻[7]的一簇壓實試驗資料，顆粒級配曲線的粒徑變化范圍為0.5～80 mm，不均勻系數Cu變化于15～32之間。以單位壓力為10 MPa進行壓縮試驗，求得的密實度列于表 4[7]。表中同時列出了試驗土料的顆粒組成特征。用幾何平均粒徑dq=作為粗、細粒的區分粒徑，則土體處于最密實狀態時的土樣為4號土，孔隙率n=30%最小，細粒含量P為30%，與一般概念相一致。由于4號土由7.4 mm的粒徑區分為粗、細兩部分后，粗粒的粒徑 D15與細料粒徑 d85的比值 D15/d85=3.4，小于4，這一數值表明細顆粒的最大粒徑已經大于粗粒形成的孔隙直徑，即使細粒含量未達填滿粗粒孔隙的程度，但粗粒孔隙已有被細粒撐開的可能性，使混合料中的粗?？紫洞笥谠紶顟B，故最優組合狀態時細粒含量達30%，稍大于不連續級配的寬級配土25%的試驗結果。

表4 級配連續寬級配土的粗細粒區分粒徑Table 4 Specification particle of coarse grain and fine particle of continuous grading gravelly soils

文中D15表示粗粒組成中小于該粒徑的土重占粗?？偼林氐?15%；d85表示細粒組成中小于該粒徑的土重占細?？偼林氐?5%。

無需再引用其他資料，由上述兩組資料就可表明，對寬級配的土，可以將其分解為粗、細兩個部分，分別研究粗、細粒的基本性質，然后可以以細粒含量的多少判別混合料的基本性質。粗、細粒區分粒徑的區分原則是，對于級配不連續缺乏中間粒徑的寬級配土，以缺少的粒徑為粗、細粒的區分粒徑，對級配連續的寬級配土，應以幾何平均粒徑為區分粒徑，幾何平均粒徑中采用的特征粒徑分別為d70和d10，即區分粒徑 dq=，d70表示混合料中土重小于總土重70%的土顆粒的最大粒徑，d10表示混合料中土重占總土重10%的土顆粒的最大粒徑。

表5給出了圖1中的6條顆粒分析曲線的粗、細含量的區分粒徑 dq，表明對同一種土，采用不同的區分粒徑，求得的細粒含量是不相同的。

表5 試驗土料粗粒和細粒之間的區分粒徑與細粒含量Table 5 Specification particles of coarse grain and fine particle of test materials

5.3 細粒填滿粗?？紫扼w積時的最優細粒含量

細粒填滿粗料孔隙后，粗、細粒將共同組成一個內部協調的建筑材料，既有高的強度和低的壓縮性，又有好的防滲性能和高的抗滲強度，這種情況下的細粒含量將稱為最優細粒含量。以它為準則，可以判別土的滲透穩定性。如果混合料中的細粒含量小于最優細粒含量，這種土將是管涌型土，細料含量大于最優含量時，滲透破壞型式將是流土型。找到一簇寬級配土中某一種土的細料含量為最優細粒含量，對進一步分析這簇寬級配礫石土的滲透變形特性將會具有重要意義，

在分析最優細粒含量時，可以認為最優級配的混合料中粗粒是土體骨架，細粒只是起填充粗料孔隙的作用，不改變粗粒本身的孔隙體積，而混合體的孔隙體積歸屬于細粒的孔隙體積，于是可求得確定細粒剛剛填滿粗粒孔隙，即開始參與骨架作用時的細粒含量的理論計算公式[6]:

式中:Pop為理想狀態最優細粒含量（%）；ρd1為細粒干密度（g/cm3）；n1為單位土體細粒的孔隙體積；n2為單位土體粗粒的孔隙體積；ρs1為細粒土土粒密度（g/cm3）；ρs2為粗粒土土粒密度（g/cm3）。

對同一類土而言，可以認為

式中:ρs為混合土體土粒密度（g/cm3）。

式（1）的物理概念可用圖3表示。圖3表示某一單位土體中混合料、粗粒、細粒及孔隙率等各類體積之間的關系，其中孔隙體積以孔隙率來表示。圖 3(a)表示單位體積的混合料中，混合料的孔隙體積n與粗粒中孔隙體積n2，以及混合料中全部顆粒的顆粒體積（n-1）三者之間的關系。圖中同時表明，粗粒的孔隙體積包括有細粒的顆粒體積和混合體的孔隙體積兩個部分。圖3(b)進一步表述了粗?？紫扼w積n2中細粒的顆粒體積與細?？紫扼w積n1之間的關系，在此將混合料的孔隙體積n同時視為細粒的孔隙體積，并以n1來表示:

