砂性土Ⅰ型反滤层渗透破坏试验研究

倪明孚 张 华 孙 静 张英莹 于光涛

（1.三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北 宜昌 443002；2.中国一冶集团有限公司海外公司,武汉 430000）

世界大坝破坏实例调查结果表明[1],由渗透破坏造成的大坝失事占所有事故的40%以上,可见土体的渗透破坏是影响土石坝安全的重要因素之一.反滤层的使用既能保证防渗体的渗透稳定,又可充分保证排水体的排水效果,从而显著提高土石坝的安全度.反滤层按其工作条件可划分为两种类型[2]:Ⅰ型反滤,反滤层位于被保护土的下部,渗流方向为自上而下;Ⅱ型反滤,反滤层位于保护土的上部,渗流方向主要是由下向上.Ⅰ型反滤承受自重和渗流压力的双重作用,使其防渗变形的条件更为不利,容易受到破坏,影响其防渗性能.

国内外学者对反滤层设计准则进行了大量研究与实践.Sherard等[3]研究了无黏性土的反滤层特性,认为D15/d85≤5偏保守,对于D15大于1.0 mm 的反滤层,上述准则合适,对于小于1.0 mm 的情况则可以适当放宽.其中D表示反滤层控制粒径,d表示被保护土的控制粒径,下标15、85则表示累计质量分数小于15%、85%等对应的粒径.刘杰等[4]建议采用20%作为控制粒径,提出多级配土的反滤设计准则D20/dk≤4～7.陈群等[5]提出了适用于含裂缝砾石土的反滤准则D15/d85f≤5 和排水准则D15/d15≥15.《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189—2013）[6]采用的反滤准则是D15/d85≤5和D15/d15≥5.

为了探究渗透破坏的内部机理,国内外学者做了大量研究.周健等[7]、倪小东等[8]通过管涌砂槽模型试验,从细观角度展开了渗透破坏发生与发展的内在机理研究.Maknoon 等[9]通过玻璃槽渗透模型试验探究了颗粒级配与密实度对反滤层的临界水力梯度和内部侵蚀程度有重要影响.刘运化等[10]、罗玉龙等[11]通过室内物理模型试验,探究了渗透破坏过程中各个阶段土体的稳定性.Ke等[12]、刘孟适等[13]通过一维向上渗流试验揭示了细颗粒含量、相对密实度和水力梯度对土体渗透破坏的影响.Sail等[14]通过测量颗粒流失过程中土体的轴向变形、密实度等,揭示了渗流侵蚀对土体结构的影响.Tomlinson 等[15]发现粒径比是影响滤层抗渗能力的最重要参数.Skempton等[16]、吴昌俞等[17]对不同土层组合滤层进行了渗透特性研究.Bendahmane 等[18]、Richards等[19]通过室内渗透试验,强调了约束应力对渗透破坏影响的复杂性.邹玉华等[20]通过对砾石土心墙堆石坝防渗料和反滤料进行联合抗渗试验,研究了不同应力状态下防渗料和反滤料的渗透变形特性.Meng等[21]通过水槽模型试验研究了两种不同级配土体组成下的土坝的渗透特性及其对坝体溃决特性的影响.

前人对于反滤层的研究多针对自下而上渗透的Ⅱ型反滤的情况,而Ⅰ型反滤层渗流力与重力夹角小于90°,在渗流过程中细颗粒的流失要克服粒间黏聚力和摩擦力.与Ⅱ型反滤渗流容易引起有效应力丧失,出现管涌和流土不同,Ⅰ型反滤渗流在细颗粒流失同时会引起土骨架压缩,这种土体结构的变化容易引起严重的结构失稳,威胁建筑物的正常使用.因此探究Ⅰ型反滤层渗透破坏特性对土石坝的安全性具有重要意义.本文以宜昌某小型水库的心墙反滤层为研究对象,利用自主研发的渗流侵蚀模型装置,研究了砂砾组（0.5～2 mm）不同颗粒级配组成对反滤层渗透破坏的影响,针对工程反滤结构,通过试验模拟了渗流对反滤层的侵蚀全过程,观测到渗流侵蚀引发的土骨架变形现象,并分别从颗粒流失量变化、孔隙比变化、渗透系数变化等几个方面分析Ⅰ型反滤层渗透特性与水力坡降等之间的关系.

