土石壩心墻摻礫土的滲透特性凍融演化規律試驗研究

魯 洋，劉斯宏，張勇敢，楊 蒙，王柳江，李 卓

（1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.大壩長效特性及環保修復技術中西聯合實驗室，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學研究院 大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029）

1 研究背景

我國已建、擬建土石壩的高度日益增大，且大多處于高海拔、高寒的多年凍土和季節性凍土區，建壩條件和運行環境極為嚴酷復雜。心墻壩作為采用當地材料筑壩的代表性壩型之一，其黏土心墻在冬季施工期過程中面臨著土料凍融帶來的嚴峻挑戰，主要表現在：（1）負溫施工條件下的心墻料會因短時凍結造成壓實性能降低；（2）壓實后的心墻料經凍融作用會誘發結構開裂，使得防滲體強度和防滲性能劣化。施工期的兩河口大壩（壩高295 m）是我國在藏區修筑的最大基礎設施，為中國第二、世界第三高土石壩，其施工難度在世界范圍內首屈一指。由于地處川西高原地區，平均海拔接近3000 m，冬季日照時間短，氣候寒冷、干燥，極端最低氣溫可達-15.9 ℃，其摻礫黏土心墻料在冬季填筑過程中面臨著嚴峻的土料凍融問題［1-2］。高寒區土石壩心墻在運行期也存在凍融帶來的安全隱患。例如，加拿大Waterloo Lake 大壩心墻料是一種凍脹敏感性材料，冬季凍脹線從壩頂遷移到壩坡下游側，在凍吸力作用下庫水自上游側遷移到凍結前緣，在心墻內形成冰透鏡體，往復凍脹凍融作用下壓實心墻產生不均勻沉降，導致沿壩頂產生大量縱向裂縫，先期凍融作用嚴重影響心墻的滲透穩定，威脅大壩安全［3］。對此，我國的《碾壓土石壩施工規范》（DL/T5129-2013）規定［4］：“土石壩在負溫下填筑，應編制專項施工措施，壓實土料的溫度應在-1 ℃以上；當日最低氣溫在-10 ℃以下，或在0 ℃以下且風速大于10 m/s 時，應停止施工”。因此，開展凍融作用對寒區筑壩心墻料滲透性演化規律的研究，對指導高寒季凍區心墻壩的安全建設和長期運維具有重要意義。

傳統的中、低土石壩建設中常采用純黏土作為心墻填料，但隨著高壩的建設，發現其存在一系列問題。例如，黏土強度和模量較低，相對壩殼沉降大，拱效應劇烈，易產生裂縫和水力劈裂，難以適應大型機械施工和高強度填筑等。而摻礫黏土心墻料，即在黏土中摻入一定量的礫石，碾壓后可獲得較高的密度和強度、較低的壓縮性，且仍可保持良好的防滲性能，這既提高了力學性能，又減少了黏土的使用量，因此在高土石壩工程中被廣泛用作防滲心墻料［5-9］。國內外諸多學者已圍繞其在常溫環境下的滲透特性開展了大量研究的工作，為高土石壩建設和發展提供了理論支撐［10-15］。然而，凍融作用下摻礫黏土心墻料的滲透特性還鮮有研究。

凍融作為一種強風化作用，對土的滲透性影響顯著［16-19］。許健等［20］開展了凍融過程對原狀黃土滲透特性影響的試驗，認為由于土體內部冰晶生長及冷生結構形成，導致黃土微觀結構的大顆粒集粒數量明顯減少，土粒膠結性變差，滲透性增大。Lu 等［21］進一步研究了干密度和凍融循環對黃土滲透各向異性的影響。Han 等［22］對凍融條件下不同含鹽量非飽和分散性土的滲透特性開展了試驗研究。Starkloff 等［23］研究了凍融循環作用下粉砂土的宏觀孔隙結構和滲透特性演化規律。但以往的研究主要集中在均一土料，其滲透特性主要取決于其干密度或壓實孔隙比。而對于筑壩心墻摻礫土料，它是一種由黏土基質和礫石混合而成二元介質，其滲透規律與其內部的土-石細觀結構分布密切相關。Shelley 等［24］、吳珺華等［25］和李方振等［26］相繼研究了常溫條件下摻礫土料的滲透特性，并探討了摻礫量對滲透特性的影響，但并未從土石細觀結構的角度進行分析，其在凍融作用下滲透特性的演化規律也尚不清晰，相關研究還十分缺乏。

