潭江新会段堤防黏土力学特性及渗透特征试验研究

李茜然

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

堤防作为防洪安全的直接保障，其稳定性与土体的力学特征、渗透能力密切相关[1-2]，开展堤防黏土体渗透力学特性研究，有助于提高堤防黏土体的密实加固与防渗设计。张岩等[3]、沈筠等[4]基于离散元等计算方法，对土体的宏、细观力学水平开展了对比研究，评价了颗粒流细观因素引起土体宏观力学变化。张玉标等[5]、路本升等[6]、孙壮等[7]为研究土体含水率、干密度以及颗粒粒径等自身特征对宏观力学特征影响，设计开展了室内不同组力学试验与渗透测试，基于试验数据对比了各因素下试样应力、应变差异性特点以及渗透特性，丰富了土体基础力学特征研究成果。工程物理环境会改变土体晶体矿物变形特征，从而影响土体宏观变形破坏，朱锋盼等[8]、王琦[9]、李淑贤[10]设计开展了干湿、冻融或高、低温物理场耦合作用下力学破坏试验，探讨了物理作用对土体应力应变影响，揭示了工程土体失稳破坏的内在机理，为工程建设提供基础依据。本文为研究潭江新会段堤防黏土体渗透及力学特性，从试验数据宏观上开展了应力应变与渗透系数分析，为堤防防渗加固提供参照。

1 研究概况

1.1 工程概况

潭江乃是珠三角地区重要地表输水通道，其流经阳江、开平、江门、恩平等县区，全长超过320km，控制流域面积超过2500km2，乃是江门、阳江等珠江下游地区重要的农业供水、生活供水及城市工业发展需水来源。潭江全河段可分为阳江-恩平段、开平段以及新会段，而潭江新会段乃是潭江水资源最丰富、水力势能利用最高效河段。但不可忽视，在夏季台风季节以及丰水汛期，潭江新会段局部水位暴涨，部分地势较低处水工设施运营效率降低，堤防安全受到较大挑战，新会段堤防均为黏土体，其基础渗透力学特征关乎着防洪安全，故针对性开展黏土体的渗透力学行为试验研究。

1.2 试验方法

潭江新会段堤防工程的防渗、加固设计中，堤防黏土体的力学、渗透特征乃是关注重点，故针对此设计开展渗透力学试验。采用三轴土体试验装置进行力学加载，渗透试验反映了土体抗渗能力，在达西瞬态渗流测试理论基础上[11]，设计了渗透试验装置，如图1所示。从变水头测试中获得土体渗透试验参数，从而确定每个试样渗透系数。

图1 瞬态法渗透测试装置

从潭江新会段堤防黏土体现状考虑，堤防的稳定性不仅与自身加固设计有关，也受工程环境影响，如干湿、冻融等物理作用，因而黏土体渗透力学特征研究也需耦合干湿、冻融物理作用。干燥箱、饱和仪以及低温试验箱，如图2所示。

图2 物理作用下试验装置

基于3个试验设备分别可实现干燥、饱和以及冻结物理作用。在干湿作用下，其干燥、饱和时间均控制在6h，而冻结作用中低温为-30℃，融化温度为30℃，时间均为8h。

基于潭江新会段典型堤防钻孔取样，其含水率分布较均匀，约为16%～18%，并对黏土体的物理力学特征进行测试，黏土体的颗粒参数与击实特征如图3所示，最大干密度为1.31g/cm3。基于现场土样，经室内加工制备，在力学试验与渗透测试中，所用试验尺寸均为径高50、100mm，制备好的样品如图4所示。

图4 制备后试样

本试验考虑堤防黏土体在物理作用耦合下，探讨其力学、渗透特性，故设定有无物理作用对照组，其干湿或冻融次数均为0。干湿、冻融试验组中黏土体试样交替次数均设定为4、8、12、16、20，试样颗粒特征等初始参数均为一致性，每个试样均在完成相应的物理作用后，先后进行渗透测试与力学加载，力学试验围压设定为50、150、250kPa，试验设计参数见表1。基于渗透力学试验结果，探讨堤防黏土体的渗透与力学特征影响变化。

表1 试验方案

2 物理循环作用下黏土力学特征

2.1 干湿作用

基于不同干湿试验组下黏土试样力学试验，获得了各围压组试样应力应变特征，如图5所示。依据图5中应力应变可知，不论围压低或高，只要干湿交替次数在递增，试样加载应力水平就会降低。不仅如此，围压50或250kPa时，应力应变趋势特征均为一致性，前者围压组下，试样峰值应力后均具有应力跌落，交替4～20次中，峰值应力后降幅分布为45.5%～52.8%；后者围压组下，试样均未出现明显峰值应力，在应变5.1%后出现长期的应变硬化现象，塑性应变乃是该组试样典型特点[9，12]。

