密實高黏性細粒土高水頭滲透試驗研究

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 蚌埠 233000）

1 引言

測定土體滲透系數方法通常有野外注水試驗、野外抽水試驗和室內滲透試驗，其中室內滲透試驗分為常水頭和變水頭滲透試驗，常水頭滲透試驗適用于粗粒土，易測得土體滲透系數；變水頭滲透試驗適用于細粒土，目前土工試驗行業(yè)使用的設備為2m 水頭高度的TST-55型試驗裝置。室內變水頭試驗測定密實、高黏性細粒土滲透系數時常會出現10余天都不透水的情況，甚至最后數月亦不透水，既占用設備資源，又影響土工試驗報告進度乃至項目工程進度。

2 滲透機制及原理

具有被水透過的性能稱為土的滲透性，滲透問題是土力學三個重要問題之一，室內滲透試驗如何測得準確的滲透系數對水利工程起到至關重要的作用，水在土體孔隙中的滲透是一種十分復雜的水流現象，原理符合達西滲透定律（式中：v—滲透速度；k—滲透系數；i—水力梯度；h—水頭；l—滲徑長度），可以看出滲透系數的定義為單位水力梯度的滲流速度，現將兩種典型土的滲透速度與水力梯度的關系繪制如圖1。

從圖1（a）中可看出一般砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關系，從圖1（b）中可看出密實、高黏性細粒土呈非線性關系，為實用方便，常用圖1（b）中的虛直線來描述密度、高黏性細粒土的滲透速度與水力梯度的關系，并用公式v=k（i-ib）（ib為起始水力梯度）表示。對于密實、高黏性細粒土，由于土體內吸著水具有較大的粘滯阻力，因此當水力梯度i 超過起始水力梯度ib后，即克服吸著水的粘滯阻力后，土體才能發(fā)生滲透。一定范圍內水力梯度i越大，克服吸著水的粘滯阻力所需的時間就越短，土體發(fā)生滲透的時間就越快，當i ＜ib時，土體不透水。

3 試驗方案及數據

圖1 典型土的滲透速度與水力梯度的關系圖

表1 平行測定滲透系數對比成果表

室內變水頭試驗土餅厚度要求為2cm 或4cm，本次研究采用2cm 厚度土餅，若想進一步增加水力梯度，唯有增加水頭來實現，但無限增加水頭又會導致土體發(fā)生滲透變形，本次研究決定以3倍原水頭（6m 高水頭）來實現增加水力梯度。

試驗土樣主要選自引江濟淮工程、江巷灌區(qū)工程、安徽省淮河流域行蓄洪區(qū)建設工程和懷洪新河洼地治理工程，這些工程位于安徽省境內江淮分水嶺和淮河流域。試樣年代為第四系上更新統，特點具有干密度大、黏粒含量高特點。現將2m變水頭試驗設備和6m變水頭試驗設備平行測定試樣滲透系數列于下表1，表中所述開始滲水所需天數用整天數表示，誤差在8h以內。

4 試驗結果分析及結論

（1）所測20組試樣滲透系數均屬極微透水，且同一試樣滲透系數較接近，說明增大水力梯度對測得試樣的滲透系數量級沒有影響，且符合規(guī)程規(guī)范要求，進一步說明水力梯度增大到300時，試樣未發(fā)生滲透變形。

（2）試樣BXY1-7和XLC3-1 用2m變水頭試驗設備試驗未測得滲透系數，當采用6m變水頭試驗設備時，測得的滲透系數為1.09×10-9～2.81×10-9cm/s，試驗過程把高水頭設備水頭降到2m以下，亦出現了不透水的情況，說明此兩組試樣吸著水的粘滯阻力較大，起始水力梯度ib＞100。

（3）此次試驗研究采用2m變水頭試驗設備測得試樣滲透系數小于1.00×10-8cm/s時，開始滲水時間最快需要116h，而采用6m變水頭試驗設備只需21h。

（4）2m變水頭試驗設備測得試樣開始滲水所需時間一般為6m變水頭試驗設備的2～4倍，個別達10倍余，說明室內變水頭滲透試驗水頭提高至6m，對于密實、高黏性細粒土是可行的，大大縮短了試驗時間■