渗流方向对红黏土与砂接触流失影响的试验研究

郑咏琎，陈 群，王 卓，王 琛，周 成

(1. 四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2. 中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

0 引 言

红黏土广泛分布于我国西南地区，我国利用红黏土修建了大量的土石坝，例如云南蒙自庄寨水库均质土坝[1]、暮底河水库红黏土心墙堆石坝[2]、遵义清水河水库大坝[3]等。红黏土具有较好的力学性能和耐水性，可用作土石坝心墙料，并在其上下游设置反滤层。接触流失是反滤层常见的破坏形式[4]。目前已有关于反滤层和被保护土料的颗粒级配[5]、渗透系数大小[6]和细颗粒内部压应力[7]对抵抗接触流失破坏能力影响的研究，也有不少研究揭示了水流方向对土体渗透特性有着不可忽视的影响[8,9]。同时，土石坝心墙的干密度对其抗渗性能的影响也值得关注[10]。目前对于接触流失临界水力坡降还没有较为普遍的经验公式，主要通过试验来确定，且目前针对红黏土作为防渗料的接触流失破坏的研究还较少。

本文主要进行了砂与不同干密度的红黏土的接触面与水流方向呈不同夹角时双层土的接触流失破坏试验，以探寻红黏土干密度和水流方向对红黏土心墙与反滤层抵抗接触流失破坏能力的影响，为利用红黏土筑坝提供科学参考。

1 试验仪器和方法

本次试验采用ST30-3大型竖向渗透试验仪，其主要构造包括仪器筒、底座、透水板、进水口、出水孔等(如图1所示)。ST30-3渗透仪的试样筒壁内径D=30 cm，面积A=706.8 cm2，高度L=30 cm，进水水头为h1，出水水头为h2，试样的顶面为自由出水面，透水板的孔径为5 mm，装填土样时在下透水底板上铺一层透水土工布。渗透试验的供水设备包括吊桶和提升架。吊桶通过滑轮进行升降以达到渗透试验所需要的不同水头要求。

图1 ST30-3渗透仪结构示意图

本次试验研究不同干密度(1.21、1.28和1.35 g/cm3)的红黏土和砂的接触面与水流方向呈90°，60°和45°这三种夹角情况下的双层土接触流失破坏，具体试验方案见表1，试样编号横线前、后的数字分别表示接触面与水流方向的夹角(以下简称夹角)和干密度编号。由于水流方向不便调整，因此通过调整红黏土和砂接触面的倾角来模拟不同的水流方向。

表1 接触流失试验方案表

图2为试样的竖向剖面图，将试样筒分为上下两部分来分别装填两种土料，下层为红黏土，上层为砂。在装填土料时，对于水流方向与接触面垂直的情况，先将红黏土装入试样筒内，然后击实，并使击实后的红黏土达到预设的高度，使其满足干密度的要求。对于接触面与水流方向呈60°和45°夹角的情况，为了消除土层厚度的影响，先在试样筒底垫一层对应接触倾角的透水均匀砾石，然后依次装填红黏土和砂。红黏土装填完毕后，挖除一部分已装填好的红黏土使其满足预设夹角，然后将砂装填到试样筒并击实到预设高度。

图2 试样的竖向剖面图

夹角较小时，由于仪器几何形状的限制，装样时很难保证红黏土层贯穿整个截面，水流会直接从砾石层或砂层贯穿通过，导致双层土渗透破坏形式不再是接触流失。因此本试验方案设置的最小夹角为45°。

为了便于观察接触流失的发生和发展过程，记录渗流出口处的破坏现象，本次试验采用自下而上的水流方向。

本次试验采用常水头饱和法进行饱和。试样饱和后，测定并记录一段时间内的渗透流量Q、渗出水的温度T、进出口的测压管读数h1和h2。提高水头(每次增加2～3的水力坡降来提高水头，接近破坏时适当减小水力坡降的增加值)，让试样在该级水头下渗流，当相邻几次测得的单位时间流量相同时，说明试样中渗流达到稳定，采取同样的方法测量渗透流量Q、进出口的测压管读数h1和h2，然后加下一级水头测定同样的数据，当流量突然增大且无稳定趋势或进口水头已经达到吊桶的最大水头值时，则停止试验。

试验停止后，用排水孔排尽试样中的水，观察试样顶部破坏情况并记录，随后自上而下逐渐挖出试样，观察并记录试样的破坏情况。

2 土料特性

试验采用的反滤料制样干密度取1.70 g/cm3，用筛分法获得的级配曲线如图3所示，土样的不均匀系数Cu=2.19，曲率系数Cc=1.19，砂粒组质量大于总质量的50%，细粒组质量小于5%，根据《土工试验规程》(SL 237-1999)[11]，将其定名为级配不良砂(SP)。采用南70型渗透仪进行砂的室内常水头试验测定其渗透系数。用流量稳定后3次读数的平均值计算渗透流速，测得砂的渗透系数k=8.52×10-3cm/s。红黏土取自四川省攀枝花市盐边县某黏土料场重塑样，该料场主要以残坡积层粉质黏土为主。红黏土中细粒组质量大于总质量的50%，粗粒组质量小于总质量的25%，级配曲线如图4，物理性质指标如表2，根据其液限和塑性指数的大小，按《土工试验规程》(SL 237-1999)[11]定名为高液限粉土(MH)。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)[12]，砂和红黏土的级配满足反滤和排水要求。

