华北地区平原水库重塑粉质黏土渗透性的探究

王华敬，杨 洁，王 坤，张艳青，孙颖君

(1.山东农业大学水利土木学院，山东 泰安 271018；2.山东省煤田地质局，山东 青岛 266555)

0 引 言

平原水库作为一种调控水资源的有效方式，近年来随着水资源的综合管理调度，建设力度逐渐加大。由于平原水库多为封闭多边形，与山区丘陵水库相比较，具有围坝轴线较长、地质条件较差、筑坝土料较差等特点，坝体渗漏是大坝渗漏的主要来源，坝体渗透性偏大部位是局部的[1]，若防渗处理不当，渗透破坏则可能导致水库溃坝，损失更大。因此，渗透性作为工程风险检测的重要指标之一，对平原水库安全经济地运行起着至关重要的作用。

衡量渗透性的指标是渗透系数，测定方法分为直接法和间接法。间接法利用固结试验，通过压缩系数和固结系数间接算出，而由于固结系数的影响，使计算出的渗透系数存在较大偏差。直接法是通过室内试验，或者现场的抽水或注水试验确定。现场的试验费时费力，且边界条件难以界定，除非重大工程，一般用室内试验测定。

对于室内试验，李珊珊等[2]研究变水头管横截面面积、起始水头高度、记录水头高度变化的时间间隔、温度等因素对吹填淤泥质软黏土渗透系数的影响；朱熹文等[3]对淤泥质饱和土的渗透试验发现误差主要来自水力坡降和边壁效应。

微观方面，闫小庆[4]用压汞研究软土固结过程中孔隙结构特征与渗流特性的关系，发现不同孔径范围的孔隙体积含量与渗透系数相关性的强弱不同。王宇[5]和周晖等[6]用分形理论研究黏性土孔隙的微观特征对渗透性的宏观影响，砂性土、粉质黏土等主要土石坝材料的分维数越大,孔隙度一般越小，渗透系数随着分维数的增大有增大的趋势；软土的孔隙分布分维及孔径分维随荷载增大而减小，渗透性随着孔径分维和孔隙分布分维值的减小而减小。

主灿等[7]、吕伟华等[8]的现场和室内抽水试验发现黏土层变形明显滞后于承压含水层水位的变化，含水层系统中弱透水层压缩性比较大，完成固结需要很长时间。很多地区对地下抽水停止后，地面沉降很长时间都在继续发展，有的甚至长达几十年[9]，这说明在固结压力不变的情况下，黏土层中结构的变化历时较长，导致孔隙比、渗透系数等的变化。相关的规范[10,11]对于重塑土样的制备，没有明确的固结时间规定，而《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》[12]对水工建筑土料的塑性指数的要求是7～17，粉质黏土满足土料要求。因而有必要探究作为筑坝常用的粉质黏土的渗透性与固结时间的关系，为室内细粒土渗透系数的测定和水工建筑物的渗流稳定性、抽水引起的地面沉降的预测等工程提供关于渗透性方面的借鉴，使后人在相关室内试验土样渗透系数与工程实际接近的前提下尽可能缩减固结时间、提高制样效率。

1 试验用粉质黏土的性质与试样制备

试验选取南水北调东段某平原水库的粉质黏土，按照《土工试验规程》[10]对土样进行基本物理参数试验，试验结果见表1，其颗分试验曲线如图1所示。

表1 试验土样的基本特性Tab.1 Basic characteristics of test soil samples

图1 试验用粉质黏土的颗粒分析曲线Fig.1 Particle analysis curve of silty clay for testing

将粉质黏土烘干、碾碎、过0.5 mm筛、配制含水率为18%、干密度为1.64 g/cm3(对应的压实度为94%)的土样，在密闭容器中静置24 h后使用电动液压脱模仪及土样模具进行制样，直径为75.0 mm、高度为42 mm，试样制备完用保鲜膜包裹并在相同压力下固结8、10、12、24 h后进行变水头试验，相同固结时间的平行试样4个。

2 试验过程

2.1 渗透试验

按照《土工试验规程》[10]，将固结后的试样切入直径为61.80 mm、高为40 mm的抹过一层凡士林的环刀内，以160、140、120、100 cm为起始水头，用变水头法测定渗透系数，多次测量后取平均值并换算为水温20 ℃的渗透系数。

2.2 压汞实验

对渗透后的试样，从试样中心取样，将其放置于阴凉、通风、干燥处，持续两个半月，以保证土样在自然状态下完全风干，取风干后的土样进行压汞实验[13]。

3 试验结果与分析

3.1 固结时间对渗透系数的影响

土的固结是土中孔隙缩小，土被压密，自然会引起渗透性的降低。但对于扰动土试样的制备，规范没有明确给出是否固结，固结多久。图2给出渗透系数与固结时间的关系折线图。

由折线图可知，对于同一系列，固结时间为8～10 h的渗透系数随固结时间的变化率相较于10～12 h的大(这也可以从图4中不同系列间的距离看出)，例如160 cm水头系列，8～10 h的渗透系数随时间的变化率为10～12 h的2.4倍，可见初始的固结对渗透性能的影响最大。至12 h渗透性能相差不大，至24 h差异很小，不同起始水头下测定结果趋近，最大为2.85×10-5cm/s，最小为2.14×10-5cm/s。对于160 cm水头系列，固结时间8小时的渗透系数是24 h的4.5倍；对于100 cm的水头，固结时间8 h的渗透系数是24 h的3.8倍；可见固结时间对渗透系数的影响显著。