鑒于此，本文以兩河口大壩心墻摻礫混合土料為研究對象，開展凍融條件下筑壩摻礫黏土料的三軸滲透特性試驗，研究圍壓、凍融次數、摻礫量和初始含水率等因素對壓實摻礫黏土滲透特性演化規律的影響，并結合摻礫黏土內部的土-石細觀結構分布特征對其演化機理進行分析，以期為高寒和季凍區土石壩的防滲設計和冬季施工建設提供參考。

2 試驗材料與試樣制備

2.1 試驗材料試驗所用土樣取自兩河口大壩的施工現場。其中，黏土屬于低塑性黏土，土性參數列于表1，礫石料為板巖，由于試樣尺寸的限制，試驗用礫石為現場礫石料縮尺所得，考慮到相似級配法和等量代替法用于滲透試驗存在明顯的局限性，本文選用混合法進行縮尺（比例系數n=2.5）［27-28］，最大粒徑20 mm，最小粒徑2 mm，不均勻系數Cu=3.16，曲率系數Cc=1.14，礫石料顆粒級配曲線如圖1所示。

表1 試驗黏土樣物性參數

圖1 礫石料的顆粒級配曲線

2.2 試樣制備試驗采用直徑101 mm、高度200 mm 的標準圓柱體摻礫黏土試樣，試樣制備的難點主要涉及二元介質混合料如何混摻均勻的問題。經過反復的嘗試，本文采用濕法混摻、分層摻混、分層擊樣的方法制備摻礫黏土試樣，該方法可制得土石分布較為均勻的壓實摻礫黏土試樣（圖2），主要制備過程如下：（1）使用木槌將風干黏土敲碎，并過2 mm 篩，然后根據試驗設計配比向風干土樣均勻噴灑一定質量的水，隨后裝入密封塑料袋中悶料24 h 使其水分均勻。（2）采用振動篩將礫石按照不同粒徑進行篩分分組，礫石表面均勻噴灑一定量的水使其達到飽和面干狀態，隨后根據各試樣摻礫量設計配比分別稱取5 份同級配、同質量的礫石裝入密封袋。（3）制樣時將一份濕黏土與一份飽和面干礫石混摻均勻，采用筆者改進的分層定位擊實裝置［19，29］將混合料壓實至設計干密度（每層的壓實厚度為40 mm），第一層混合料擊實完成后將其表面充分刨毛，然后加入第二層摻混料，如此反復直至5 層，完成試樣制備。

圖2 摻礫黏土試樣制備

3 試驗方案

3.1 凍融試驗將包裹有保鮮膜的摻礫黏土試樣置于河海大學水工結構研究所自研的凍融試驗箱內進行凍融循環試驗（圖3）。根據經驗，12 h 的凍結或融化時間可足夠保證樣品內部溫度到達平衡狀態，且凍融過程對土強度變形的劣化影響一般在第1、2 次循環時最為顯著，在10 次左右時達到一個較為穩定的狀態。故本文試驗擬定凍融方案為：-10 ℃下凍結12 h，室溫（約20 ℃）下融化12 h 為一個循環，凍融循環次數取為：0、1、2、3、5、7 和10。凍結過程為封閉系統下的多向快速凍結，以保證凍結過程中試樣內部水分遷移較少［30-31］。

圖3 凍融循環試驗箱

3.2 滲透試驗采用柔性壁三軸滲透儀，對經歷不同凍融循環次數的摻礫黏土試樣進行三軸滲透試驗，分析其宏觀滲透特性的變化規律。將經歷一定凍融次數的試樣置于真空缸內進行抽氣約180 min，然后進水浸泡24 h 以上。將飽和后的試樣安裝在三軸滲透儀器上，對其逐級施加圍壓100、200、300、400、500 和600 kPa，進行固結滲透。具體試驗方案如表2所示。其中，第1—4 組為研究摻礫量的影響，不同摻礫量的試樣均在其全料最優含水率下以相同的壓實度制樣，為防止試樣擊實制備過程中礫石顆粒破碎而影響其初始級配，同時考慮試樣分層擊實的難易程度，參照相關試驗經驗，制樣時控制壓實度為0.8［30］；第3、5—9 組為研究凍融次數的影響，試樣摻礫量均控制為30%，且在其最優含水率下制樣；第3、10—13 組為研究初始含水率（全料含水率）的影響。