图5 干湿作用下试样应力应变特征

进一步分析干湿作用的影响可知，图5(a)中，当干湿作用梯次变化，则峰值应力平均减少了18.9%。围压250kPa时试样峰值应力不显著，以应变15%下对应的应力为宏观对比，在交替0～20次组中，峰值应力分布为677.4～1503.7kPa，随干湿梯次变化，则试样峰值应力平均递减了14.7%。另一方面，在各交替过程间，试样的峰值应力降幅实质上较为接近，围压50kPa时，交替4～8次，峰值应力降幅为19.1%，而交替16～20次时为18.6%，与该围压下平均降幅也基本一致，同样的现象在围压250kPa下亦是如此，方案间应力降幅较为均衡。分析表明，干湿作用的变化，宏观上土体试样承载应力为递减，但微观上降幅或变幅基本保持恒定状态，不受干湿作用的深入而改变。

2.2 冻融作用

同理，基于冻融物理作用下力学试验结果，获得了冻融交替对黏土体试样应力应变影响，如图6所示。从图6可看出，不同交替次数时，试样应力应变趋势特征有较显著差异，如围压50kPa时交替4～12次试样均具有应变软化现象，峰值应力后降幅分别为40.2%、39.5%、44.4%，而在同围压交替16、20次时，试样分别在应变6.01%、6.1%后具有较持久的应变硬化特征，呈现应变塑性主导特点[10，13]。当围压增大至150kPa后，冻融交替对试样应变发展特点影响亦是如此。由此可知，冻融作用会改变黏土体试样应变破坏特征，对黏土体的应力应变发展具有可逆式影响。

图6 冻融作用下改良土应力应变特征

当冻融次数增多，应力水平发展与干湿作用一致，围压50kPa时，无冻融作用试样峰值应力为581.1kPa，而交替4、12、20次后，试样的峰值应力分别减少了16.5%、57.7%、85%；图6(c)亦可看出，黏土体试样峰值应力与交替次数具有线性函数变化关系。围压150kPa时，5个交替试样的峰值应力分布为131.9～958.8kPa，较之围压50kPa时增大了51%～65%，当交替每梯次变化，则可引起试样峰值应力平均递减了30.7%，而围压50kPa时该降幅为33.5%。更进一步数据分析可知，在冻融次数逐步增大的过程，试样峰值应力的降幅愈显著，围压50kPa下交替4次增长至12次试样峰值应力降幅依次为16.7%、23.5%，而交替12次增大至20次后，降幅分别为33.2%、46.8%。综合分析可知，冻融作用对黏土体试样承载应力影响会逐步增强，且其对承载应力损伤效应强于干湿作用。

3 物理循环作用下黏土渗透特性

基于物理作用下黏土体试样渗透测试，获得了试样渗透系数与干湿、冻融作用关系，如图7所示。

图7 试样渗透系数变化特征

由图7中渗透数据可知，试样渗透系数与干湿、冻融作用均为正相关；干湿4次时试样渗透系数为8.9×10-7cm/s，而干湿8次、16次时渗透系数又分别为1.74×10-6、6.23×10-6cm/s，干湿12、20次时渗透系数较之4次时分别提高了2.6倍、14.3倍，渗透系数随交替梯次变化具有平均降幅91.4%。干湿作用下，试样渗透系数变幅较为接近，干湿影响在交替次数方案中较为均衡。

冻融次数与试样渗透系数具有指数函数变化关系。随冻融交替增多，试样渗透系数增幅更显著，在冻融0～8次时，试样渗透系数从2.4×10-6cm/s增大至1.04×10-5cm/s，平均增幅为98.6%，而在冻融12～20次时，试样渗透系数增长了近1个量级，平均增幅可达1.4倍。由此可知，冻融作用对土体渗透系数影响较显著，是堤防防渗设计中尤为关注重点[2，14]，减弱冻融物理作用对堤防土体渗透影响，特别是避免出现过多的冻融交替现象。

4 结论

(1)干湿作用不影响黏土体应力应变发展趋势，同一围压下应力应变为一致；干湿次数愈多，试样应力水平愈低，且降幅较均衡。

(2)冻融作用能改变试样应力应变变化特征；试样峰值应力与冻融次数为线性函数关系，围压50、150kPa时，冻融每梯次变化，峰值应力分别下降了33.5%、30.7%，且随交替增多，峰值应力下降更明显。

(3)试样渗透系数与干湿、冻融作用均为正相关，但冻融作用对渗透系数影响强于干湿效应；冻融次数与渗透系数为指数函数特征，尤以冻融12次后，增长最显著；交替每4次变化，干湿、冻融作用引起的试样渗透系数分别提高了91.4%、157.9%。