汉源九襄地区深厚砾石层渗透特性研究

侯孝东，涂国祥，邱 潇，李 明，王 清，钱昭宇

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059)

雅安市汉源九襄镇地处于川西高原与四川盆地过渡带，区域内第四纪沉积物十分发育。据资料显示，该地区第四纪沉积物主要为粒径0.5 mm～500 mm的砾石层，砾石层平均厚度超过30 m，广泛分布于九襄盆地，总覆盖面积可达90 km2，并且其形成原因较为复杂，有冰水堆积、洪积、残坡积、冲洪积等多种成因。与其他松散堆积体不同，该地区砾石层具有沉积特征变化大、物质组成复杂、粒径差异较大、结构较密实等特点，因此对该地区深厚砾石层的渗透特性进行探究具有重要的意义。

自从Darcy通过对两种均匀砂质滤床进行试验，并总结提出达西定律以来，国内外许多学者对于土体的渗透特性及其影响因素进行了较为深入的研究，如王一冰等[1]通过降雨模型试验，探讨了砂性土的降雨入渗过程；宋亚亚等[2]利用GeoStudio软件模拟边坡降雨入渗过程，探讨了水土特征曲线对于边坡稳定性的影响；宋林辉等[3]通过对黏性土的渗透特性研究发现，弱结合水在较大的水力梯度时处于流动状态，在水力梯度较小时处于黏滞状态；杨进兵等[4]对泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系进行了试验研究，指出泥石流堆积物渗透性主要影响因素是细颗粒部分；赵宽耀等[5]利用单环渗透仪探讨了黄土边坡的降雨入渗优势通道特征；谢定松等[6]进行粗粒土渗透试验，得出土的渗透系数主要取决于土的颗粒组成，特别是含量<30%的细粒颗粒组成；赵茜等[7]通过三轴渗透试验研究了冻融循环对黄土渗透特性的影响；张国栋等[8]通过碎石土的渗透试验得出颗粒级配对渗透特性的影响主要是不均匀系数和特征粒径。韩琳[9]根据土颗粒分形理论得出土粒度分形维数D，并提出土粒度分形维数D与渗透系数则呈负相关关系；苏立君等[10]提出砂土的均值粒径对渗透系数具有很大的影响；胡明鉴等[11]通过进行细颗粒对钙质砂渗透性影响的试验，发现细粒含量增加会导致渗透系数减小，但在不同细粒含量下渗透系数的减小幅度不同。王珂等[12]研究了应力-渗流侵蚀耦合作用下粗糙裂隙渗流特性；王刚等[13]通过三轴渗透试验得出试样在围压作用下产生了对抗渗不利的集中剪切带。曹彭强[14]通过渗透试验、固结与剪切试验，研究了降雨入渗对于岸坡稳定性的影响；刘天奇等[15]通过土壤渗透仪进行室内变水头渗透实验，研究了江汉平原下游不同地区土壤的渗透特性。

上述众多学者对土体的渗透特性进行了较为全面的研究，但对于西南地区这类沉积特征及工程特性较为复杂的深厚砾石层，目前很少有学者对其渗透特性进行深入的研究。本文以四川盆地汉源九襄地区的深厚砾石层为例，选取四个具有代表性的砾石层剖面，通过野外实地调查及筛分，并采用等量替代法对土样重塑，在室内进行四种不同颗粒级配土样的渗透试验，并计算出渗透系数，探究其渗透系数与沉积特征、粒度分布之间的关系，为该地区的地质灾害防治及工程建设提供理论依据。

1 研究区域地质背景

研究区位于川西高原与四川盆地之间的过渡带，地貌上属构造剥蚀高中山地貌，总体地势西高东低，山脉走向受构造控制呈北西—南东方向展布，平均海拔约1 400 m，降雨集中，经常有暴雨、冰雹、山洪、泥石流等灾情发生[16]。区域内第四纪堆积物十分发育，总覆盖面积达到90 km2(见图1)。不同沟谷砾石层粒度分布范围和沉积特征差异较大，由野外调查结果显示其沉积成因也有较大区别。其岩性主要以紫红色、灰褐色和灰白色得白云岩和花岗岩等为主。

图1 汉源九襄镇地形图

2 研究区砾石层沉积特征及颗粒级配

(1) 木楠村：砾石层颗粒组成主要为角砾土，砾石层中夹杂着碎块石层。砾石层的沉积特征与高程有关，在较高的高程处，砾石层中夹杂有较多棱角状的碎块石；而在较低高程处，砾石含量较多，仅夹杂少量磨圆较好的块石。在高程较低的某剖面发现一条碎块石层带，层带中含有较多磨圆相对好的块石，并富集有粒径在200 mm以上的巨颗粒，推测可能是在短期大量水流带动下沉积形成的。样品颗粒级配如图2(a)所示，取样点如图3(a)所示。