表2 試驗方案

4 試驗結果與分析

4.1 圍壓的影響圖4 是不同圍壓下滲透系數和孔隙比的變化規律（以8.3 %含水率、30 %摻礫量的試樣為例）。圍壓的改變將直接導致試樣孔隙比產生變化，進而影響試樣的滲透系數，孔隙比的變化從材料的內部孔隙結構角度直接反映了滲透系數變化的本質原因。本文試驗中，試樣孔隙比的變化由試驗過程中體變管的排水量以及初始孔隙比換算得到。由圖4 可見，隨著圍壓的增加，滲透系數逐漸降低并趨于一個較穩定的范圍；當圍壓從0 增大至200 kPa 時，孔隙比從0.55 大幅度降低到0.40 左右，對應的滲透系數也急劇減小，主要是由于試樣在圍壓作用下被快速壓縮，孔隙比越來越??；當圍壓超過400 kPa 時，孔隙比減小至0.33～0.36 并基本趨于穩定，滲透系數基本維持在10-6～10-7cm/s數量級。宏觀滲透系數減小幅度越來越小的試驗現象，主要是由于微觀孔隙越來越難被進一步壓密，這也是土體“壓硬性”的體現。

圖4 不同凍融次數下摻礫黏土滲透系數和孔隙比隨圍壓的變化關系

4.2 凍融次數的影響圖5（a）為滲透系數隨凍融次數的變化曲線（以8.3 %含水率、30 %摻礫量的試樣為例）?？梢钥闯?，不同圍壓下滲透系數隨凍融次數的增加基本表現出相似的規律，即：滲透系數逐漸增加，且在第1～2 次凍融作用后增幅最大，說明凍融對滲透性的影響主要發生在前幾次凍融循環，尤以首次最為顯著。當凍融循環增至7～10 次時，滲透系數基本增大到一個較為穩定的數值。此外，通過比較同一圍壓下的試驗曲線可知，凍融循環對滲透系數的影響在低圍壓下較為顯著，隨著圍壓的增加，影響逐漸減弱，具體表現在：高圍壓下，首次凍融作用導致的滲透系數增大的幅度要比低圍壓情況下更小一些。在冬季大壩心墻土料的填筑過程中，現場處于短時（多次凍融）、淺凍（低圍壓）、封閉（無補水）工況，本文表明：即使僅遭遇1～2 次的凍融過程，心墻料的滲透性能也將發生大幅度劣化，對壩體后期滲透穩定造成潛在隱患。因此，實際施工時，應嚴格避免淺層填筑心墻料遭遇低溫凍融作用。此外，兩河口心墻黏土的單向凍脹試驗也建議［32］：當大壩現場日最低氣溫低于-5 ℃時，應在夜間停工期間及時覆蓋保溫材料，以盡量避免已填土料發生凍結。

以上宏觀滲透系數的演變規律本質上反映試樣孔隙比隨凍融循環次數的變化過程，如圖5（b）所示，孔隙比隨凍融次數的變化規律與滲透系數的變化趨勢基本一致。低溫作用下，試樣中的孔隙水凍結成孔隙冰，體積膨脹，凍脹力作用下土體內的部分孔隙被撐開，孔隙比增大。由于未經歷凍融的壓實試樣較為密實，因此首次凍融后孔隙比增大最為明顯；多次反復凍融作用后，試樣內部絕大多數孔隙被撐開，此時孔隙水的凍脹不再能撐開更大的孔隙，孔隙比基本趨于保持不變，這反映在宏觀即表現為滲透系數隨凍融次數的增加近似呈雙曲線型增長的趨勢。對比圖5（a）和圖5（b）可知，即使在較高的圍壓水平下，無論是滲透系數還是孔隙比，在經歷一定次數的凍融循環作用后，其數值仍然比初始未凍融時要大，說明圍壓的作用可以削弱凍融作用對摻礫黏土內部孔隙結構的影響，但不能消除這種影響，而摻礫黏土的內部孔隙結構則與下面要討論的摻礫量的影響密切相關。

圖5 摻礫黏土滲透系數和孔隙比隨凍融循環次數的變化規律

4.3 摻礫量的影響圖6 為常溫環境下（未經歷凍融作用）不同摻礫量（0%、10%、30%、40%和50%）試樣的滲透系數變化規律。從圖6 可以發現：隨著摻礫量的增加，滲透系數先減小后增大，當摻礫量約30%時滲透系數減小到最小值。這與Shafiee 等［13］和李方振等［26］發現的規律類似，這主要是因為摻礫黏土的滲透特性是由黏土基質、礫石及土石界面三者相互作用的結果。一方面，礫石相對于黏土基質的滲透系數極低，礫石的加入相當于減小試樣的過水斷面，延長了滲徑，從而滲透系數隨摻礫量的增加而減小；另一方面，由于土石介質的高度彈性不匹配，使得土石界面成為滲透最薄弱的部位，滲流過程中會在土石界面產生較大的滲透力，導致界面滲透性明顯優于黏土基質。因此，雖然礫石降低了試樣的滲透性，但是土石界面的存在一定程度上卻提高了試樣的滲透性，在這兩種作用的共同影響下，試樣在30%摻礫量附近出現了滲透系數最小值。