1 试验方案设计

1.1 试验方案

试验用土取自钻孔取芯样,共分A、B、C 3组.其中B组为钻孔芯样,A 和C 组是在B 组基础上调整了粗细颗粒含量的对照样.3组粒径级配累计分布曲线如图1 所示,其中A 组砂性土Cu＝166.7,Cc＝1.07,满足Cu≥5和Cc＝1～3,级配良好;B 组砂性土Cu＝166.7,Cc＝0.82,级配不良;C 组砂性土Cu＝166.7,Cc＝0.87,级配不良.

图1 3组砂性土的粒径累计分布曲线图

初始孔隙比反映了试样的密实程度,为探究孔隙比变化对反滤层防渗能力的影响,对A、B、C 3组分别开展初始孔隙比为0.5、0.6、0.7的对照试验,共6组进行渗透试验,其中B0.5为原状反滤层重塑土样,见表1.Ⅰ型反滤情况下,渗流力对土骨架具有压缩作用,试验观测了土体孔隙比随渗流水力梯度的变化情况.

表1 土样基本信息表

1.2 试验装置

本文自主研发的内径200 mm、高200 mm 的渗流侵蚀试验装置如图2～3所示.装置采用自上而下渗流模式,由隔膜罐从顶部供水,由空压机提供气压源,经过高精度气压调压阀调制指定稳定气压,并施加在隔膜罐内部气囊.底部出水及流失细颗粒通过桶收集,并实时称重记录流量,细颗粒总量待澄清烘干后测量.试验过程中通过上中下4个压力传感器实时记录每层孔隙水压力,计算分层水力梯度.装置外部设有标尺,通过数码相机定时拍照,记录土骨架压缩量.

图2 试验装置示意图

图3 试验装置实物图

1.3 试验步骤

1）将10 mm 直径筛孔的承压板、1 mm 孔径的筛网、土样、滤纸和5 cm 轻薄塑料支架依次放入玻璃圆筒中,并采用水头饱和法对土样进行饱和.其中,装样前在有机玻璃圆筒内壁涂抹一层凡士林,消除边壁过水对试验结果的影响.土样需分3层均匀地压入有机玻璃圆筒中并击实.

2）打开压力水源,逐步施加水压于压力室内,当达到第一级水力梯度并保持稳定时,进行一定时长的稳定渗流直至流出的液体清澈,无细颗粒流出.

3）经土样流出的固液混合物流入液体收集桶中,同时收集桶的质量会实时传送至PC 机控制终端,当收集桶中固液混合物体积接近收集桶的容积,更换收集桶,更换下的收集桶中的液体需静置一段时间,直至上部悬液澄清,将上部悬液与底部沉淀细颗粒分离,烘干并称量流失的细颗粒的质量.

4）调节压力水源,逐级向压力室施加水压力,直至达到最后一级水力梯度.试验过程中,通过压阻式压力传感器P1至P4监测试验过程中土样各位置处的压力变化情况,并将压强信息传送至PC 终端,通过LABVIEW 自行编制的虚拟仪器自动记录、保存、计算相应瞬时水力梯度、流量与土样的平均渗透系数.

5）对试验后的试样进行分层取样,测量并计算试验后土样的含水率、孔隙比等指标并绘制颗分曲线.

试验采用水力梯度分级加载的方法,通过调节进水调压阀增加压力室内的水压来加载水力梯度.每级水力梯度加载时和加载后都进行相应的试验现象与试验数据的记录.当渗透水流相对稳定,水流清澈、流动平稳且砂粒不再移动和被带出,认为渗流达到稳定.

