冻融及上覆荷载作用下堆石料渗透性试验研究

徐 卫 卫，石 北 啸

(1.水利部水库大坝安全重点实验室，江苏 南京 210024； 2.南京水利科学研究院 岩土工程研究所，江苏 南京 210024)

我国新建的高土石坝大多数建在西南的高温差等地区。季节性或者常年性冻土区筑坝堆石料在经历不同上覆荷载压力以及反复冻融循环后，其渗透性的变化将影响大坝蓄水后的变形与稳定性。为保证大坝的安全有效运行，需要对堆石料渗透性进行研究，以便在现场施工采取有效的碾压和防冻措施以满足大坝蓄水后稳定性要求。

目前，土的室内冻融循环试验主要针对细粒土的抗剪强度、土固结状态、应力-应变行为及弹性模量等主要力学指标与冻结温度、循环次数的相关关系展开。于琳琳等[1]通过对饱和原状粉质黏土的三轴试验发现：在冻融后，土的凝聚力C降低，内摩擦角φ增大；冻结温度越低，冻融循环对内摩擦角φ和凝聚力C的影响越小。王大雁等[2]认为在冻融循环后，C值减小而内摩擦角φ的变化并无规律可循。而常丹等[3]认为凝聚力C减小而内摩擦角先减小后增大。严晗等[4]认为随冻融过程中循环次数增加，土体的凝聚力C会因土密度的高低发生不同程度的变化，在低密度下C提高，在高密度下C降低，内摩擦角变化不大。马巍等[5]通过对经历K0固结后的冻结黄土进行了三轴压缩试验，认为围压与温度的变化是影响深部冻土抵抗变形能力的主要因素；初始切线模量Ei随围压的升高呈线性增大，温度的作用效果不明显；温度恒定时，峰值强度随围压的升高而线性增大；围压恒定时，峰值强度随温度的降低而增高。齐吉琳等[6]对超固结土样进行冻融循环试验发现：超固结土在冻结初期发生了冻胀现象，在融化初期出现短暂的融胀现象，在经过1次完整的冻融循环完成过后，土的密实度略有降低。常丹等[3]认为随着冻融循环次数的增加，在低围压下，粉砂的应力-应变关系由软化型逐渐转变为硬化型；在围压较高的情况下，冻融循环不会导致应力-应变关系发生改变。魏尧等[7]研究了温度对黄土的无侧限抗压强度的影响，结果表明：在历经不同冻结温度的冻融循环后，黄土的无侧限抗压强度均减小，冻结温度越低，无侧限抗压强度下降就越快，土样凝聚力呈现随冻结温度降低而下降的趋势，内摩擦角则是先减小后增加。王天亮等[8]通过室内三轴试验发现，冻融循环后改良土的强度随冻结温度的降低而衰减，达到一定温度后趋于稳定。胡田飞等[9]对粉质黏土不同冻结温度和不同冻融循环次数开展三轴剪切试验，结果表明：冻胀和冻缩在冻结过程中同时存在；冻结温度越低，破坏强度随冻融次数的变化范围越小，达到新的稳定状态所需的冻融次数也越少。付伟等[10]研究发现，土体冻胀融沉量和干密度均趋于稳定的冻融循环次数为5次。梁波等[11]探讨了在反复冻融过程中，不同土质在不同含水量、压实度以及荷载条件下的融沉特性。

在堆石料的室内温度循环试验方面：石北啸等[12]就外界温度变化引起堆石料流变的影响，开展了10 ℃～40 ℃情况下不同次温度循环作用下堆石料的流变试验，发现：温度升高，流变量较小，温度降低，流变量增大；随着循环次数的增多，最终的体积变形量会增大，但就每次温度循环而言，轴向和体积变形量均呈减小的趋势。陈涛等[13]对如美筑坝堆石料进行了不同法向应力条件下的冻融循环试验和直剪试验，研究了冻融循环过程中堆石料的变形与强度特性，发现：堆石料在一个冻融循环周期内，试样会依次经历融缩-冻缩-冻胀3个典型状态；冻融循环后，堆石料试样的密实度和抗剪强度降低，并且在经历20次冻融循环后其抗剪强度降低约11.5%～15.4%。

上述冻融循环试验研究对象大多是黏土或掺砾石土料。堆石料经历冻融循环，其力学性能的变化不如黏土料敏感，但堆石料在冻融循环后，是否会因试样内部存在孔隙水，导致试样原有结构破坏，进而引起渗透系数的变化，需要进一步研究。因此，采用某心墙堆石坝料场开采的土石坝I区堆石料，进行不同上覆荷载与不同冻融循环次数下的大型渗透试验，研究不同上覆荷载与不同冻融循环次数下渗透系数的变化规律，建立冻融循环次数与渗透系数的相关关系，揭示堆石料在冻融循环条件下渗透系数的演变规律，为高寒或昼夜温差较大地区堆石坝工程的长期渗流安全提供科学参考。

