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(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)沉積物十分發(fā)育。據(jù)資料顯示，該地區(qū)第四紀(jì)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(dá)90 km2，并且其形成原因較為復(fù)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(fù)雜、粒徑差異較大、結(jié)構(gòu)較密實(shí)等特點(diǎn)，因此對(duì)該地區(qū)深厚礫石層的滲透特性進(jìn)行探究具有重要的意義。

自從Darcy通過對(duì)兩種均勻砂質(zhì)濾床進(jìn)行試驗(yàn)，并總結(jié)提出達(dá)西定律以來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于土體的滲透特性及其影響因素進(jìn)行了較為深入的研究，如王一冰等[1]通過降雨模型試驗(yàn)，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(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響；宋林輝等[3]通過對(duì)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(shí)處于流動(dòng)狀態(tài)，在水力梯度較小時(shí)處于黏滯狀態(tài)；楊進(jìn)兵等[4]對(duì)泥石流堆積物中細(xì)顆粒含量與滲透系數(shù)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出泥石流堆積物滲透性主要影響因素是細(xì)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(shì)通道特征；謝定松等[6]進(jìn)行粗粒土滲透試驗(yàn)，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(xì)粒顆粒組成；趙茜等[7]通過三軸滲透試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)對(duì)黃土滲透特性的影響；張國棟等[8]通過碎石土的滲透試驗(yàn)得出顆粒級(jí)配對(duì)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(fù)相關(guān)關(guān)系；蘇立君等[10]提出砂土的均值粒徑對(duì)滲透系數(shù)具有很大的影響；胡明鑒等[11]通過進(jìn)行細(xì)顆粒對(duì)鈣質(zhì)砂滲透性影響的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)粒含量增加會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)減小，但在不同細(xì)粒含量下滲透系數(shù)的減小幅度不同。王珂等[12]研究了應(yīng)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(yàn)得出試樣在圍壓作用下產(chǎn)生了對(duì)抗?jié)B不利的集中剪切帶。曹彭強(qiáng)[14]通過滲透試驗(yàn)、固結(jié)與剪切試驗(yàn)，研究了降雨入滲對(duì)于岸坡穩(wěn)定性的影響；劉天奇等[15]通過土壤滲透儀進(jìn)行室內(nèi)變水頭滲透實(shí)驗(yàn)，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(xué)者對(duì)土體的滲透特性進(jìn)行了較為全面的研究，但對(duì)于西南地區(qū)這類沉積特征及工程特性較為復(fù)雜的深厚礫石層，目前很少有學(xué)者對(duì)其滲透特性進(jìn)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(gè)具有代表性的礫石層剖面，通過野外實(shí)地調(diào)查及篩分，并采用等量替代法對(duì)土樣重塑，在室內(nèi)進(jìn)行四種不同顆粒級(jí)配土樣的滲透試驗(yàn)，并計(jì)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(zāi)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(shì)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(zāi)情發(fā)生[16]。區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)堆積物十分發(fā)育，總覆蓋面積達(dá)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(jí)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(duì)好的塊石，并富集有粒徑在200 mm以上的巨顆粒，推測(cè)可能是在短期大量水流帶動(dòng)下沉積形成的。樣品顆粒級(jí)配如圖2(a)所示，取樣點(diǎn)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(duì)較小，磨圓相對(duì)好于較高高程處。取樣點(diǎn)及顆粒級(jí)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(shí)度表現(xiàn)為稍密實(shí)；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(shí)度為密實(shí)，取樣點(diǎn)及顆粒級(jí)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(diǎn)及顆粒級(jí)配曲線見圖3(d)，圖2(d)。

圖2 四取樣點(diǎn)級(jí)配曲線

圖3 參考點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)土樣

3 試驗(yàn)裝置及方案

3.1 試驗(yàn)裝置

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

3.2 試驗(yàn)方案

為了模擬現(xiàn)場(chǎng)礫石層的顆粒級(jí)配，將現(xiàn)場(chǎng)樣品進(jìn)行晾曬和篩分，篩分成9個(gè)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(jìn)行分裝，再根據(jù)級(jí)配對(duì)土樣重塑，由于參考點(diǎn)土樣最大粒徑超過本次試驗(yàn)滲透儀的最大允許粒徑，所以需要將土樣級(jí)配重新處理，本次試驗(yàn)采用等量替代法對(duì)粒徑大于5 mm的土粒進(jìn)行處理，其計(jì)算方法為：

(1)