圖6 摻礫黏土滲透系數隨摻礫量的變化關系（未凍融）

由上述分析可知，第1 次凍融循環對滲透系數的影響最大，下面重點比較第0 和第1 次凍融循環的影響。圖7 為經歷0 次和1 次凍融作用后不同摻礫量（10%、30%和50%）試樣的滲透系數變化規律曲線。從圖7 可以發現，經歷1 次凍融作用后，各摻礫量的滲透系數均有所增大，增大幅度隨著摻礫量的增大而增加。以30%摻礫量為界，再次考察試驗數據可見，在未經凍融前，滲透系數表現為：50%摻量>10%摻量>30%摻量；而經過1 次凍融后，10%和30%摻量的滲透系數已十分接近。值得注意的是，在低中摻礫量情況下（10%和30%），這種由于凍融作用引發的滲透性增大效應在低圍壓下比較顯著，在較高圍壓時（＞400 kPa）時不再顯著；而對于高摻礫量（50%）的試樣，即使高圍壓時，凍融前后的滲透系數仍存在較大差距。可以推測，摻礫量對滲透特性凍融演化規律的影響在高低圍壓下表現得并不一致，這可能與壓實試樣內部的土-石結構分布密切相關。

圖7 不同摻礫量試樣經歷0 和1 次凍融作用后滲透系數隨圍壓的變化關系

對此，分別對3 種特征摻礫量（10%、30%和50%）的試樣開展橫斷面CT 掃描如圖8所示。從圖8可以發現：10%～30%摻礫量下的土石結構比較類似，礫石都懸浮于黏土基質中；而50%摻礫量時，礫石與礫石之間開始接觸，逐漸形成骨架并存在大量的土-石結合面。結合前面的試驗結果可知，凍融作用將主要體現在對黏土孔隙和土-石結合面的影響。

圖8 特征摻礫量試樣的土石結構分布CT 橫斷面

對于10%～30%中低摻礫量范圍的試樣，隨著摻礫量的增加，黏土含量逐漸減小，凍融對黏土基質孔隙的影響也將是逐漸減小的，但凍融1 次后，30%摻礫量的試樣出現了滲透系數從未凍融時的最小增加到最大的現象，說明30%摻礫量時黏土與礫石結合面的黏結程度在凍融作用下比10%摻礫量時發生了大幅度衰減。摻礫量越高，試樣中黏土所占的比例越少，土-石界面表面積越大，滲透性薄弱的土石結合面也就越多。在高圍壓情況下，凍融作用撐大的黏土基質孔隙在應力作用下逐漸密閉愈合，滲透系數逐漸減小；由于土石介質的彈性不匹配性，土-石結合面的凍融損傷影響較難恢復。因此，出現高圍壓下滲透系數出現10%摻量<30%摻量的情況。此外，50%摻礫量的試樣在經歷1次凍融作用后，滲透系數增大幅度最大，主要是因為50%摻礫量時，礫石與礫石之間開始接觸，具有大量的土石結合面，并逐漸形成骨架-空隙結構，此時滲透系數的大幅度增加主要是由于凍融作用嚴重破壞了土-石結合面，形成了大量不可恢復的接觸面裂隙滲透路徑。