式中:n為粗、細混合料單位土體的孔隙體積。將式（2）～（4）代入式（1）可得

圖3 最優級配時混合料中粗粒和細?？紫扼w積之間的關系Fig.3 Variations of void volume of coarse grain and fine particle of mixture material

式（5）是考慮細粒剛剛填滿粗?？紫稌r，混合料中細粒含量的理論計算式，亦即細粒在充填粗粒孔隙的過程中，粗?？紫秳倓偙惶顫M，但粗粒的孔隙體積卻沒有發生任何變化的理想情況。

一些試驗資料表明，當細粒和粗粒摻合后，盡管細粒的數量剛能填滿粗粒的孔隙，但總會有少量的細粒摻雜于粗粒顆粒之間，使粗粒的實際孔隙n2大于單獨存在時的孔隙體積。進一步分析一些混合料的擊實試驗結果可知，由于粗粒原始孔隙的增大而增加的細料含量p＇與粗粒的D15和細粒的d85的比值大小有直接關系，即

此時，粗粒實際的孔隙率為

于是式（5）可寫為

式中:nc為粗粒單獨存在時的孔隙率，決定于粗粒的不均勻系數，可寫為[8]

式中:n0為土體由均勻顆粒組成、不均勻系數Cu=1時的孔隙率，變化于0.26～0.48之間，平均值0.37，瀑布溝土料按區分粒徑將其分為粗、細兩個部分后，粗粒的粒徑組成繪于圖 4。由圖可知，粗、細粒之間的區分粒徑分別為0.17、0.35、0.71 mm。從圖4可知，瀑布溝土料粗粒的不均勻系數變化于7～17之間，取小值10，則粗粒的孔隙率為

圖4 瀑布溝土料P1、P2和P3中粗粒的顆粒組成Fig.4 Granular composition of coarse grain materials in Pubugou project

則式（8）可寫為

5.4 滲透變形類型分析方法

已知一簇礫石土的顆粒組成曲線，根據式（11）求得該簇礫石土的最優細粒含量后，就可以此最優細料含量判明該簇寬級配礫石土的滲透穩定性?？梢钥隙ǎ敿氼w含量剛剛填滿粗?？紫扼w積時，二者的關系并不可能立即處于相互緊密結合狀態，因此，滲透破壞也不可能由管涌型立即轉變為整體滲透破壞。要出現整體滲透破壞，仍然存在一個過渡階段，因而滲透變形型式必然會隨細粒含量的由少增多存在管涌、過渡型和流土3種形式，為此將最優細粒含量判別滲透變形型式的準則進一步分為以下3種類型。

礫石土的滲透破壞特征可根據最優細粒含量按下式確定:

對依斯托美娜及瀑布溝礫石土的滲透穩定特性按式（11）、（12）計算分析結果列于表6。

表6 滲透變形試驗結果分析Table 6 Experiment results of seepage stability experiment

由表6可知，按式（11）計算結果，幾種土的最優細粒含量變化于24%～28%之間，與缺乏中間粒徑砂礫石的試驗結果相一致。表6中同時給出了滲透穩定試驗結果，比較計算分析結果與試驗結果二者基本相一致。表明用式（11）、（12）分析寬級配土的滲透變形特性有一定的可靠性。

6 結 論

（1）瀑布溝黑馬I區土料就滲透穩定性而言，最粗土料的臨界水力比降達2以上，破壞型式為過渡型，最細的土料臨界水力比降達10以上，破壞型式為流土型，都是較好的防滲土料。

（2）從瀑布溝礫石土試驗結果表明，礫石土只要小于5 mm的顆粒含量大于35%，小于1 mm的顆粒含量大于18%，就可初步判定土的內部結構是穩定的，在無反濾保護下破壞水力比降大于3，在合適的反濾層保護下完全可以滿足高壩防滲體的要求。小于0.005 mm的顆粒含量不一定要求大于10%。瀑布溝大壩心墻礫石土料現場質檢情況，小于0.005 mm的顆粒含量平均值為5%，實踐證明是可行的。

（3）礫石土的滲透穩定性可用最優細粒含量法進行判定，最優細粒含量可用式（11）計算，滲透穩定性的評定準則，管涌型 P≤0.9Pop，流土型P＞1.1Pop，過渡型 P =0.9Pop～1.1Pop。

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