(2) 后山村：后山村砾石层颗粒主要为磨圆较差角砾土和含角砾黏土，无明显成层性，总体颗粒大小相差不大。在较高高程处，砾石层主要夹杂粒径60 mm以上的碎块石，其磨圆较差，呈现较好泥质胶结；而较低高程处所夹杂的碎块石粒径相对较小，磨圆相对好于较高高程处。取样点及颗粒级配曲线见图3(b)，图2(b)。

(3) 羊圈门：在较高高程处，砾石层夹杂碎块石，磨圆较差，主要为棱角状，少量的泥质胶结，密实度表现为稍密实；而在较低高程处则表现为砾石块石混杂，磨圆一般为次棱角状，较好泥质胶结，密实度为密实，取样点及颗粒级配曲线见图3(c)，图2(c)。

(4) 上堰沟：主要表现为砾石夹杂少量块石，有些位置具有一定成层性。上堰沟上游较高的高程处，主要为砾石夹杂少量棱角状块石，一般泥质胶结，磨圆较差；在较低高程处颗粒有明显的分层，不同层之间颗粒粒径差异较大，一般表现为泥质胶结，磨圆程度好于较高高程处。取样点及颗粒级配曲线见图3(d)，图2(d)。

图2 四取样点级配曲线

图3 参考点现场土样

3 试验装置及方案

3.1 试验装置

本次试验采用的是成都理工大学国家重点实验室常水头渗透仪，渗透仪尺寸为内径20 cm，高为40 cm，试验允许最大粒径为40 mm，渗透仪主要包括筒体、测压孔、溢水孔等，试验过程中可以通过调整供水箱以达到不同的水力梯度。

3.2 试验方案

为了模拟现场砾石层的颗粒级配，将现场样品进行晾晒和筛分，筛分成9个粒组区间：0～0.5 mm，0.5 mm～1 mm，1 mm～2 mm，2 mm～5 mm，5 mm～10 mm，10 mm～20 mm，20 mm～40 mm，40 mm～60 mm，60 mm以上，筛分后将不同粒组的颗粒进行分装，再根据级配对土样重塑，由于参考点土样最大粒径超过本次试验渗透仪的最大允许粒径，所以需要将土样级配重新处理，本次试验采用等量替代法对粒径大于5 mm的土粒进行处理，其计算方法为：

(1)

重塑后的土样级配如图4所示。

图4 重塑土样级配曲线

为保证试验时各土样具有相同的密实程度且与现场堆积体密度一致，本次试验采取分层装样，一共分为五层，每层土样厚度为8 cm，并在土装样后进行锤击压实，控制锤击次数使试验土样密度与现场所取得土样平均密度一致，均为1.95 g/cm3。渗透试验采用四种试样一共进行四组试验，试验时将初始水头差设为5 cm，之后递增5次水头，每次增加1 cm，直到水头差达到9 cm。

4 试验结果分析

通过对四种试样的室内渗透试验，我们得到以下试验结果：

从图5可以看出，在较小的水力梯度下，水的流速与水力梯度基本满足线性关系，当水力梯度较大时，则不满足线性关系。由于土中含有较多的粗颗粒，且中间粒径的颗粒较为缺乏，在较小的水力梯度下，水的渗流基本满足层流状态，当水力梯度较大时，水的流动形式较为复杂，细颗粒在粗颗粒之间的空隙中移动，最终部分细颗粒被水流带出，导致其水流速度与水力梯度呈现非线性的关系。在试验时观察发现出水口的水流较为浑浊，这一现象也表示试验中存在部分细颗粒的流失，通过计算得出该土样的渗透系数k=0.010 4 cm/s，与木楠村取样点原位渗透试验测得的渗透系数基本一致。

图5 1号试样流速与水力梯度的关系

同样，2号—4号试样的结果分析如下：

2号试样的试验结果与1号试样类似，在较小的水力梯度下水的渗流为层流状态，但由于粗颗粒含量较多，水力梯度较大时水流流速与水力梯度呈现非线性的关系，计算得出该土样渗透系数为k=0.003 4 cm/s，与后山村取样点原位渗透试验所测得的渗透系数基本一致。

3号试样的流速与水力梯度基本满足线性关系，即水流为层流状态，试验时出水口水流较为清澈，表示试验中没有细颗粒的流失，通过计算得出3号试样的渗透系数为k=0.000 85 cm/s，与羊圈门取样点原位渗透试验测得的渗透系数基本一致。

