砾石土渗透稳定特性试验研究

刘 杰，谢定松

（1.中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 引 言

近40多年来，世界高度在100 m以上的高土石坝，用砾石土作为防渗体的大坝约有70座以上，95%以上的高坝都在正常运行[1]。砾石土，国内称为宽级配土，在渗透稳定性方面的认识，主要依靠工程经验，试验资料较少。为保证砾石土作防渗体的渗透稳定性，国内有专家提出，土中小于0.005 mm的颗粒含量一定要大于10%。

四川大渡河上的瀑布沟土石坝，高187 m，是国内当前最高的一座用砾石土作为心墙材料的堆石坝，心墙土的料源是黑马I区的砾石土，它的特点是小于0.005 mm的颗粒含量小于10%。能否作为心墙土料，由于这方面的试验资料很少，在设计审查会上争论激烈。有专家坚持认为应掺入一定量的黏土颗粒，使小于0.005 mm的颗粒含量大于10%，以保证其渗透稳定性[2]。设计单位为论证黑马 I区土料作为防渗体的可用性，委托中国水利水电科学研究院进行试验研究，并送来黑马I区土料以及颗粒组成方面的全部料场勘探结果，供试验研究之用。试验结果表明，黑马I区砾石土为非管涌土，在无反滤保护的情况下，临界水力比降大于2，可作为心墙土料。设计单位决定直接采用黑马I区土料作心墙防渗土料。2009年底，大坝建成并投入运行，现场施工质检结果表明，心墙土料中小于0.005 mm的颗粒含量平均值为5%，而且变幅不大，小于5 mm的粒径平均值占51%，颗粒组成曲线与室内试验采用的中间 1条曲线相一致，渗透系数达 10-5～10-6cm/s的量级，满足防渗要求，大坝运行正常。本文主要阐述 10年前防渗土料的渗透稳定试验结果，并进行了渗透稳定分析方法的探究，提出了判别砾石土渗透稳定性的方法，供今后选用砾石土作防渗土料之用，同时辅佐近期发表的工程资料[3]。为阐明试验结果的普遍性，文中同时引入了仅仅查到的依斯托美娜的试验结果[4]。

2 料场土料的基本性质

土料成因为坡洪积，母岩主要成分为白云质灰岩和少量凝灰岩，颜色为浅黄色，属宽级配土，粒径变化在0.002～200 mm之间，其中粒径大于80 mm的部分仅占10%左右，粒径小于5 mm部分占35%～70%，小于0.005 mm粒径含量变化于1.78%～9.58%之间，平均值为4.57%。根据大量的勘探资料，将颗粒组成归纳为粗、中、细3条曲线，编号为P1、P2和P3，颗粒组成曲线绘于图1[5]。图中同时绘有依斯托美娜[4]试验用的4条颗粒组成曲线（编号依1～依4），由于同为砾石土，试验方法也相同，可以补充阐明瀑布沟的试验结果。在此需要说明的是，本文在颗粒分析试验中，对小于5 mm的颗粒采用了洗筛法和不加洗筛两种方法，发现小于0.1 mm的颗粒含量有明显差别，二者甚至可差8%。图1颗粒组成曲线中小于5 mm的部分是根据洗筛法的试验结果绘制而成，小于0.005 mm颗粒含量的平均值为7%，稍大于料场勘探所得数据，小于5 mm颗粒含量与现场勘探资料相一致，分别为70%、50%和35%。

砾石土中粒径小于0.5 mm的细粒部分的物理性质列于表1，表明细粒部分属低液限粉土。

图1 试验用料颗粒组成曲线Fig.1 Granular composition of test material

表1 细粒部分的基本性质Table 1 Basic property of fine particle

3 试验仪器及方法

根据设计要求，试验土料采用的最大粒径为80 mm，d85粒径的最大值为40 mm，故仪器采用φ20 cm的垂直管涌仪。筒壁透明，可以观察渗透破坏性状。土料为天然土料，按图1中的3条颗粒级配曲线分别制样，小于5 mm的颗粒直接使用工地送来的土料，含量分别为35%、50%和70%。试样分为两层填筑。P1、P3的干密度直接采用按击实仪（862.5 kN/m3）击实试验的最大干密度，P2试验的干密度采用0.97倍试验最大干密度。为防止试样在大的水力比降下沿仪器壁整体的滑动，P2土样表面压有厚8 mm、孔径为9 mm的透水板一块，P1试验土样表面压有厚8 mm、孔径为20 mm的透水板一块。透水板中孔径的大小是按不影响试样管涌破坏的原则确定的。饱和采用滴水饱和法，渗流方向由下向上。每级水头下试验持续时间为30 min，当出现渗透变形后，等渗流量稳定，渗水中无细颗粒带出时才能升高下一级水头。当试样出现水平裂缝或泉眼不断向深部发展，渗流量不断增大时认为最终破坏，停止试验。

