充填砂和抛填砂渗透特性试验研究

张林华

近20多年来，各地围海造陆和新建扩建港口规模在不断加大，海上筑堤新技术、新结构得到广泛的应用和发展。自2001年起，天津塘沽新港在防波堤外侧进行大规模围海造陆工程，海挡工程直接承受海浪、风暴潮作用，且多建于淤泥质海涂上，断面面积较大，施工难度大。面对上述困难，提出了由土工模袋充填砂料构筑堤心的模袋砂堤筑堤技术。该结构具有如下优点：适宜在软基上构筑，施工快，效率高；模袋材料透水不漏砂，适合水力灌砂；模袋砂整体性较好；靠船舶、机械施工，集挖、装、运、卸过程于一体。

本文以天津南港东堤海挡工程为背景，为适应软基上筑堤特点，堤身采设计用大型水力充填砂袋填筑。大型充砂袋堤心适用于地基承载力较低的中、高滩部位，且易于排水固结。充砂袋厚约0.5 m，采用梯形断面型式。每筑一层，缩进0.75～1.2 m，其间设置袋装碎石平整坡面。由于堤身水力冲砂袋筑堤和地基抛填砂在施工上难以按统一的施工质量标准进行控制，导致堤身和堤基抛填砂的充填物和密实度存在不均一性，这就使得堤身和堤基抛填砂的渗透系数分布是非均质性和不均匀的，其不同部位的抗渗能力也有所不同。

本文为了解决南港东堤的渗透稳定、渗透量等渗流方面问题，开展了一系列的渗流实验来确定堤身和堤基土样渗透系数与应力状态等影响因素之间的关系。

1 试验概况

1.1 实验原理

根据达西定律，通过试样的流量大小Q与上下游水头差（h1-h2）成正比，与过水断面面积A和试样高度L呈反比，即：

式中 K——渗透系数；

A——过水断面面积；

h1，h2——上游水位和下游水位；

L——试样高度，即渗径长度。

式中 J——渗透梯度。

1.2 试验仪器

天津南港东堤堤坝最大坝高约13 m左右，砂土体不同高度位置的应力状态不同，依据土体的上覆压力，实验拟定试样围压分别为0.05、0.1、0.15、0.20、0.25 MPa，对应的轴压（相当于土体的侧压力）为围压的0.4倍，进行堤身和堤基土样的渗透性实验。

图1为河海大学渗流实验室研制的土体渗流－应力耦合实验设备。该装置能够模拟三向应力状态下土体渗流过程中土体变形、土体渗透特性变化、土体细颗粒流失等多场耦合作用的影响，可以密切监测渗流过程中由于细颗粒流失而引起的土体水力、几何性质的变化。

1.3 试样制备

将砂充分搅拌均匀使得试样中不含有颗粒状，将盆、铲及有关工具用湿布擦拭。紧接着，将热缩管安装在漏斗型金属底座上，进行试样的分层填筑，试样填筑高度20 cm，直径10 cm，填筑完毕后，盖上实验帽并用硅胶封闭热缩管底部和热缩管与盖帽连接处，安装后使得土样处于竖直状态。最后，待硅胶凝固后，缓慢地自下而上饱和试样并保证试样中的空气排净。

图1 土体渗流—应力耦合渗透实验装置原理示意图

2 试验过程和结果分析

2.1 试验过程

通过试验仪器，分别对堤基抛填砂、堤身充填砂做渗透性试验。每种砂都在的不同对的围压下进行试验，围压分别为0.05、0.1、0.15、0.20、0.25 MPa。待试样饱和后将围压室安装在金属底座上。将围压室顶部的放气阀打开，用移动水箱给围压室加水，待围压室内的水从放气阀溢出时，同时关闭放气阀和进水阀；然后，根据实验要求对试样施加轴向压力；最后，同时打开下游测压管和围压控制阀，利用围压输出控制盘开始对试样分级施加围压，施加围压过程中需等到下游测压管内水位保持静止（需要约20 min）后方能继续施加下一级围压，直到按照实验工况要求完成对围压的加载，施加围压过程中每提高0.05 MPa间歇20 min左右，以保证围压均匀。

试验时，当加载一级渗透压力后，待上下游测压管内水位保持稳定（需要约30 min），方可量测此渗压下的试样渗流量。当渗透压力较小时，即水头低于2 m时，则利用移动水箱对土样分级施加渗透压力。渗透水流通过进水管进入试样，通过出水管，进入量杯。实验过程中，实时测量并记录渗流量与渗透梯度之间的关系。