4.4 初始含水率的影響常規滲透試驗（測量飽和滲透系數）不需要考慮初始含水率對試樣滲透特性的影響，因為初始孔隙比一致，不同初始含水率的土樣其飽和滲透系數基本一致。若經歷凍融作用，則土樣內部冰晶生長及冷生結構的形成會導致土樣中孔隙體積增加，土顆粒受到擠壓并形成新的土骨架結構，因而在凍融過程中需考慮初始含水率對試樣滲透特性的影響［20］。圖9（a）為不同初始含水率的試樣（摻礫量30%）的滲透系數隨圍壓的變化關系。由圖可見，未凍融和4%含水率凍融1 次的試樣，其試驗曲線十分接近并且有波動重合的趨勢，說明4%含水率的試樣在經過凍融作用后，其滲透系數基本不受凍融作用的影響，這是由于含水率很低時，負溫作用下土顆粒對水存在強吸附作用，這部分少量的水基本以未凍水的形式存在；即使水分全部凍結，也很難對土體初始的內部孔隙產生擠壓膨脹作用，從而4%含水率時土體結構基本不受凍融作用的影響，表現為4%初始含水率的試樣在經過1 次凍融后的滲透系數和未經凍融的試樣基本接近。隨著初始含水率的進一步增加，曲線逐漸向右上方移動，說明凍融作用對土體結構的影響逐漸增大，但這種增大趨勢并不是線性的，當含水率很高時（10%和12%），試驗曲線又變得比較接近。此外可發現，高圍壓下試驗曲線逐漸收攏，說明圍壓的增大可以抑制由于初始含水率不同而導致的凍融作用對土體結構的影響。

為了更清晰地分析這一現象，將試驗結果表示為滲透系數隨初始含水率的變化過程，如圖9（b）所示。可以看出，當初始含水率從4%逐漸增加到12%時，不同圍壓下的滲透系數均表現為逐漸增大，但在低圍壓下增加的幅度大，而高圍壓下增加的幅度要小。此外，可以觀察到一個有趣的現象：當含水率從4%增加到8.3%（30%摻礫量時的最優含水率）時，滲透系數增加非常顯著；但是當含水率從8.3%增加到12%時，滲透系數增加的幅度較之前有所減小，且在高圍壓下這種增加的趨勢表現得更加平緩。這主要是因為不同含水率情況下的壓實黏土的微觀結構不一樣所致。已有研究表明，在黏土的壓實曲線中，最優含水率左側為干側，右側為濕測，左側的土樣微觀結構呈現為雙孔隙結構，大孔和小孔交錯分布，由壓汞試驗獲得的孔徑分布函數呈“雙峰”分布；而右側的土樣微觀結構呈現為單孔結構，孔隙分布比較均勻，孔徑分布函數呈“單峰”分布［33］。相對而言，雙孔隙結構較單孔隙結構更加不穩定，雙孔隙結構的土體在外力作用下，其中的“大孔隙”更容易被壓密，也更容易受到外界干濕、凍融等環境因素的影響［34］。本文中，30%摻礫量時的最優含水率為8.3%，從而含水率從4%增加到最優含水率8.3%時，試樣將基本處于雙孔隙結構分布，凍融對結構的影響十分顯著，滲透系數增加顯著；而當含水率從8.3%增加到12%時，單孔隙結構試樣滲透系數增加的幅度將有所減小。

圖9 滲透系數隨圍壓和初始含水率的變化規律

5 結論

通過三軸滲透試驗，對摻礫心墻土料在經歷凍融作用后的滲透特性進行了研究，分析了凍融次數、圍壓、摻礫量和初始含水率等因素對心墻礫質土滲透特性的影響。研究表明：（1）凍融作用后，摻礫黏土的滲透系數將顯著增加，增加程度受圍壓、凍融次數、摻礫量和初始含水率影響；摻礫黏土的滲透特性是黏土基質、礫石及土石界面三者相互作用的結果。（2）隨著圍壓的增大，摻礫黏土逐漸被壓密，滲透系數降低，而滲透系數減小的程度逐漸緩慢；高圍壓下因凍融而增大的黏土孔隙逐漸閉合，但高滲透土石結合面產生的凍融損傷較難恢復。（3）隨著凍融次數的增加，滲透系數逐漸增加，且在第1～2 次凍融作用后增加的幅度最大；凍融對滲透系數的增大作用在低圍壓和高初始含水率情況下更為顯著。（4）摻礫量影響土石分布，低摻礫量時礫石懸浮于黏土基質中，而較高摻礫量時形成骨架-空隙結構，凍融損傷作用下，土石界面形成接觸界面的高滲透路徑，使得滲透系數大大增加。（5）隨著初始含水率的增加，低滲透性黏土的微觀結構從“雙孔隙”結構過渡到“單孔隙”結構，從而，凍融作用下在小于最優含水率時滲透系數增加的幅度較大，而在大于最優含水率時增幅較小。（6）在冬季施工期，1～2 次的凍融過程便會大幅度劣化淺層心墻料的滲透性能，給后期滲透穩定帶來潛在隱患，因此實際施工時，應采取有效措施，嚴格避免淺層填筑心墻料遭遇低溫凍融作用。