4 试验结果

对3种土料各进行了3种密度下的渗透破坏试验，部分试验结果的水力比降-渗流量（J-V）的关系曲线绘于图2。图中P1的第1个试验P1-1的试验结果表明:当水力比降J为8.2时尚未发现试样出现异常现象；当J=15.0时试样分别在上、下两端开始出现两道水平缝，渗流量骤增，试验水头自动下降。经1 min后水头自动上升到原来数值，渗流量减小，并趋稳定，试验最终破坏为流土型。

图2中P2的第2个试验P2-2的试样的密度偏低，试验结果表明:当水力比降J达7.1时，土样表面有3股烟雾状的很细水流由土样表面流出，渗流量相应加大，不久浑水停止，渗流稳定。继续升高水头，当J=10.3时，又有烟雾状的细流从试样表面流出，5 min后渗水全浑，渗流量加大，泉涌向土样内部不断发展，沿仪器壁可观察到集中渗流通道，渗透破坏型式为过渡型。P2-1试验提高了干密度（为设计采用干密度），由于试验干密度提高，渗透破坏型式转为流土型。P2-1结果表明，P2土料的渗透变形特性带有过渡型的特征，渗透变形型式与干密度大小有关，在大密度下渗透变形型式转为流土型。

图2 瀑布沟3种土料渗透稳定部分试验J-V关系曲线Fig. 2 Variations of V with J of seepage stability experiment of Pubugou

图中P3的第2个试验P3-2试验结果表明，当水力比降J=2.4时，土样表面出现一股烟雾状细流，5 min后渗流变清。继续升高水头，J=3.1时又不断出现烟雾状渗流，渗流量变大，水头自动下降。经 30 min后渗流变清，水力比降自动恢复到3.1，渗流稳定。继续升高水头，J=4.0时，渗流量不断加大，水头不断下降。经10 min后水力比降降至3.1，渗流量仍在加大。停止试验后进一步观察试样，发现在土样表面中部有3个泉眼，周围堆积有一堆细颗粒。仪器壁旁另有2个泉眼，也同样在泉眼周围堆积有一堆细颗粒，而且沿仪器壁出现集中渗流通道，直达底层。由于开始渗流破坏后仍有一定承受水头的能力，直到水力比降增大到4.0时才完全渗透破坏，故破坏型式仍属过渡型。

部分试验结果列于表 2。结果表明，瀑布沟砾石土中最细的土料渗透破坏型式为流土型，最粗的土料＜5 mm的颗粒含量为35%，渗透破坏型式为过渡型，颗粒平均曲线的渗透变形型式为流土型。对整个坝料的评定是可以用作心墙防渗土料，临界水力比降大于3.0。

表2 砾石土渗透破坏试验结果Table 2 Experiment results of seepage damage of gravelly soils

5 砾石土渗透稳定特性分析

5.1 砾石土的颗粒组成及渗透变形特征

砾石土是种多级配土，很不均匀，不均匀系数高达100以上，其组成完全可以视为由粗、细两个部分混合而成。如果将其分解为粗、细两个部分，则粗粒部分的不均匀系数在10左右。细粒部分将具有细粒土的特征，多为低液限粉土。试验研究结果表明，宽级配土的渗透及渗透稳定性质主要取决于粗、细粒在土体中的比例关系。当细粒含量小于某一数值后，填不满粗粒孔隙，此时渗透系数的大小主要决定于粗粒的颗粒组成，因细粒在土体中不受粗粒的束缚，在渗流作用下很容易流失，并一直流失到细粒全部被带走，致使土体的渗透系数变为纯粗粒的渗透系数，这种破坏称管涌型。当细粒含量超过某一数值后，粗、细粒合二而一，渗透系数主要取决于粗粒的密实度和细粒土的渗透性，渗透破坏是整个土体的破坏，因而是流土型。当细粒含量接近或刚填满粗料孔隙时，整个土体的渗透变形特征将呈一种过渡型，即开始时表面出现的是管涌破坏现象，但不会破坏土体的整体稳定性，管涌破环将会随时间延长而自行调整，达到新的稳定。再升高水头，又出现新的渗透破坏，最后又得到新的调整，最终的表现形式与细粒含量及干密度有关，当细粒含量偏小时，呈管涌破坏，细粒含量偏高时呈局部流土型。由此看来，在认识砾石土的渗透稳定性时，将其分为粗、细两个部分，然后分析细粒填充粗粒孔隙体积的程度，以判别其渗透稳定性质。这种分析方法对于认识砾石土的渗透性及渗透稳定性具有由表及里、由浅入深的重要意义。

