關(guān)于合理確定均質(zhì)土堤滲透性參數(shù)的探討

汪燊 韶關(guān)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司

1.引言

堤防中均質(zhì)土堤的結(jié)構(gòu)形式最為簡(jiǎn)單，在粘性土料豐富的地區(qū)應(yīng)用也最為廣泛。在新建堤防設(shè)計(jì)及已建堤防的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，該類(lèi)土堤堤身滲透系數(shù)是進(jìn)行滲流和滲透穩(wěn)定計(jì)算的關(guān)鍵性參數(shù)，但通過(guò)各類(lèi)試驗(yàn)方法提出該參數(shù)后，其代表性及真實(shí)性往往存在較大爭(zhēng)議，現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)比分析常用注水試驗(yàn)的過(guò)程及成果。試驗(yàn)背景：肇慶市某段土堤位于花崗巖地區(qū)，需加固的堤長(zhǎng)約3.2km，堤頂寬度一般3.0～3.5m，堤頂多為土路，局部為砂石路及水泥路，堤高4.5～5.0m。堤身填土主要以硬可塑狀砂質(zhì)粘土為主，堤身局部為粘土夾碎石，土堤與下部粘土質(zhì)細(xì)砂及粘土層共同構(gòu)成迎水面岸坡。該土堤存在多處蟻害，且局部段洪水期發(fā)生堤身滲漏，堤后坡有多處滲漏點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有水利行業(yè)規(guī)程規(guī)范，為了獲得該段土堤堤身滲透性參數(shù)，各試驗(yàn)點(diǎn)位均同時(shí)采用了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)、試坑注水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)等三種方法。

2.試驗(yàn)設(shè)定

為了注水試驗(yàn)在一定的堤身深度下進(jìn)行，并查明堤身土層結(jié)構(gòu)及可能存在的生物洞穴及裂縫分布情況，且雙環(huán)注水法的滲入深度也需采用挖坑法確定，因此全部試驗(yàn)點(diǎn)位均布置了探坑。為了統(tǒng)一試驗(yàn)環(huán)境，探坑均設(shè)置在終孔后的鉆孔孔位旁，且探坑深度H接近鉆孔降水頭試驗(yàn)點(diǎn)深度h，各試驗(yàn)方法的設(shè)定如下：

（1）試坑注水試驗(yàn)：粘性土堤身毛細(xì)力作用一般較大，單環(huán)注水法雖然程序較為簡(jiǎn)單耗時(shí)短，但測(cè)得的滲透系數(shù)誤差較大，因此選用雙環(huán)注水法更為合適。為了增加垂向滲流面面積，試環(huán)選50cm較大直徑的尺寸。該法用下列公式計(jì)算滲透系數(shù)值：

式中：K—滲透系數(shù)（cm/s)；Q—內(nèi)環(huán)的注入流量（L/min)；F—內(nèi)環(huán)的底面積（cm2)；H—試驗(yàn)水頭（cm）；Ha—試驗(yàn)土層的毛細(xì)上升高度（cm）；z—從試坑底算起的滲入深度（cm）。

（2）鉆孔注水試驗(yàn)：堤身為滲透性較小的粘性土，常水頭注水試驗(yàn)不適用，大部分堤身均位于水位以上，試驗(yàn)區(qū)域均可視為在包氣帶內(nèi)，宜采用降水頭注水試驗(yàn)方法，其計(jì)算公式如下；

式中：K—試驗(yàn)土層的平均有效滲透系數(shù)（cm/min)；r—注水管內(nèi)半徑（cm)；t1、t2—觀(guān)測(cè)時(shí)間（min）；H1、H2—當(dāng)t=t1、t=t2時(shí)從孔底算起的管內(nèi)水柱高度（cm）；Sr—試驗(yàn)土層的最終飽和度；n—試驗(yàn)土層的孔隙度。

（3）室內(nèi)滲透試驗(yàn)：堤身為細(xì)粒土，宜采用變水頭試驗(yàn)。試驗(yàn)的試樣來(lái)源于試坑的坑壁及坑底，其計(jì)算公式如下：