图2 固结时间对渗透系数的影响Fig.2 Effect of consolidation time on permeability coefficient

由图2可知，对于固结时间为10、12以及24 h的系列，无论起始水头如何变化，测得的渗透系数都在同一数量级里，而固结时间为8 h的系列在不同起始水头下测定的渗透系数数值差一个数量级。制备粉质黏土时，若固结时间不达10 h，则渗透系数在不同起始水头下误差太大，这对于工程渗流量及稳定计算过大，可能会增大工程造价。例如，固结8 h测定的渗透系数偏大，大坝稳定性计算偏于不安全，计算的渗流量大于实际渗流量，而实际稳定性和渗流量完全可能满足工程要求，工程施工时可能控制过于严格，或采取过多的防渗措施和排水减压措施，造成不必要的浪费，影响项目的经济效益。对于固结沉降的计算可能导致实际的固结度小于设计的固结度，导致施工进度过快，土的强度不足而造成失稳或工后沉降过大。

将4个水头系列固结时间相同的渗透系数平均，得到渗透系数随时间的变化曲线，如图3。

图3 渗透系数随时间的变化曲线Fig.3 Curve of permeability coefficient changing with time

渗透系数与时间的关系满足：

y=133.03x-1.257

(1)

式中：y为渗透系数，cm/s；x为时间；h为相关系数达到99%，拟合度高。

3.2 试验水头对渗透系数的影响

《土工试验方法标准》[11]虽然规定“水头高度根据试样结构的疏松程度确定，一般不大于2 m”且规定需“将变水头管中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变化，重复试验5～6次”以消除水头的影响，但为了减少变水头次数、节约时间、提高效率，因而对于粉质黏土的适宜高度值得探讨。图4是4个不同起始水头对渗透性的影响。4个系列的渗透系数都是随着起始水头的增大而增大，尤以固结时间最短的8 h的增大幅度为最大，160 cm水头的渗透系数比100 cm水头增大60%，而固结时间为24 h的渗透系数受起始水头的影响最小，仅为30%，可见固结时间越短，起始水头对渗透系数的影响也越大。综合图2和图4，固结时间为10 h对应的渗透系数与固结时间为24 h对应的渗透系数在同一数量级中，误差相对较小，受起始水头的影响也相对较小。对于同一起始水头，固结时间为8～10 h的渗透系数随固结时间的变化率相较于10～12 h和12～24 h的大(固结时间由8 h增加至10 h，随固结时间的变化，固结效果更加明显)。因此，对于粉质黏土来说，至少固结10 h，起始水头为100 cm是适宜的。对于固结时间为8 h的系列，160 cm水头的渗透系数是100 cm的1.6倍；固结时间为24 h的系列，160 cm水头的渗透系数是100 cm的1.3倍，可见水头对渗透系数的影响小于固结时间的影响。

图4 起始水头对渗透系数的影响Fig.4 Effect of initial water head on permeability coefficient

3.3 微观上孔隙随固结时间的变化

图5表示不同固结时间下孔隙含量百分比与孔径范围的关系曲线，从图5中可以看出：10～40 μm孔隙的含量最多，其中固结24 h该孔径范围的含量为最少，固结8 h的最多，结合图2，10～40 μm的孔隙含量增多，渗透系数增大，渗透系数与该范围的孔隙含量成正比，说明10～40 μm的孔隙对渗透系数的影响起到决定性的作用。其次是7.5～10 μm的孔隙含量较多，其中固结8 h为最少，固结24 h的最多，与图2中渗透系数的变化规律相反，即固结24 h对应的渗透系数最小，固结8 h对应的渗透系数最大，说明7.5～10 μm的孔隙不是决定渗透系数的关键孔隙。

图5 孔隙含量百分比分布图Fig.5 Pore content percentage distribution map

图6表示不同固结时间下大于某孔径的孔隙累计曲线，由图6中可以直观地看出：随着固结时间的增长，孔隙累计曲线逐渐向左移动，说明大于某直径的孔隙体积含量不变时，随固结时间的增长，对应的等效直径在减小，说明大孔隙随固结在减少，大于50 μm的等效直径的累积含量随固结作用的进行逐渐减少，尤以24 h的减少最多，说明随着固结作用的进行，孔隙 越来越向小于10μm的孔隙演变，即土中的孔隙趋于均匀，趋于小孔隙。

图6 土样的孔隙累积曲线Fig.6 Pore accumulation curve of soil samples

4 结 论

通过变水头渗透试验对不同固结时间以及不同起始水头下平原水库重塑粉质黏土(压实度94%)渗透系数进行测定，结合压汞法探究粉质黏土内部孔隙的分布情况，可得出以下结论。

(1)制备的粉质黏土固结时间越长、测得的渗透系数越小且在水头影响下的变化率越小，固结时间为24 h测定结果受起始水头的影响最小。对制备重塑粉质黏土试样来说，当项目工期紧张，为节约施工时间，至少固结10 h且起始水头为100 cm是适宜的。

(2)10～40 μm范围内的孔隙对粉质黏土渗透性起决定性作用，渗透性随该范围含量的增多而增大。

(3)重塑粉质黏土的固结本质上是10～40 μm范围内的孔隙压缩为7.5～10 μm范围内的孔隙，孔隙趋于均一。

本文拟合出的粉质黏土的渗透系数随固结时间的变化公式，还需要进一步验证。

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