1 试验研究方法

按照工程设计要求的密度制做堆石料大型渗透试验试样。堆石料试样经历不同冻融循环次数后，施加不同上覆荷载。待试样变形稳定后，进行常水头下大型渗透试验，研究冻融循环及上覆荷载对堆石料渗透系数的影响规律。试验在大型渗透仪上进行，渗透仪尺寸为φ300 mm×300 mm，其中300 mm为渗径，冻融循环次数为0次(未冻融)、3次、10次，上覆荷载分别为50，100，200 kPa和400 kPa。

试验在黑龙江省水科院进行，在大型渗透仪上制样完成后放入冻融室开展冻融循环试验。试验前，先在试样中设置温度传感器，测试不同冻融时间时的试样温度，从而确定冻融试验所需时间。通过试验，确定冻结温度为-15 ℃，融化温度为25 ℃，冻融时间各为12 h，可满足试验要求。

冻融次数满足试验设计要求后，取出试样并逐级施加荷载直至试验设计荷载值，然后从下向上对试样开展渗透试验，待出水口水流连续且无气泡溢出，测量试样渗透系数。每组冻融循环试验进行3个试样的平行试验，各组冻融循环试验数据取平均值作为试验结果。

1.1 试验成样

试验所用料为西藏某心墙堆石坝工程的堆石料场爆破的弱卸荷英安岩。该地区属高原温带半湿润季风型气候区，夏季湿润，冬季寒冷干燥，温度最高为25 ℃，最低温度为-20 ℃。

试验针对该堆石坝工程堆石Ⅰ区料所用弱卸荷英安岩开展。对试验用料按《土工试验方法标准》[14]要求进行缩尺，堆石Ⅰ区料级配与缩尺后的试验模拟级配曲线如图1所示。将自然风干后的试验用料分60～40，40～20，20～10，10～5，5～0 mm 5种粒径范围称取后充分拌匀，为便于试样击实，加2%曝气水后采用振动击实法分3层击实成样，制样过程如图2所示。试样制样密度为2.08 g/cm3，与工程要求相同。

图1 堆石Ⅰ区料级配与试验模拟级配曲线Fig.1 In-situ and test used gradation curve of filling material

图2 大型渗透试验的制样过程Fig.2 Sample preparation process for large seepage tests

为防止试样内部颗粒离析堵塞透水板，制样时，在直径为2 mm透水孔的透水板上部铺直径为20～40 mm的砂砾石排水层。为避免沿仪器内壁集中渗漏，装样时在仪器壁的内侧涂上一层凡士林。

渗透试验严格按照《水电水利工程粗粒土试验规程》[15]进行。试样采用常水头法进行饱和，渗流方向为从下向上，在固定位置设置渗透试验用水，水头高度不变，略高于试样底部1～2 mm，渗透水流从渗透仪底部的连通管逐渐渗透至试样底部，待试样内部水头与渗透水头一致后，逐步提高渗透水头，直至试样出水口水流连续且无气泡溢出，测量试样渗透系数。

1.2 测量装置与测量方法

试验装置由龙门架、千斤顶、百分表、水桶、叉车、水泵、量筒、温度计、电源、数据采集线、数据采集系统等组成。

用水泵从装入适量水的桶A不断地向提供水头差的桶B内注入水，桶B的边缘有一个溢流孔(保证桶B有一个恒定的水头差，由叉车提升桶B的高度)流入到桶A，水可循环使用。用千斤顶上顶龙门架、下压渗透仪盖板，从而提供给试样反压作用，其作用力的大小由设置在龙门架下方的传感器连接到数据采集系统自动调节。通过设置在渗透仪顶板上等角度分布的3只百分表测量上覆压力下试样的变形(见图3)。

图3 加载条件下大型渗透试验Fig.3 Large seepage test under loading conditions

2 大型渗透试验

2.1 试验过程与试验现象分析

将需要冻融的试样依次放入冷库中开展冻融循环试验。图4和图5为冻融循环试验前后试样外观。比较后发现，经历冻融循环后，渗透仪上部盖板均被试样顶托出渗透仪上平面，顶托高度与冻融循环次数有关，冻融循环10次要比3次的顶托量更大。应该是在试样冻结过程中，冻结后的冰压力受试验装置周围侧压力限制，仅能在竖向产生变形并引起上部盖板顶托。

图4 冻融前的试样图片Fig.4 Image of sample before freezing and thawing

图5 冻融循环后试样图片Fig.5 Image of sample after freezing and thawing

渗透试验完成后，拆卸试样上部盖板后(见图6)，发现靠近渗透仪侧壁边缘，有几处显示出堆石料大颗粒堆积明显、细小颗粒较少的现象，可能是渗透过程中，试样的细颗粒沿着渗透仪侧壁随水流失(图6标记位置)。