式中：a — 變水頭管截面積（cm2）；L—滲徑（cm）；h1、h2—開(kāi)始、終止時(shí)水頭（cm）；A—試樣的斷面積（cm2）。

3.試驗(yàn)成果對(duì)比

由于各點(diǎn)進(jìn)行的三種注水試驗(yàn)土層基本一致，且各試驗(yàn)間先后進(jìn)行互不干擾，試驗(yàn)成果具可比性。由表1中數(shù)據(jù)可得出，大部分試驗(yàn)均有K1（試坑雙環(huán)注水試驗(yàn)）＞K2（鉆孔降注水試驗(yàn)）＞K3（側(cè)壁樣室內(nèi)變水頭試驗(yàn)）＞K4（坑底樣室內(nèi)變水頭試驗(yàn)）的規(guī)律；從試驗(yàn)成果平均值來(lái)具體看，各數(shù)值比例K1：K2：K3：K4=30：6：4.5：1，但具體到某一試驗(yàn)點(diǎn)，各滲透系數(shù)值對(duì)比后的比例及大小順序可能發(fā)生一定變化。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果與室內(nèi)試驗(yàn)成果有一定差距，其中試坑注水試驗(yàn)成果遠(yuǎn)大于室內(nèi)試驗(yàn)成果，但鉆孔注水試驗(yàn)成果略大于室內(nèi)試驗(yàn)成果，分析差距產(chǎn)生的原因?yàn)椋涸嚳幼⑺囼?yàn)所用試環(huán)內(nèi)徑為49.6cm，鉆孔注水試驗(yàn)套管內(nèi)徑為11.8cm，室內(nèi)變水頭試驗(yàn)所用環(huán)刀內(nèi)徑為6.18cm，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)土層截面積分別為：1932cm2、109cm2、30cm2；可見(jiàn)試坑注水法的試驗(yàn)土層截面積遠(yuǎn)大于其他試驗(yàn)方法，且現(xiàn)場(chǎng)試環(huán)內(nèi)見(jiàn)土中細(xì)微裂隙分布，局部存在裂隙寬度大于2mm，試驗(yàn)土層截面積大更有利于還原試驗(yàn)土層結(jié)構(gòu)及其存在的裂隙，而環(huán)刀取樣截面上大多只有少量裂隙，鉆孔內(nèi)套管底面情況類(lèi)似，此時(shí)試驗(yàn)條件的尺寸效應(yīng)影響將會(huì)變得很大，若截面積較小可能導(dǎo)致試驗(yàn)成果嚴(yán)重偏小。

表1 三種注水試驗(yàn)成果對(duì)比表

室內(nèi)側(cè)壁樣的滲透系數(shù)值有一半數(shù)據(jù)大于室內(nèi)坑底樣，最大是后者的22倍，另外一半兩者間數(shù)據(jù)基本持平。側(cè)壁樣成果可視為堤身的水平滲透系數(shù)，坑底樣成果可視為堤身的垂直滲透系數(shù)，該表反映了堤身K水平＞K垂直，與相關(guān)研究相符。這進(jìn)一步驗(yàn)證了土堤組成存在分層現(xiàn)象，探坑揭示取料均一性一般，有砂質(zhì)粘土、粘土夾碎石、含碎石粘土、且局部含中等透水的粘土質(zhì)細(xì)砂層（分布在T6、T10）。

在T1、T5、T6、T8、T11試驗(yàn)點(diǎn)附近，洪水期土堤曾出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，試坑注水試驗(yàn)滲透系數(shù)值在2.61×10-4～2.89×10-3cm/s，屬于中等透水，且T8及T11探坑中發(fā)現(xiàn)蟻穴，蟻穴分布較頻繁，僅K1+580～ K1+880范圍就發(fā)現(xiàn)16處蟻穴。試坑試驗(yàn)成果和探坑揭露情況均與歷史險(xiǎn)情一致，但室內(nèi)試驗(yàn)所反映的土層透水性均為弱透水，其代表性較差。

4.結(jié)論

通過(guò)以上分析比較可知，試坑雙環(huán)注水試驗(yàn)明顯優(yōu)于其他注水試驗(yàn)方法，由于試驗(yàn)中在內(nèi)環(huán)和內(nèi)外環(huán)之間同時(shí)注水，內(nèi)外環(huán)之間為三維流，內(nèi)環(huán)近似為平行流，其成果可視為土堤的垂直滲透系數(shù)，但土堤及土壩滲透性評(píng)價(jià)主要取決于水平滲透系數(shù)，結(jié)合有關(guān)資料結(jié)論K水平：K垂直=3，堤壩滲透系數(shù)可取K1的3倍左右。另外，無(wú)論單環(huán)法還是雙環(huán)法，都要求試驗(yàn)土層是均質(zhì)各向同性的，若試驗(yàn)土層是互層或存在夾層，試驗(yàn)成果將出現(xiàn)較大誤差，因此選用該法宜提前通過(guò)探坑揭示堤身土層，盡量避免在分層中進(jìn)行試驗(yàn)。