2.2 结果分析

记录水头差、时间、水的质量，分别计算出流量、流速、水力梯度。如图2所示，从堤基抛填砂渗流流速与水力梯度的关系图中可以发现，在围压相同的条件下，堤基抛填砂土样的水力梯度与渗流速度具有很好的线性关系，结果符合达西定律。同时也发现，在相同的水力梯度下，围压0.05 MPa下的流速较大，而其它围压下流速几乎相同。这说明渗流速度和围压有关系，随着围压的增加，渗流速度会减慢并趋于稳定。如图2所示，从堤身充填砂渗流流速与水力梯度的关系图中可以发现，在围压相同的条件下，堤身充填砂土样的水力梯度与渗流速度具有很好的线性关系，结果符合达西定律。同时也发现，在相同的水力梯度下，随着围压的增加，渗流速度会减慢。对比分析，在相同围压下，充填砂渗流流速明显小于抛填砂的渗流流速，这是由于两者的颗粒级配不同所造成的。

图2 不同水力梯度下的渗流流速

图3反映了2种砂渗透系数随应力状态变化情况。抛填砂和充填砂的渗透系数都是随着围压的增大而缓慢下降，其中抛填砂由围压0.05 MPa至0.25 MPa渗透系数减小21%，充填砂减小14%，二者减小幅度不明显。在相同应力状态下，充填砂的渗透系数小于抛填砂的渗透系数。

图3 不同应力状态下的渗透系数

堤基抛填砂、堤身充填砂的渗透特性和抗渗指标平行样实验装置采用河海大学渗流实验室常规渗透实验小筒，用以测定无围压下堤基抛填砂、堤身充填砂的渗透系数和抗渗坡降，试样有堤基抛填砂、堤身充填砂两种，每种试样做3组平行样，试样高度10 cm，直径11 cm。当继续增加水头，上游测压管缓慢下降，流量突然增大，试样破坏，这时的水力梯度为临界抗渗坡降。试验结果见表1、2。

表1 堤基抛填砂常规渗透实验结果

在以上3组平行样实验中，测得的堤基抛填砂、堤身充填砂的渗透系数、抗渗坡降值非常接近，实验数据比较可靠。可以得出：堤基抛填砂的平均渗透系数是0.042 cm/s，平均临界抗渗坡降为1.10；堤身充填砂的平均渗透系数是0.004 5 cm/s，平均临界抗渗为2.54。与图2对比分析可知道，在围压0.05 MPa下，抛填砂的渗透系数是0.005 8 cm/s，充填砂的渗透系数是0.003 4 cm/s，很显然无围压下砂平均渗透系数较大。

引起渗透系数变小的原因可能是试样处在低围压的情况时，部分颗粒处于架空状态，颗粒之间存在较大的孔隙；而试样所处围压增大时，土体所处的应力增大，它导致了土体的变形，土样开始扰动，细颗粒被挤入原有的孔隙当中，颗粒的相对位置发生错动，使得颗粒间孔隙减小，试样更加密实，引起渗透性变小。围压越大，颗粒间孔隙越小，试样越密实，其渗透性越小。当围压增大到一定程度时，土颗粒之间的空隙已基本不变，颗粒之间不发生错动，此时土体渗透性减小幅度不明显。这种实验结果说明了土体的渗透系数与土体的孔隙率是密切相关的，由于土体的孔隙率会随着围压的增大呈现减小的趋势，而这种减小的趋势是越来越不明显的，这与土体渗透系数的变化是一致的。

通过上述试验可得，南港东堤堤身和堤基抛填砂的渗透系数分布是非均质性和不均匀的，其不同部位的抗渗能力也有所不同。所以，在设计和施工时，应当考虑渗透系数的合理性，需要分层考虑。

3 结语

（1）各组土样的渗透流速与渗透梯度之间的关系呈线性关系，实验数据的直线拟合程度高，土样的渗透性符合达西渗透定律。

（2）应力状态对抛填砂和充填砂的渗透特性影响较大。堤身充填砂和堤基抛填砂的渗透系数随着围压的增大而逐渐减小，其中由围压0.05 MPa至0.25 MPa，堤基抛填砂渗透系数减小21%，堤身充填砂减小14%。

（3）在无围压状态下堤基抛填砂的平均渗透系数是0.042 cm/s，平均临界抗渗坡降为1.10；堤身充填砂的平均渗透系数是0.004 5 cm/s，平均临界抗渗坡降为2.54。无围压状态下的土样渗透系数比有围压作用下的要大。

（4）砂性土体的渗透系数与其孔隙率是密切相关的，渗透系数分布是非均质性和不均匀的，其不同部位的抗渗能力也有所不同。围压越大，土体被压缩，其孔隙率越小。当围压增大到一定程度时，土颗粒之间的空隙已经密实，此时土体渗透性减小幅度不明显。