山區中小河流清灘料碎石土堤滲流特性探討

張 挺，賈 愷，杜秀忠，黃錦林，孫昌利，余允吉

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

山區中小河流位置偏遠，交通不便，若采用傳統的筑堤材料粘性土，則運輸成本較高，與此同時伴隨堤防建設，當地往往存在大量的清灘碎石土，而傳統觀念認為無粘性土筑堤風險較高。近年來隨著清灘料碎石土(以下簡稱“清灘料”)筑堤技術研究的不斷進步，越來越多的山區中小河流采用了這種筑堤材料。 研究前期通過對清灘料材料特性的研究[1]，討論了清灘料筑堤的可能性，與此同時，也在研究清灘料在水位驟降條件下的特性如何。水位暴漲暴落是山區中小河流的典型特性，短時內的水位急劇變化會造成堤防內滲流場的快速變化，根據筑堤材料的不同，變化特性也有所不同。

碎石土特性研究方面，董倩[2]等認為采用公式估算法評價山區碎石土回填地基的強夯加固效果具有局限性，而單一試驗檢測評價方法可靠性低、成本高，只有綜合采用瑞雷波、荷載板和動力觸探法才是山區碎石土回填地基經濟、適用、可靠的檢測評價法；王雙等[3]收集92組碎石土滲透試驗數據，訓練并測試神經網絡，認為d10是關鍵粒徑；d50是分界粒徑；張國棟等[4]認為碎石含量與滲透系數之間關系符合指數關系，顆粒級配對滲透特性的影響主要是不均勻系數和特征粒徑，滲流前后顆粒級配的變化與水力梯度有關。

水位降落條件下堤防的非穩定滲流特性問題已有許多學者做出了不少成果，段祥寶[5]通過砂槽模型室內試驗模擬了粉砂、細砂、黏土等多種材質的邊坡在水位降落過程中的非穩定滲流物理過程，分析了水位降落過程中上游邊坡的滲流場特點，比較了不同邊坡材料、滲透特性、坡比和水位降落速度的泄水過程中邊坡滲流場自由面形式和等勢線變化特點；王民俠[6]用不同公式進行了水位下降快慢的判別，提出了水位驟降期壩型調整和穩定計算指標合理性問題；詹美禮等[7]研究發現堤壩模型中各點的吸力不僅與水位變化、各點所處的位置有關，同時也受大氣溫度、濕度、蒸發等外界環境因素的影響，水位變化因素占優還是蒸發因素占優，決定著堤壩非飽和區負壓的變化發展方向；李子陽[8]以庫水位驟變全過程為分析工況，基于非穩定滲流理論，考慮滲透系數與基質吸力之間的非線性關系，研究了典型土石壩工程的非穩定滲流場變化規律和滲透穩定性，并對壩坡瞬態抗滑穩定系數進行了計算。各類研究雖多，但針對清灘料筑堤的研究較少。

本文通過進行現場試驗與室內試驗，測定清灘料堤防的滲透特性，并基于此進行水位暴漲暴落條件下堤防滲流場變化的探討。

1 清灘料滲透特性

為了研究清灘料堤防的滲透特性，在韶關某河道現場取樣(如圖1所示)進行篩分試驗，試驗結果如圖2所示?？梢钥吹饺忧鍨┝螩u=51.5，Cc=1.09。

該典型樣本Cu>10，屬級配良好，說明土粒不均勻，有足夠的細土粒去充填粗土粒形成的孔隙，且Cc=1～3級配良好。上述級配曲線為本次現場取樣實驗結果典型代表，尚有部分取樣Cc<1，表明清灘料具有一定的不均勻性。

測定清灘料滲透系數分為兩類試驗：A類試驗水流方向自下而上，細顆粒會發生流失，B類試驗水流自上而下，同時在下部鋪設濾網，細顆粒不易發生流失，試驗如圖3所示。兩類試驗均為常水頭試驗。

從圖3中可以明顯的看到，A類試驗細顆粒隨著水流方向向上，進入上層水體后水體渾濁，進而隨水流由溢流管流出，土體細顆粒逐漸減少；B類試驗對細顆粒進行反濾，保證了清灘料級配的穩定性，上層水體清澈無砂。

A類試驗進行13組，B類試驗進行9組，結果如圖4所示，考慮到滲透系數主要是以量級進行衡量，圖中縱坐標采用以10為底的對數來表示。

圖4中可以明顯的看到A類試驗的結果位于i×10-1cm/s量級，B類試驗的結果位于i×10-2cm/s量級，取平均值后，A類試驗測得清灘料滲透系數為2.81×10-1cm/s，B類試驗測得清灘料滲透系數為4.65×10-2cm/s。

從上述試驗可以看到，即使細顆粒不流失，清灘料的滲透系數也是較大的。

考慮室內試驗會受到取樣過程等影響，進行了現場原位滲透試驗?，F場仍選定韶關某清灘料堤防，采用探坑注水法進行現場注水試驗。試驗成果繪制于圖4中，從圖4中可以看到，現場注水試驗得到的滲透系數比B類試驗降低1～2個數量級，其平均數為2.91×10-3cm/s。