2 试验结果与反滤层影响因素分析

2.1 颗粒级配变化对反滤层的影响

试验结果显示A0.7、C0.5、C0.6发生渗透破坏,A0.5、B0.5、C0.7未产生渗透破坏.观察A0.5、B0.5、C0.5在不同水力梯度下土样细颗粒流失量（如图4所示）发现:3组土样随着水力梯度的提升颗粒流失质量都经过了一个先增长后降低的过程,且C0.5的启动水头要低于A0.5、B0.5,这是因为C0.5的颗粒级配不均,粒径缺失,阻塞颗粒即粒径2～5 mm、1～2 mm 的砂粒仅占10%,级配不良且细粒含量较高,其粒径为0.25～0.5 mm 的细砂质量约占总细颗粒质量的30%,细颗粒流动性大,容易受水流的冲刷而被带走（如图5所示）.而其余两组的颗粒级配较好,阻塞粒径含量相对较高,对水流的渗透作用抵抗较好,细颗粒不容易被带出,启动水头相对较高.如图6所示,由于水压力对土骨架的影响,使得3组的孔隙比降低.继续增大水压力,3组的颗粒流失量都开始降低.由图7知,此时3组的渗透系数都有小幅度降低,孔隙比继续降低,说明此时水压力对土骨架的压缩变形对3组反滤层抗渗性能的影响增大.

图4 各水力梯度下细颗粒流失质量对比图

图5 C0.5 试验前后粒组含量对比图

图6 土样实时孔隙比

继续增大水压力,当水力梯度达到38时,C0.5的颗粒流失质量开始增大,孔隙比的减小幅度开始降低,渗透系数也开始上升,这是由于水力梯度的增大,使得土体受到的渗透力增大,土样的颗粒级配不良,细颗粒含量较多,容易被水流带走,虽然受到了水压力对土骨架压缩变形的一定影响,但是其作用相对较小,因此渗透系数增大.A0.5、B0.5两组从颗粒流失质量第一个拐点开始,孔隙比在一直降低且幅度较大,颗粒流失质量也在不断的降低,观察图7发现二者的渗透系数在这个过程中整体的趋势是不断的降低,这是因为两组的颗粒级配较好,阻塞粒径含量较高,随着水力梯度的提升,水压力对土骨架的压缩作用不断提高,同时细颗粒随着水流的流动,较好地填充在粗颗粒形成的空隙中,使得土骨架的孔隙比不断降低,细颗粒的流失质量不断减低,渗透系数不断减少.

图7 平均渗透系数及孔隙比变化规律

对于C0.5继续增大水力梯度达到71时,孔隙比与颗粒流失量变化幅度开始降低,渗透系数开始降低至最低点,这是由于较大的水力梯度,使得水压力对土骨架所造成的压缩变形增大,加之细颗粒与阻塞颗粒的移动,开始在土样内部形成自滤反滤层,阻断土颗粒的继续流失,使得土样的渗透系数降低,孔隙比降低.增大水力梯度达到136时,水流的流动破坏了自滤反滤层,大量的细颗粒被冲刷带走,水压力造成的土骨架的压缩变形对反滤层抗渗性能的影响降低,无法维持原有平衡,土体内部通道完全形成,孔隙比、渗透系数达到最大值.

对C0.5试验前后的土样进行筛分,结果如图5所示.试验前后5～10 mm 的骨架粒径以及2～5 mm 的阻塞粒径土的质量都未发生变化,该粒径土颗粒没有发生流失.小于1～2 mm 土颗粒部分开始流失,其中粒径为0.25～0.5 mm 的土颗粒流失量最大.说明颗粒级配对反滤层的抗渗性能的影响很大,其中1～2 mm 为颗粒流失的上限,颗粒流失主要发生在粒径为0.25～0.5 mm 的土颗粒.一定范围内,细颗粒含量越大,反滤层的抗渗性能越差,越容易发生渗透破坏.

2.2 孔隙比变化对反滤层的影响

由图8知,C0.5、C0.6、C0.7颗粒流失质量随着水力梯度增大均呈现先增大后减少的趋势,峰值处C0.5、C0.6的颗粒流失量要高于C0.7,这是由于C0.7的初始孔隙比较大,容易受到水压力的影响而造成土骨架的变形、压缩,一定程度上阻止了细颗粒的流失.其它两组由于初始孔隙比较小,受土骨架压缩变形的影响相对较低,峰值的颗粒流失量较小.