重塑后的土樣級(jí)配如圖4所示。

圖4 重塑土樣級(jí)配曲線

為保證試驗(yàn)時(shí)各土樣具有相同的密實(shí)程度且與現(xiàn)場(chǎng)堆積體密度一致，本次試驗(yàn)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(jìn)行錘擊壓實(shí)，控制錘擊次數(shù)使試驗(yàn)土樣密度與現(xiàn)場(chǎng)所取得土樣平均密度一致，均為1.95 g/cm3。滲透試驗(yàn)采用四種試樣一共進(jìn)行四組試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)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(dá)到9 cm。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)四種試樣的室內(nèi)滲透試驗(yàn)，我們得到以下試驗(yàn)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(dāng)水力梯度較大時(shí)，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(dāng)水力梯度較大時(shí)，水的流動(dòng)形式較為復(fù)雜，細(xì)顆粒在粗顆粒之間的空隙中移動(dòng)，最終部分細(xì)顆粒被水流帶出，導(dǎo)致其水流速度與水力梯度呈現(xiàn)非線性的關(guān)系。在試驗(yàn)時(shí)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(yàn)中存在部分細(xì)顆粒的流失，通過計(jì)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(diǎn)原位滲透試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)基本一致。

圖5 1號(hào)試樣流速與水力梯度的關(guān)系

同樣，2號(hào)—4號(hào)試樣的結(jié)果分析如下：

2號(hào)試樣的試驗(yàn)結(jié)果與1號(hào)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(shí)水流流速與水力梯度呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，計(jì)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(diǎn)原位滲透試驗(yàn)所測(cè)得的滲透系數(shù)基本一致。

3號(hào)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(yàn)時(shí)出水口水流較為清澈，表示試驗(yàn)中沒有細(xì)顆粒的流失，通過計(jì)算得出3號(hào)試樣的滲透系數(shù)為k=0.000 85 cm/s，與羊圈門取樣點(diǎn)原位滲透試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)基本一致。

4號(hào)試樣透水性較差，滲透試驗(yàn)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(jì)算得出其滲透系數(shù)約為k=0.000 37 cm/s，與上堰溝取樣點(diǎn)原位滲透試驗(yàn)所測(cè)得的滲透系數(shù)基本吻合。

5 討 論

通過以上四組試驗(yàn)，計(jì)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(duì)其滲透特性與顆粒組成之間的關(guān)系進(jìn)行探究。

5.1 滲透系數(shù)與細(xì)顆粒含量之間的關(guān)系

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

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

圖6 滲透系數(shù)與細(xì)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(xì)顆粒含量。

通過分析我們發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒含量對(duì)滲透系數(shù)的影響并非線性關(guān)系，而是隨著細(xì)顆粒含量的增多，其對(duì)土體滲透性的影響逐漸減小。這可能是因?yàn)橥馏w中細(xì)顆粒含量較少時(shí)，粗顆粒骨架的空隙中充填較少的細(xì)顆粒，水流通過粗顆粒間的空隙進(jìn)行流動(dòng)，此時(shí)土體的滲透系數(shù)相對(duì)較大；隨著細(xì)顆粒含量的增多，粗顆粒骨架之間的空隙逐漸被細(xì)顆粒所充填，從而影響水流在空隙中的流動(dòng)，土體的滲透性也隨之降低，當(dāng)細(xì)顆粒的含量繼續(xù)增加，其對(duì)粗顆粒空隙的填充效果逐漸降低，因此細(xì)顆粒含量對(duì)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(jí)配的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，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(duì)四組試樣的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xì)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(dǎo)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(gè)取樣點(diǎn)的沉積特征差異較大，其礫石含量、密實(shí)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(jí)配，進(jìn)而影響其滲透特性，礫石含量越多，其滲透性也越好；密實(shí)程度同樣也對(duì)滲透特性有著很大的影響，密實(shí)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(xì)顆粒含量，泥質(zhì)含量越多，其滲透性越差。

從整體來看，四個(gè)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(duì)較好；而在較低高程處，礫石層整體粒徑相對(duì)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(duì)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(shí)水流流速與水力梯度滿足線性關(guān)系，當(dāng)水力梯度較大時(shí)則不滿足線性關(guān)系。

(3) 礫石層的滲透性與細(xì)顆粒含量存在明顯負(fù)指數(shù)相關(guān)，細(xì)顆粒含量越多，其滲透性越差，當(dāng)細(xì)顆粒含量增加到一定范圍時(shí)，其對(duì)滲透性的影響會(huì)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(gè)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。