2 清灘料水平允許滲透坡降

目前進行工程設計時，土體水平允許滲透坡降很多都是參考《水閘設計規范》(SL265—2016)中的規定得到，而該規范并未對清灘料進行規定和描述，為此進行水平滲透試驗，研究清灘料堤防的水平允許滲透坡降。

試驗在砂槽內進行，試驗裝置如圖5所示。

試驗模型箱內裝填清灘料，裝填時分層壓實，人工修坡至1:2，后逐級增加上游穩壓供水系統的水壓，每級增加水頭后靜置30 min，待滲流場穩定后讀取各測壓管讀數。試驗得到的平均坡降如表1所示。

從上表1可知，隨著模型平均水力坡降的增加，滲流量逐級增加。試驗開始時，土體的滲透系數與現場注水試驗的部分測試結果較接近，這是填裝時分層壓實的結果，與現場筑堤壓實過程一致；隨著加載的進行，由測壓管讀數計算得到的平均水平滲透系數也在逐級增加，直至加載至水平平均水力坡降為0.63，接近極硬粘土的水平允許坡降。這種現象與一般的隨平均水力坡降增加細顆粒逐漸流失，滲透系數增大，發生滲透破壞有著明顯的區別，這與清灘料的細顆粒含量及碾壓密實度有關。

3 清灘料堤防水位驟降下的滲流場

山區河流最重要的特點是暴漲暴落，為了研究清灘料堤防在中小河流暴漲暴落條件下的滲流場變化特征，基于前述試驗成果，采用有限元進行數值分析。

建立以下堤防剖面進行分析計算(如圖6所示)。

根據前述試驗成果，清灘料在天然狀態下的滲透系數大約為10-2cm/s量級，在現場壓實狀態下滲透系數可達到10-3cm/s量級，在室內水流壓密狀態下可達到10-5cm/s量級，因此，取兩個典型值進行計算，小值1×10-4cm/s(介于現場壓實和室內壓實之間)和大值1×10-2cm/s(天然狀態)，分別計算堤防滲流場的變化；其中當滲透系數為1×10-2cm/s時，實際工程中往往采取防滲措施，以貼坡防滲為例進行計算。

水位過程線采用某實測山區河流洪水過程線，如圖7所示。

圖7中可知，在洪水暴發后，水位驟升，9 h處水位上漲4.81 m，隨后水位發生驟降，16 h處水位降至僅上漲1.4 m，隨后水位逐漸下降，31 h后，水位降落較緩，至63 h處，水位降至上漲0.28 m，基本恢復原水位，模型中初始水位為堤基以上1.0 m。

注：圖中數字為暴漲時間(單位：h)

圖8 水位暴漲暴落堤防浸潤線變化示意

從圖8中可知，當滲透系數較小(k=1×10-4cm/s)時(圖8a)，堤防內部的浸潤線升降滯后較多，整個洪水過程對堤防的影響范圍較小，浸潤線在堤身下游段的位置基本不變；當滲透系數較大(k=1×10-2cm/s)時(圖8b)，堤防內部浸潤線升降與河道水位變化進度較為接近，且浸潤線線形狀相似，當河道水位漲至最高水位時，浸潤線接近最高水位穩定浸潤線，河道水位變化對堤身影響范圍大，會影響到整個壩體；在k=1×10-2cm/s模型中設置貼坡防滲后(圖8c)，可以看到貼坡防滲有著明顯的作用，顯著降低了浸潤線水頭，當河道水位暴漲暴落時，在一定程度上呈現堤防滲透系數較小時的特性(圖8a)，有較大的滯后性，且相較圖8b而言，河道水位變化對堤防影響范圍較小，但是由于貼坡防滲厚度較小，對堤身水位降低效果有限，其浸潤線影響范圍較圖8a還是會更大。

堤防在圖7所示水位條件下，滲流量如圖9所示。

從圖9中可知：當滲透系數較小(k=1×10-4cm/s)時(圖9a)，水位暴漲暴落峰值滲流量與最高水位穩定滲流量相差較大，暴漲暴落時滲流量的增加量較??；但是當滲透系數較大(k=1×10-2cm/s)時(圖9b)，水位暴漲暴落峰值滲流量與其對應最高水位穩定滲流量較為接近；設置貼坡防滲后，整體滲流量明顯下降，但水位暴漲暴落時，其峰值對應的堤身最大滲流量，均與各自對應的峰值水位在穩定滲流時的滲流量接近。

4 結語

1) 清灘料碎石土顆粒粒徑范圍較廣，細顆粒含量的多少及密實程度對整體的滲透系數影響較大。

2) 清灘料碎石土疏松時滲透系數較大，筑堤碾壓密實后滲透系數較小，兩者相差約2個數量級。

3) 清灘料堤防碾壓密實時，防滲性能較好，河道水位暴漲暴落時堤身浸潤范圍較小，滲流量較?。划斈雺翰粔蛎軐崟r，堤防內浸潤線變化與河道水位變化關系密切，堤身全范圍均受到影響，設置貼坡排水后可以有效降低堤身浸潤線水位，較少滲流量，但堤身受影響范圍仍然較大，無論是否設置貼坡防滲，水位暴漲暴落時,其峰值對應的堤身最大滲流量,均與各自對應的峰值水位在穩定滲流時的滲流量接近。

4) 室內試驗中清灘料水平最大允許坡降較大，該結論尚需進一步進行研究。