图8 各水力梯度下细颗粒流失质量对比图

继续增大水力梯度,3 组的颗粒流失量开始降低.这是由于在施加第二级压力后,随着细颗粒被水流带出,在渗流过程中,上层与中间层土样中的细颗粒随水流向下移动,颗粒在流失过程中极有可能遇到了尺寸较小的孔隙停止运动而产生了填充现象,加之压力水头对土骨架起到一定的压缩作用,使细颗粒不易迁移,保证了反滤层的防渗能力;随着水力梯度的不断提高,土骨架的可压缩性逐渐降低,土骨架变形已经不能作为妨碍细颗粒流出的主要因素,上层与中间层的颗粒继续向底层运移,当达到临界破坏水力梯度时,细颗粒发生大面积流失,系统变得不稳定,侵蚀路径贯通,C0.5、C0.6彻底丧失防渗能力.C0.7由于初始孔隙比最大,加压过程中,土骨架压缩程度也最为严重,土体最为紧实,若要使其彻底丧失防渗能力,还需继续提高水力梯度以达到其临界破坏水力梯度.

观察图9发现,初始阶段3组土样随着水力梯度的不断提高,土样整体的平均渗透系数与孔隙比的变化趋势相一致.渗透时试验前期,3组反滤层由于水流对土骨架的压缩作用,加之细颗粒流失量较少,土体的孔隙比越来越小,防渗性能逐渐增强.相较于C0.5,C0.6、C0.7在此阶段孔隙降低较大,这是由于C0.6、C0.7的初始孔隙比较大,土骨架压缩潜力大,同等水压力下二者的土骨架变形大.继续增大上部水压力,3组反滤层的孔隙比继续降低,但是C0.5经历了一个渗透系数小幅增加的过程,这是由于C0.5的土骨架压缩潜力小,同等水头下土骨架变形小,增大水压力,短时间内土骨架不足以及时通过压缩变形和细颗粒填充与水压力达到平衡.

图9 平均渗透系数及孔隙比变化规律

继续增加水压力,C0.5、C0.6、C0.7的孔隙比与渗透系数逐渐降低直至最低点,此时土骨架变形与细颗粒流动使得土体中的自滤反滤层形成.增大水压后,3组土样阻塞带开始逐渐被冲破,细颗粒逐渐被水流带走,土骨架压缩此时已经不能作为抵抗渗透破坏的主要影响因素,土体内部无法维持原有平衡,C0.5、C0.6产生突降,渗透系数呈指数暴涨,整体土体防渗能力大幅度降低.同时发现,在考虑土骨架变形的前提下,C0.6的临界水力梯度低于C0.5,因为C0.5的初始孔隙比较低,土骨架压缩潜力小,但是较低的孔隙比却在一定程度上保证了渗流过程中细颗粒可以被较好的拦截,但C0.6的初始孔隙比既无法保证有足够的土骨架压缩来降低土体的孔隙比,也无法通过较低的初始孔隙比在一定程度上拦截细颗粒的流失,所以C0.6的临界水力梯度最低.在渗透系数降低的过程中,C0.7所需要的水压力明显高于其它两组,因为C0.7反滤层的初始孔隙比为0.7,较为疏松,因而在较低的水力梯度下就可产生较大的压缩变形,降低了细颗粒移动对内部渗透平衡的影响.随着水力梯度的增大,土体压缩变形越来越大,压实程度较高,细颗粒被水流拖拽、带离土体的可能性越来越低,平均渗透系数越来越小,临界破坏水力梯度的值越来越高,防渗能力越来越强.

因此,在考虑土骨架压缩变形的前提下,颗粒级配相同的反滤层,一定程度上增大或减小初始孔隙比,都可以提高反滤层的抗渗性能.

2.3 水力梯度对反滤层的影响

以C0.5为例,为了揭示反滤层渗透破坏发展机理,压力室外侧在高度方向上等距离安装了3枚压阻式压力传感器,在底座处安装了一枚同种型号的压力传感器.4枚传感器对应了土样上、中、下3层.记录土样在各水力梯度下,各部分渗透系数随时间的变化情况.

