戍浦江堤防工程砂土注浆改良下渗透力学试验研究

李德宝，孙昌雨

(温州宏源建设集团有限公司，浙江 温州 325000)

水利工程中岩土体渗透特征以及力学水平[1-2]，均为工程设计关注重点，探讨岩土体渗透力学行为，有助于拓展水工设计参考成果，提升水工设计水平。研究岩土体渗透力学特征，有多类型方法，李泽闯等[3]、沈筠等[4]采用颗粒流仿真方法，从微观角度评价了土体力学影响变化特征，引入了土体各种类型微观参数，揭示了土体颗粒骨架微观破坏特征，为土体宏观力学水平研究提供参照。李丽华等[5]、李东旭[6]采用室内力学试验方法，开展了三轴土体剪切试验，并设计了不同影响因素分析，如围压、工程环境等，为工程设计直接性提供试验成果。针对土体渗透特征，杨党校等[7]、李佳敏[8]从稳态、瞬态法以及达西定律等不同角度入手，开展了土体的渗透试验，研究了加载前、加载中、加载后等不同阶段的土体渗透特性，有助于系统性评价土体渗透特征。本文为研究戍浦江堤防砂土经注浆改良下渗透力学特性，设计了三轴与变水头渗透试验，基于试验结果开展了注浆设计、含水量因素对砂土渗透力学特征影响，为堤防工程砂土改良治理提供参考。

1 工程概况

戍浦江为浙南地区重要地表供水通道，上游长度15 km称之为龙溪，该支流为瓯江水系辐射浙南的重要体现，全干流长度超过43 km，年均流量为1250万m3，控制流域面积超过156 km2，全干流上建设有泽雅水库、杨坑节制闸等重要水工设施，作为对水资源利用的控制枢纽，全干流坡降约为3.86‰。目前戍浦江沿线支流中，水资源较丰富，流量较大，特别是在夏季台风天气，常出现河道水位暴涨，引起沿线干流堤防较大防洪压力。从河道沿线水工设施监测得知，泽雅水库正常运营期最大库容为5578万m3，蓄水位108.6 m，受上游泄流蓄水影响，库容年超标天数超过25.5%。丰水期工况下，坝体内渗透坡降会出现波动，整体防渗体系，如面板、L型墙等，均处于安全运行，但溢洪道、引水隧洞等水工建筑，受较大泄流或蓄洪影响，常出现局部非稳定渗流场分布，水头线、流场受扰动影响显著，2021年夏季流域内特大洪水时期，在溢洪道下游监测到流速最大可达2.5 m/s，流速波幅超过38.5%。结合水文资料得知，戍浦江下游分布有1667 hm2农田，平均每年被淹面积超过800 hm2，受淹时间甚至达4～5 d，淹没深度超过1 m，流域内所辖泵、闸等水工建筑受损程度超过70%，河道安全性受很大挑战。究其根本原因，笔者认为，戍浦江沿线河道设防等级过低，以及部分河道堤防存在砂土沉陷、渗漏等现象，且无法满足Ⅳ级防洪标准，导致河道上、下游泄流、防洪全面失控。为此，工程部门基于戍浦江沿线30 km病险段以及泽雅水库等水工设施踏勘调研，认为首要应提升堤防工程防渗能力及其安全稳定性，确保堤防行可靠性。根据目前戍浦江堤防现状，堤防砂土渗透特性乃是不可回避的问题，必须探讨解决方法，提升其渗透力学特性。

2 试验方法

为研究戍浦江堤防工程砂土渗透力学特征，据调查，戍浦江堤防全段内，砂土层占比超过75%，而堤防防渗能力与之具有紧密关联性。为此，采用三轴土体试验仪与变水头渗透测试装置，开展砂土试样渗透力学试验研究。该试验仪器具有自动化数据调整功能，可对误差超过一定许可的抹零处理，设备最大轴荷可达120 kN。与仪器设备相匹配的是，含有智能式加载控制程序，可实现试样加载全过程可视化、实时化以及精确化控制，包括有LVDT、轴向仪器位移等，均与该程序绑定控制，试验所采用LVDT设备量程为-20～20 mm，仪器位移可作为设备自我保护限值。变水头渗透测试装置如图1所示，采用渗透仪与变水头管控制进水压力，水头差的形成来自高低供水箱，以进水管夹作为水头节制装置，该设备渗透测试灵敏性可达1.0×10-6cm/s，通过渗透测试，可获得各管路上水头值、流量值等，进入计算获得试样渗透特性。