图3 试验用砂的级配曲线

图4 试验用红黏土的级配曲线

表2 试验用红黏土的物理性质指标

3 试验结果及分析

3.1 接触流失的发生和发展过程

渗透流速与水力坡降的双对数关系曲线如图5。按照图5中曲线的变化过程并结合试验现象，可以将红黏土与砂的接触流失破坏划分为4个阶段。

第一阶段：稳定阶段，以图5中的曲线1-1为例，对应AB段。在此阶段，渗透流速和水力坡降在双对数坐标中呈45°的直线关系，渗透流速随水力坡降线性增长，符合达西定律。此时液面保持澄清，没有细颗粒被带出。说明水力坡降较小，未达到使红黏土颗粒移动的水力坡降。

第二阶段：过渡阶段，对应图5中的BC段。此时渗透流速随坡降的增大比稳定阶段更快，说明红黏土中的细颗粒发生了移动，土体中形成了更多的渗流通道。但此时液面依然保持澄清，说明红黏土颗粒还未穿过砂层。过渡阶段是红黏土中的细颗粒开始移动的阶段，亦即接触流失的开始阶段。B点为渗透流速增长速率加快的起始点，对应的坡降为启动坡降。

第三阶段：次生反滤层形成阶段，对应图5中的CD段，当渗透流速增长速率开始减慢时即进入该阶段。该阶段渗透流速随水力坡降增大而增大的速率有所减小，且液面仍未出现浑浊，说明细颗粒的移动造成某些渗流通道的堵塞，细颗粒与砂共同形成了次生反滤层，阻止了细颗粒的继续移动。

第四阶段：破坏阶段，对应图5中D点之后的阶段。当渗透流速突然增大且无稳定趋势时进入该阶段，此时液面出现大面积浑浊。试验后发现大量的红黏土细颗粒堆积在试样顶面，说明试验过程中有大量红黏土细颗粒通过砂层的孔隙被冲出，发生了接触流失破坏。D点对应的坡降为破坏坡降。如果进口水头已经达到吊桶的最大水头值，液面依然保持澄清，无细颗粒被带出，说明未发生破坏，可终止试验。

图5 渗透流速随水力坡降的变化曲线

3.2 渗透系数的变化规律

渗透系数随水力坡降的关系曲线如图6，图例表示试样编号。由图6可知，干密度越大，试样的渗透系数越小。开始时，试样渗透系数略微增大或保持恒定。此时红黏土细颗粒几乎未发生移动。当水力坡降达到启动坡降时，渗透系数明显增大。此时部分红黏土细颗粒在渗流作用下发生了移动，红黏土层的抗渗性能被削弱。当水力坡降增大到一定程度时，渗透系数又趋于稳定，说明发生移动的红黏土细颗粒有一部分进入到砂层中，与砂层形成了次生反滤层，阻碍了接触流失的进一步发展。当水力坡降达到破坏坡降时，渗透系数突然增大，试样发生了接触流失破坏。

图6 渗透系数随水力坡降的变化曲线

3.3 抗渗坡降的变化规律

砂与红黏土的接触流失破坏过程的渗透系数在整个变化曲线上有两个明显的转折点，其横坐标分别为红黏土细颗粒开始移动的启动坡降和发生接触流失的破坏坡降。不同干密度的红黏土与砂在接触面与水流方向呈不同夹角时的接触流失破坏试验的试验现象相似，不同的是细颗粒开始移动和发生接触流失破坏的水力坡降不同。启动坡降和破坏坡降随夹角的变化曲线见图7。由图7可知，当水流方向与接触面方向垂直时，启动坡降和破坏坡降均最小，最容易发生接触流失破坏。随着水流方向与接触面的夹角逐渐减小，启动坡降和破坏坡降有所增大。因此，在进行红黏土心墙坝接触流失破坏验算时，要特别注意接触面与水流方向垂直的情况。

图7 抗渗坡降随夹角的变化

启动坡降和破坏坡降随红黏土干密度的变化关系如图8。可以看出，砂与红黏土接触流失的启动坡降和破坏坡降都随红黏土干密度的增大而增大。由于红黏土干密度增大会使红黏土颗粒之间的相互作用增强，更难被冲蚀，砂和红黏土发生接触流失破坏的坡降增大。

图8 抗渗坡降随红黏土干密度的变化

4 结 论

根据双层土的接触流失试验，研究了不同干密度的红黏土与砂在接触面与水流方向呈不同夹角时的接触流失破坏，所得如下结论。

(1)接触流失的发生和发展可分为4个阶段：稳定阶段、过渡阶段、次生反滤层形成阶段和破坏阶段。渗透系数随着水力坡降的增大，刚开始几乎保持恒定，到达启动坡降后显著增大，形成次生反滤层后又趋于稳定，到达破坏坡降后突然增大。

(2)随着红黏土干密度的增大，接触流失破坏越难发生。当红黏土和砂的接触面与水流方向垂直时，最容易发生接触流失破坏，随着接触面与水流方向夹角的减小，启动坡降和破坏坡降都有所增大。

(3)当主要水流方向垂直于接触面时，应注意考虑接触流失破坏，采取相应防治措施，如增大心墙料的干密度，增大反滤层厚度，优化反滤料级配等等。

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