4号试样透水性较差，渗透试验效果不明显，其水流流速和水力梯度基本满足线性关系，通过计算得出其渗透系数约为k=0.000 37 cm/s，与上堰沟取样点原位渗透试验所测得的渗透系数基本吻合。

5 讨 论

通过以上四组试验，计算出试样的渗透系数，这四种试样的渗透系数相差较大，主要原因可能是四种试样的颗粒组成差异较大。因此我们对其渗透特性与颗粒组成之间的关系进行探究。

5.1 渗透系数与细颗粒含量之间的关系

砾石层中的细颗粒作为粗颗粒空隙间的充填物，对砾石层的渗透性有着决定性的影响，因此对细颗粒(小于0.5mm)含量与渗透系数之间的关系进行探究具有重要的意义。

将四种试样的渗透系数与细颗粒(小于0.5 mm)的含量进行整理，如图6所示，我们可以发现渗透系数与细颗粒含量之间存在明显的负相关。通过拟合，得到渗透系数与细颗粒的含量之间的关系表达式为：

图6 渗透系数与细颗粒含量关系

Y=0.46X-4.23

(2)

式中：Y为渗透系数；X为细颗粒含量。

通过分析我们发现细颗粒含量对渗透系数的影响并非线性关系，而是随着细颗粒含量的增多，其对土体渗透性的影响逐渐减小。这可能是因为土体中细颗粒含量较少时，粗颗粒骨架的空隙中充填较少的细颗粒，水流通过粗颗粒间的空隙进行流动，此时土体的渗透系数相对较大；随着细颗粒含量的增多，粗颗粒骨架之间的空隙逐渐被细颗粒所充填，从而影响水流在空隙中的流动，土体的渗透性也随之降低，当细颗粒的含量继续增加，其对粗颗粒空隙的填充效果逐渐降低，因此细颗粒含量对渗透系数的影响也随之变小。

5.2 渗透系数与土体不均匀系数、曲率系数之间的关系

土体的不均匀系数Cu及曲率系数Cc是反映土体级配的两项重要指标，不均匀系数Cu可以反映土体的不同大小粒组的分布情况，曲率系数Cc可以反映土体限制粒径d60与有效粒径d10之间各粒组的分布情况。

通过对四组试样的相关数据进行处理，得到四组试样的不均匀系数及曲率系数与其渗透系数之间的关系，结果如表1所示。

表1 土样不均匀系数、曲率系数及渗透系数

通过表1我们可以发现，随着土体不均匀系数增大，其渗透性也随之增大。不均匀系数表示土体粒度分布范围的大小，不均匀系数越大，土颗粒的大小分布越不均匀，粗细颗粒之间的粒径差异越大，土体的粒间空隙就越多，所以其渗透系数就越大；从表1可以观察到，曲率系数也和渗透系数呈现出很好的正相关，曲率系数反映土体各粒组的连续性，曲率系数越大，土体的连续性就越差，因缺少某些中间粒径，导致土粒间的空隙不能被很好的充填，所以土体的渗透系数也就越大。

5.3 渗透特性与沉积特征的关系

研究区四个取样点的沉积特征差异较大，其砾石含量、密实程度、泥质胶结程度都与其渗透性有关。块石及砾石含量的不同影响着砾石层的颗粒级配，进而影响其渗透特性，砾石含量越多，其渗透性也越好；密实程度同样也对渗透特性有着很大的影响，密实程度越好，颗粒间的空隙也就越少，渗透性就越差；泥质胶结程度则影响砾石层的细颗粒含量，泥质含量越多，其渗透性越差。

从整体来看，四个区域的砾石层沉积特征均与高程相关，在较高的高程处，砾石含量较多，夹杂少量磨圆度较差的碎块石，泥质胶结程度也较差，因此其渗透性相对较好；而在较低高程处，砾石层整体粒径相对较小，块石含量多于较高高程处，磨圆度和泥质胶结程度也相对较好，因此其渗透性较差。

6 结 论

(1) 研究区砾石层的渗透系数总体在10-2cm/s～10-4cm/s左右，基本为中透水土体。

(2) 粗颗粒含量较多的土样，在较小的水力梯度时水流流速与水力梯度满足线性关系，当水力梯度较大时则不满足线性关系。

(3) 砾石层的渗透性与细颗粒含量存在明显负指数相关，细颗粒含量越多，其渗透性越差，当细颗粒含量增加到一定范围时，其对渗透性的影响会逐渐变小。

(4) 砾石层的渗透性与其不均匀系数、曲率系数均表现为正相关。

(5) 四个区域的砾石层沉积特征与高程表现一定相关性，其渗透性随高程降低逐渐减小。