通过图10发现,试验前期,反滤层的整体渗透呈逐渐上升的趋势,而孔隙比变化较缓,这是由于随着水力梯度的提升,细颗粒随着水流的渗透逐渐流失,同时土骨架受到水压力的冲击,土骨架受到压缩,使孔隙比保持较缓的变化.虽然孔隙比变化不大,但是水力梯度的提升使得渗透力变大,从而使得土样的渗透系数增大.继续提升水力梯度,当水力梯度达到71时,土样整体的平均渗透系数降低,在水力梯度为104时整体平均渗透系数达到最低点后.水力梯度达到136时,土样平均渗透系数开始突然上升,孔隙比增加,土样达到了临界水力梯度,孔隙比明显增大,土样防渗能力彻底丧失.

图10 C0.5 土样平均渗透系数及孔隙比变化规律

通过图11观察土样在水力梯度i＝136条件下的内部渗透系数,试验过程中,上、中、下部渗透系数变化趋势与土样整体变化趋势相一致,但数值仍有一定差异.

图11 i＝136时土样内部渗透系数

在试验后期,反滤层的上、中、下以及整体的渗透系数都同时开始上升并趋近于相同,说明反滤层在此时已经完全丧失防渗能力.同时发现上部与中部的渗透系数变化幅度不大,而整体与下部的渗透系数变化相对较大,并且二者数值接近.这是由于在考虑土骨架变形的情况下,受水流的冲刷作用,上部与中部的细颗粒和阻塞粒径持续被水流带到土样的中下部,流失过程中遇到了较小的孔隙出现了截留和填充效应,土骨架的压缩变形使得土样的密实度增大,同时因为水流在流动过程中产生水压的衰减,中、上部流下的土颗粒质量小于土样流失的总质量,使得在土样中下部形成堆积,产生渗透挤密区形成自滤反滤层,增强了反滤层的抗渗性能,自滤反滤层形成过程如图12所示.

图12 自滤反滤层形成过程示意图

虽然随着土颗粒随水流的移动,使得土样中、上部的孔隙比逐渐升高,透水能力增强,但是由于自滤反滤层的存在,使得土样整体的孔隙比不高,透水能力不强,反滤层此时仍能保持一定的防渗能力.继续增大上部水压力,颗粒侵蚀路径被冲破、贯通,导致水压无法维持原有平衡,自滤反滤层被冲破,下部细颗粒被水流带走,下部的孔隙比增大,下部土样渗透系数增加,平均渗透系数呈指数暴涨,反滤层整体抗渗透性能迅速降低,反滤层功能丧失.

通过对未发生渗透破坏的C0.7试验后的土样进行上下两层分层取样并进行筛分,结果如图13所示.发现土样下部的细颗粒含量明显多于上部,这说明在渗透破坏发生前,上层的细颗粒随着水流的移动到下层,并在反滤层下部形成堆积,对粗颗粒的空隙进行填充形成了反滤自滤层,确保了该土样不会发生渗透破坏.同时说明渗透破坏的起始阶段位于土样的上、中层.

图13 C0.7 试验前后各层土样粒径占比

3 结论

1）分析了颗粒级配对Ⅰ型反滤层的影响.结果表明:初始孔隙比相同的情况下,当反滤层存在粒径缺失且细颗粒中细砂含量较大的情况时,反滤层中细颗粒含量越高,细颗粒对孔隙的填充效果越弱,渗透性越强,临界水力梯度越低,防渗能力越差.

2）分析了孔隙比对Ⅰ型反滤层的影响.结果表明:在考虑土骨架压缩变形的前提下,颗粒级配相同的反滤层,在一定范围内增大或降低孔隙比都可以起到提高抗渗能力的作用.

3）分析了水力梯度对Ⅰ型防渗层的影响.结果表明:渗透破坏发生起始阶段颗粒流失主要发生在土样中、上部.同时受土骨架逐渐压缩变形、孔隙比减小的影响,在土样中下部形成自滤反滤层,增强土体的抗渗能力;当达到临界水力梯度时,自滤反滤层被冲破,反滤层彻底丧失防渗能力.