图1 渗透测试装置

从戍浦江堤防工程取样获得的砂土试样，经实验室勘测表明，该批砂土试样物理力学参数较为接近，中值粒径为0.8 mm，颗粒细度模数为3.2，含水量分布为16%～28%，密度为1.26 g/cm3，孔隙分布差异性较小，杂质含量较低，仅为3%～5%。在室内经土工制样，获得了砂土试样，所制备的试样直径、高度分别为38 mm、76 mm，所有制备后试样须在恒温恒湿环境下养护24 h，方可进行渗透力学试验。

试验研究不仅需要探讨原状砂土渗透力学特征，同样对砂土提高防渗能力的关注也较为重要。因此，笔者计划采用高聚物注浆方式，加强砂土试样颗粒骨架的完整性与整体性，使之防渗能力提高。从已有注浆固结经验考虑[9]，注浆物以高聚物为主，多采用空压机注浆系统开展注浆，注浆时间控制在20 s，注射位置位于两端头，注浆压力按照试验优化原则，设定有0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa四种。试验中另设定有不同含水量组试样，分别为16%、19%、22%、25%、28%，试验围压为200～400 kPa，梯次为100 kPa，试验方案设计如表1所示。从戍浦江堤防砂土渗透力学试验入手，评价高聚物注浆设计对其改良效果。

表1 试验设计方案

3 堤防砂土力学特征

3.1 注浆压力的影响

基于砂土试样力学试验，获得了注浆设计下砂土力学特征，如图2。依据图中力学特征可知，在同一围压下，注浆压力愈大，试样承载应力愈高，在围压200 kPa时，应变2%下注浆压力0.05 MPa试样加载应力为138.70 kPa，而在同围压同变形程度下注浆压力0.10 MPa、0.20 MPa试样加载应力较之前者分别提高了21.1%、74.9%。从试样峰值应力参数对比来看，在围压200 kPa下，注浆压力0.05 MPa试样为192.70 kPa，而注浆压力0.10 MPa、0.15 MPa试样峰值应力较之前者分别增大了21.1%、45.5%，当注浆压力每增大0.05 MPa，则试样峰值应力平均可提高20.5%，相比之下，各试样间峰值应力增幅基本接近，如注浆压力0.15～0.20 MPa试样间，为21.1%，与平均增幅也接近。由此可知，不同注浆压力下，试样增幅具有一致性，且作用程度较为均衡。当围压增大至400 kPa时，注浆压力0.10 MPa试样峰值应力为403.5 kPa，较之围压100 kPa下增大了72.9%，而其他三个注浆压力下试样峰值应力较之围压200 kPa分别提高了41.7%～165.2%，围压效应可耦合注浆固结作用，进一步提高砂土试样承载能力。在围压400 kPa下，当注浆压力每提高0.05 MPa，其峰值应力平均增长了48.5%，该增幅较之围压200 kPa下有所提高，表明围压效应有助于促进高聚物在试样内部扩散、固结。

图2 注浆压力影响下试样应力应变特征

对比应变特征可知，不论是围压200 kPa或是400 kPa下，试样应力应变发展趋势基本一致，围压200 kPa下具有应变脆性，而围压400 kPa下具有硬化特点，这在同一围压下各注浆压力试样中均是如此，表明注浆压力不会改变砂土试样应变破坏特征。在围压200 kPa、400 kPa下，两组试样峰值应变稳定在4.1%、6.1%，弹性模量随注浆压力变化特征与峰值应力影响类似。综合注浆压力对砂土试样力学影响，注浆压力的选取可尽量靠近注浆仪最大限值，此可增大高聚物在试样内部的扩散[10]，进一步激发试样骨架完整体承载性。