5.2 粗、细颗粒的区分原则及区分粒径

宽级配土应以何种粒径将其分为粗粒和细粒两个部分，这是需要研究的问题。粗粒和细粒之间的区分粒径选择的不同，则细粒刚刚填满粗粒孔隙时的颗粒含量也就不同。如目前工程界常以5 mm的粒径将其分为粗、细两个部分，然后进一步研究宽级配土的压实性、渗透性和渗透稳定性。按此种区分粗、细粒的方法研究天然宽级配土的力学性质时，则得细粒在混合料中的最优含量往往在40%左右，此时混合料的渗透系数最小，压实后的密度最大。如果用1 mm作为粗、细粒的区分粒径，最优细粒含量将在35%左右。

颗粒级配曲线中段出现平台的宽级配土，是一种典型的粗、细混合料，完全有理由以平台段的颗粒粒径将其分为粗、细两个部分。此种土料粗、细掺合后的最优级配情况下的细粒含量多在 30%左右，此时在同类土中具有最大干密度和最小的渗透系数。

宽级配土的颗粒级配变化范围很广，不均匀系数Cu＞50以上，要用某一固定粒径将其分为粗、细两个部分，并以此研究其基本特性，其结果往往不能真实地反映宽级配土的基本性质，也不可能得出统一的最优细粒含量，其结果是颗粒级配曲线不同，最优细粒含量也就不同。但实际情况是，由粗、细两种土料掺合后的宽级配土最优细粒含量在30%左右。

笔者曾专门研究了宽级配无黏性土粗、细粒之间的区分粒径问题，在研究工作中选用粒径大小截然不同的两种土料，一种是粒径为2～25 mm的砾石，另一种是粒径为0.2～0.8 mm的砂粒，二者混合后的颗粒级配曲线实际上是缺乏0.8～2.0 mm的粒径，混合土料完全有理由由0.8～2.0 mm的粒径区分为粗粒和细粒两个部分。粗粒砾石中的粒径D15=6 mm，细粒的粒径 d85=0.6 mm，=10＞4，表明粗粒形成的孔隙直径大于细粒的最大粒径。显然，当砂粒填不满粗粒的孔隙体积时，则砂粒在砾石孔隙中处于可移动状态。将各类掺合料进行击实试验，确定细粒刚刚填满粗粒孔隙时的细粒含量。试验结果表明:当掺入粗粒砾石中的细粒含量小于总重量的25%时，粗粒砾石中的孔隙体积没有明显的变化；当细粒的掺合量达25%时，粗粒的孔隙体积稍有增大，但仅增加 3%；当砂粒的掺量大于25%以后，细粒稍有增加，粗粒砾石的孔隙体积开始明显增大[6]。由于这一簇混合料的颗粒组成曲线在0.8～2.0 mm之间出现一个小的平台，而且1585/D d=10，很显然，它们的粗、细粒之间的区分粒径应是0.8～2.0 mm之间的某一任意值，可取平均值为1.4 mm。

上述结果如何应用于连续级配的宽级配土值得研究。分析比较试验结果，若以几何平均粒径为粗、细料的区分粒径，既可适用于不连续级配的宽级配土，也可适用于连续级配的土。表3为对上述掺合料区分粒径计算分析结果。由表可知，用计算得的粗、细粒区分粒径，将混合土料分为粗、细两部分后，所求得的细粒含量与实际值基本相一致。

表3 缺乏中间粒径宽级配土的粗细粒区分粒径Table 3 Specification particle of coarse grain and fine particle of uncontinuous grading gravelly soils