图6 渗透试验结束后的试样表面Fig.6 Surface of the sample after the test(water is drained)

分析认为：堆石料内部颗粒间原有平衡在冻结作用下被破坏，改变了试样的内部结构，反复冻融导致边缘部位的颗粒，尤其是与其他颗粒接触不紧密的细颗粒，随水流动而发生位置改变。

2.2 冻融循环及上覆压力下渗透系数的测量结果

对经历不同冻融循环次数试样开展常水头下的大型渗透试验，其中，冻融循环次数分别为：0次(未冻融)、3次、10次，上覆压力分别50，100，200，400 kPa，渗透试验与对比分析结果列于表1。

从表1来看：随着上覆荷载增加，无论是否经历冻融循环，试样渗透系数均呈逐渐降低趋势；上覆荷载越小，经历冻融循环后渗透系数增大越明显。无论上覆应力多大，冻融循环次数越多，试样渗透系数增大越明显。将经历不同冻融次数下的试样渗透系数对比后还发现，3次冻融循环后的渗透系数与未经历冻融循环的相比，渗透系数增加明显，而经历10次冻融循环与经历3次冻融循环相比，试样的渗透系数虽有所增加，但增加趋势明显减缓。

表1 不同冻融循环次数下的渗透系数变化Tab.1 Variation permeability coefficient of different cycles numbers

2.3 冻融循环及上覆压力对渗透系数的影响

未经历冻融循环时，随着上覆荷载的增大，试样渗透系数逐渐减小。这是因为试样在逐级加载的情况下，随着上覆荷载的增加，堆石料压密程度逐渐提高，试样内部孔隙率逐渐降低，因而，堆石料的渗透系数逐渐减小。另外，从表1还可以看出，上覆荷载分别从50 kPa和200 kPa增大1倍，渗透系数分别降低了0.9×10-3和0.25×10-3。可见，从渗透系数的减小量上来说，上覆荷载与渗透系数并非呈直线关系。

当上覆荷载一定时，如上覆荷载为100 kPa时，3次冻融循环后渗透系数增大了3.78倍，而10次冻融循环后渗透系数仅增大了1.30倍，可见，冻融循环次数对渗透系数的影响明显，但前几次冻融循环的影响更大。

为充分研究不同冻融循环次数与不同上覆压力作用下堆石料渗透系数的变化规律，冻融循环次数分别为0次(未冻融)、3次、10次，上覆压力分别为50，100，200 kPa和400 kPa时，对试样的渗透系数与上覆荷载的关系进行拟合(见图7)。通过拟合发现，试样渗透系数与上覆荷载可用公式(1) 的幂函数关系来表示。

图7 上覆荷载与渗透系数关系曲线Fig.7 Fitting curve between overburden load and permeability coefficient

y=a·xb

(1)

式中：a为无上覆荷载时的渗透系数；b为拟合参数。

从拟合公式(1) 可以看出，渗透系数与上覆荷载呈幂函数关系。当上覆荷载为0时，堆石料的渗透系数y为常规渗透系数。试验值a，b根据堆石料的不同而变化，主要反映不同材料的渗透变化特性。

由图7可明显看出：相同上覆荷载下，随着冻融循环次数的增加，渗透系数逐渐增大，上覆荷载较低时，渗透系数变化更为显著；相同冻融循环次数条件下，上覆荷载越大，渗透系数越低，且冻融循环次数越多越明显。

从不同上覆荷载和冻融循环次数条件下，由大型渗透试验获得的堆石料渗透系数来看：冻融循环会导致渗透系数增大，尤其是前几次冻融更明显；而上覆荷载则会抑制试样的渗透性能，导致渗透系数随上覆荷载增加而降低。对实际工程来说，要尽量采取保温措施，或在设计上采取排水措施，避免堆石料因冻融而导致渗透系数增大，发生渗透破坏，危及工程安全。

3 结 论

本文开展了不同上覆荷载及不同冻融循环次数下堆石料的渗透试验，针对上覆荷载和冻融循环对堆石料渗透性能的影响规律进行了分析，得出如下结论：

(1) 无论是否经历冻融，堆石料的渗透系数均随上覆荷载的增加呈减小趋势，且渗透系数与上覆荷载近似呈幂函数y=a·xb关系。

(2) 上覆荷载一定时，堆石料的渗透系数随冻融循环次数的增加呈增大趋势，前几次冻融循环对渗透系数的影响更大。

(3) 上覆荷载越低，经历的冻融循环次数越多，堆石料试样内部结构破坏越严重，渗透系数也就越大。建议尽量采取保温措施，或在设计上采取排水措施，避免堆石料因冻融而导致渗透系数增大，危及工程安全。