3.2 含水量的影响

同理，基于不同含水量组试样力学试验，获得了含水量对注浆固结改良后试样应力应变特征，该组试样注浆压力均为0.15 MPa，如图3所示。从图中可看出，同一围压下不同含水量试样应力应变发展特征具有差异性：在含水量不超过22%时，试样具有应变软化、应力跌落现象，而含水量为25%、28%下试样具有持续性应变塑性特征，应力下降不明显。从颗粒结构微观角度考虑，在含水量达到一定程度时，有限的注浆压力无法完全使内部水分、孔隙填充，在逐步递增的轴荷下，试样骨架会逐步硬化，会呈现长期的高应力、高应变发展段。总体上看，含水量愈大，试样承载应力愈低，围压200 kPa下，同为应变1.5%时含水量16%、19%试样应力分别为191.20 kPa、132.60 kPa，而含水量25%、28%试样在该变形下应力较之16%试样分别减少了68.6%、73.8%。同样也可以峰值应力参数作为宏观对比，在围压300 kPa下，含水量16%、19%试样分别为484.3 kPa、373.7 kPa，而随含水量每递增3%，则其峰值应力平均减少了25.1%；而围压为200 kPa下，试样峰值应力受含水量影响平均降幅为32.2%。分析可知，围压愈大，含水量对砂土试样承载应力的削弱总用有所减小，围压效应不仅可促进承载应力水平，也可控制含水量在砂土试样中的承载稳定性[11]。

图3 含水量影响下试样应力应变特征

从应变特征对比来看，含水量25%、28%试样均具有长期塑性应变段，围压200 kPa下峰值应变分别为5.7%、9.6%，而含水量不超过22%时，峰值应变随含水量增大而增大。从堤防工程防渗考虑，避免砂土含水量过高，影响砂土承载能力，且注浆固结时应避免砂土含水量超过25%。

4 堤防砂土渗透特性

基于变水头渗透测试，获得了不同注浆压力、含水量下砂土试样渗透系数影响变化特征，如图4所示。由图中试样渗透系数变化可知，注浆压力与砂土试样渗透系数为负相关，而含水量与之为正相关关系。在图4(a)中，不论含水量为何值，试样渗透系数随注浆压力均为稳定递减特征，在含水量25%试验组中，注浆压力0.05 MPa试样渗透系数为6.2×10-5cm/s，而随注浆压力每递增0.05 MPa，其渗透系数平均减少了15.5%，而在含水量28%、19%试验组中，砂土随注浆压力分别平均减少了19.6%、7.5%，即含水量增大，砂土渗透系数受注浆压力影响敏感性愈大。

图4 试样渗透系数影响变化特征

相比之下，在图4(b)渗透系数与含水量关系中，渗透系数随含水量变化具有“两段”性，当含水量不超过22%时，渗透系数随含水量变化幅度较低，平均增幅为7.3%，而在含水量超过22%后，渗透系数增长了39.5%，达5.72×10-5cm/s。从渗透试验结果可知，砂土含水量超过22%后，其渗透系数发展趋势处于不可控状态，工程土体改良时应尤为注意。

5 结 论

(1)注浆压力愈大，砂土承载应力愈高，当注浆压力每增大0.05 MPa，围压200 kPa、400 kPa下试样峰值应力平均可提高20.5%、48.5%，围压效应对高聚物注浆液的扩散有促进作用；注浆压力不改变试样应变趋势特征，围压200 kPa、400 kPa下分别具有应变脆性与应变硬化特征。

(2)含水量愈高，砂土承载应力愈低，且围压效应可减弱含水量对承载应力的负面影响；含水量不超过22%时，试样具有应变软化特征，峰值应变随含水量为递增，而含水量25%、28%时应变具有长期塑性特征。

(3)渗透系数与注浆压力为负相关关系，与含水量为正相关特征，含水量增大，砂土渗透系数受注浆压力影响敏感性愈大；含水量在不超过22%时，渗透系数随含水量增幅较低，但含水量超过22%后，渗透系数增长处于不可控。