分析了文献[7]的一簇压实试验资料，颗粒级配曲线的粒径变化范围为0.5～80 mm，不均匀系数Cu变化于15～32之间。以单位压力为10 MPa进行压缩试验，求得的密实度列于表 4[7]。表中同时列出了试验土料的颗粒组成特征。用几何平均粒径dq=作为粗、细粒的区分粒径，则土体处于最密实状态时的土样为4号土，孔隙率n=30%最小，细粒含量P为30%，与一般概念相一致。由于4号土由7.4 mm的粒径区分为粗、细两部分后，粗粒的粒径 D15与细料粒径 d85的比值 D15/d85=3.4，小于4，这一数值表明细颗粒的最大粒径已经大于粗粒形成的孔隙直径，即使细粒含量未达填满粗粒孔隙的程度，但粗粒孔隙已有被细粒撑开的可能性，使混合料中的粗粒孔隙大于原始状态，故最优组合状态时细粒含量达30%，稍大于不连续级配的宽级配土25%的试验结果。

表4 级配连续宽级配土的粗细粒区分粒径Table 4 Specification particle of coarse grain and fine particle of continuous grading gravelly soils

文中D15表示粗粒组成中小于该粒径的土重占粗粒总土重的 15%；d85表示细粒组成中小于该粒径的土重占细粒总土重的85%。

无需再引用其他资料，由上述两组资料就可表明，对宽级配的土，可以将其分解为粗、细两个部分，分别研究粗、细粒的基本性质，然后可以以细粒含量的多少判别混合料的基本性质。粗、细粒区分粒径的区分原则是，对于级配不连续缺乏中间粒径的宽级配土，以缺少的粒径为粗、细粒的区分粒径，对级配连续的宽级配土，应以几何平均粒径为区分粒径，几何平均粒径中采用的特征粒径分别为d70和d10，即区分粒径 dq=，d70表示混合料中土重小于总土重70%的土颗粒的最大粒径，d10表示混合料中土重占总土重10%的土颗粒的最大粒径。

表5给出了图1中的6条颗粒分析曲线的粗、细含量的区分粒径 dq，表明对同一种土，采用不同的区分粒径，求得的细粒含量是不相同的。

表5 试验土料粗粒和细粒之间的区分粒径与细粒含量Table 5 Specification particles of coarse grain and fine particle of test materials

5.3 细粒填满粗粒孔隙体积时的最优细粒含量

细粒填满粗料孔隙后，粗、细粒将共同组成一个内部协调的建筑材料，既有高的强度和低的压缩性，又有好的防渗性能和高的抗渗强度，这种情况下的细粒含量将称为最优细粒含量。以它为准则，可以判别土的渗透稳定性。如果混合料中的细粒含量小于最优细粒含量，这种土将是管涌型土，细料含量大于最优含量时，渗透破坏型式将是流土型。找到一簇宽级配土中某一种土的细料含量为最优细粒含量，对进一步分析这簇宽级配砾石土的渗透变形特性将会具有重要意义，

在分析最优细粒含量时，可以认为最优级配的混合料中粗粒是土体骨架，细粒只是起填充粗料孔隙的作用，不改变粗粒本身的孔隙体积，而混合体的孔隙体积归属于细粒的孔隙体积，于是可求得确定细粒刚刚填满粗粒孔隙，即开始参与骨架作用时的细粒含量的理论计算公式[6]:

式中:Pop为理想状态最优细粒含量（%）；ρd1为细粒干密度（g/cm3）；n1为单位土体细粒的孔隙体积；n2为单位土体粗粒的孔隙体积；ρs1为细粒土土粒密度（g/cm3）；ρs2为粗粒土土粒密度（g/cm3）。

对同一类土而言，可以认为

式中:ρs为混合土体土粒密度（g/cm3）。

式（1）的物理概念可用图3表示。图3表示某一单位土体中混合料、粗粒、细粒及孔隙率等各类体积之间的关系，其中孔隙体积以孔隙率来表示。图 3(a)表示单位体积的混合料中，混合料的孔隙体积n与粗粒中孔隙体积n2，以及混合料中全部颗粒的颗粒体积（n-1）三者之间的关系。图中同时表明，粗粒的孔隙体积包括有细粒的颗粒体积和混合体的孔隙体积两个部分。图3(b)进一步表述了粗粒孔隙体积n2中细粒的颗粒体积与细粒孔隙体积n1之间的关系，在此将混合料的孔隙体积n同时视为细粒的孔隙体积，并以n1来表示:

式中:n为粗、细混合料单位土体的孔隙体积。将式（2）～（4）代入式（1）可得

图3 最优级配时混合料中粗粒和细粒孔隙体积之间的关系Fig.3 Variations of void volume of coarse grain and fine particle of mixture material

式（5）是考虑细粒刚刚填满粗粒孔隙时，混合料中细粒含量的理论计算式，亦即细粒在充填粗粒孔隙的过程中，粗粒孔隙刚刚被填满，但粗粒的孔隙体积却没有发生任何变化的理想情况。

一些试验资料表明，当细粒和粗粒掺合后，尽管细粒的数量刚能填满粗粒的孔隙，但总会有少量的细粒掺杂于粗粒颗粒之间，使粗粒的实际孔隙n2大于单独存在时的孔隙体积。进一步分析一些混合料的击实试验结果可知，由于粗粒原始孔隙的增大而增加的细料含量p＇与粗粒的D15和细粒的d85的比值大小有直接关系，即

此时，粗粒实际的孔隙率为

于是式（5）可写为

式中:nc为粗粒单独存在时的孔隙率，决定于粗粒的不均匀系数，可写为[8]

式中:n0为土体由均匀颗粒组成、不均匀系数Cu=1时的孔隙率，变化于0.26～0.48之间，平均值0.37，瀑布沟土料按区分粒径将其分为粗、细两个部分后，粗粒的粒径组成绘于图 4。由图可知，粗、细粒之间的区分粒径分别为0.17、0.35、0.71 mm。从图4可知，瀑布沟土料粗粒的不均匀系数变化于7～17之间，取小值10，则粗粒的孔隙率为

图4 瀑布沟土料P1、P2和P3中粗粒的颗粒组成Fig.4 Granular composition of coarse grain materials in Pubugou project

则式（8）可写为

5.4 渗透变形类型分析方法

已知一簇砾石土的颗粒组成曲线，根据式（11）求得该簇砾石土的最优细粒含量后，就可以此最优细料含量判明该簇宽级配砾石土的渗透稳定性。可以肯定，当细颗含量刚刚填满粗粒孔隙体积时，二者的关系并不可能立即处于相互紧密结合状态，因此，渗透破坏也不可能由管涌型立即转变为整体渗透破坏。要出现整体渗透破坏，仍然存在一个过渡阶段，因而渗透变形型式必然会随细粒含量的由少增多存在管涌、过渡型和流土3种形式，为此将最优细粒含量判别渗透变形型式的准则进一步分为以下3种类型。

砾石土的渗透破坏特征可根据最优细粒含量按下式确定:

对依斯托美娜及瀑布沟砾石土的渗透稳定特性按式（11）、（12）计算分析结果列于表6。

表6 渗透变形试验结果分析Table 6 Experiment results of seepage stability experiment

由表6可知，按式（11）计算结果，几种土的最优细粒含量变化于24%～28%之间，与缺乏中间粒径砂砾石的试验结果相一致。表6中同时给出了渗透稳定试验结果，比较计算分析结果与试验结果二者基本相一致。表明用式（11）、（12）分析宽级配土的渗透变形特性有一定的可靠性。

6 结 论

（1）瀑布沟黑马I区土料就渗透稳定性而言，最粗土料的临界水力比降达2以上，破坏型式为过渡型，最细的土料临界水力比降达10以上，破坏型式为流土型，都是较好的防渗土料。

（2）从瀑布沟砾石土试验结果表明，砾石土只要小于5 mm的颗粒含量大于35%，小于1 mm的颗粒含量大于18%，就可初步判定土的内部结构是稳定的，在无反滤保护下破坏水力比降大于3，在合适的反滤层保护下完全可以满足高坝防渗体的要求。小于0.005 mm的颗粒含量不一定要求大于10%。瀑布沟大坝心墙砾石土料现场质检情况，小于0.005 mm的颗粒含量平均值为5%，实践证明是可行的。

（3）砾石土的渗透稳定性可用最优细粒含量法进行判定，最优细粒含量可用式（11）计算，渗透稳定性的评定准则，管涌型 P≤0.9Pop，流土型P＞1.1Pop，过渡型 P =0.9Pop～1.1Pop。

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