穩(wěn)態(tài)滲流條件下復(fù)合地層水頭損失模型試驗(yàn)研究

楊黨校，賀 紅，鄧國華，張 喆

(1.西安中鐵軌道交通有限公司，陜西 西安 710038；2.西安黃土地下工程技術(shù)咨詢有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

地下工程中滲流問題一直以來是工程界非常關(guān)注的工程重要問題之一。在隧道工程施工時(shí)，滲流是常見的現(xiàn)象，是引發(fā)隧道施工工程問題的重要因素。因此，對(duì)滲流相關(guān)特性規(guī)律的研究十分必要。

以往關(guān)于地層滲流特性規(guī)律的研究主要是圍繞單一地層的滲透變形特性和滲透破壞過程展開的，多從巖土體顆粒級(jí)配[1-2]、形狀[3-4]、密實(shí)度[5-6]等角度來研究巖土體的滲透相關(guān)規(guī)律。比如，邱珍鋒等[3]對(duì)粗粒土進(jìn)行滲透特性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)粗粒土的顆粒級(jí)配對(duì)其滲透性的影響作用最大。彭家奕等[4]研究了顆粒形狀對(duì)粗粒土的滲透特性的影響，發(fā)現(xiàn)球形顆粒的滲透特性最強(qiáng)。唐紅梅等[5]通過對(duì)不同砂石比的砂石土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂石土的滲透系數(shù)隨孔隙比的增大呈現(xiàn)出增大的變化趨勢。還有學(xué)者進(jìn)行了不同滲流方向[7-8]及不同應(yīng)力狀態(tài)下的滲透特性試驗(yàn)研究[9]。以往這些關(guān)于巖土體滲透特性規(guī)律的研究多是以單層土體作為試驗(yàn)研究對(duì)象，研究問題多集中在巖土體的滲透系數(shù)的變化規(guī)律及滲透變形規(guī)律[10-13]。

但是在實(shí)際工程中，比如隧道工程穿江過河時(shí)，土壓平衡盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定很大程度受到地下水與土壓倉之間高水頭壓力差產(chǎn)生的滲流力的影響[14-15]，且在此過程中水流會(huì)經(jīng)過多個(gè)復(fù)合地層。而對(duì)于每個(gè)地層承擔(dān)的水頭壓力僅僅按照理論疊加進(jìn)行計(jì)算，這與實(shí)際有較大出入。在實(shí)際滲流過程中，土體會(huì)發(fā)生損傷也伴隨土層水頭壓力損失，對(duì)于如何確定復(fù)合地層中某地層介質(zhì)中水頭壓力大小方面的研究較少，目前研究多側(cè)重考察單一地層單一巖土介質(zhì)對(duì)水頭壓力的影響，對(duì)于復(fù)合地層對(duì)水頭壓力的綜合影響則鮮有報(bào)道。

因此本文基于西安地鐵9號(hào)線(臨潼線)穿越灞河段區(qū)間隧道范圍內(nèi)復(fù)合地層工程實(shí)際，開展穩(wěn)態(tài)滲流條件下復(fù)合地層水頭損失模型試驗(yàn)，進(jìn)行復(fù)合地層滲透特性規(guī)律及水頭變化規(guī)律的研究，其研究成果有利于探索巖土體復(fù)合地層條件下的滲透特性和水頭損失變化規(guī)律，對(duì)于工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義。

西安地鐵9號(hào)線(臨潼線)穿越灞河段區(qū)間隧道地層剖面如圖1所示，隧道穿越灞河卵石層、粉質(zhì)黏土等強(qiáng)、弱透水地層的交界地層，且與灞河水流連通。

圖1 西安地鐵9號(hào)線穿越灞河段區(qū)間隧道地層剖面

1 模型試驗(yàn)裝置及操作步驟介紹

1.1 試驗(yàn)裝置介紹

對(duì)于細(xì)粒土的滲流試驗(yàn)，目前各試驗(yàn)規(guī)程都建議采用廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，而由于粗粒土粒徑變化范圍大，給滲透及滲透變形試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)儀器的生產(chǎn)帶來了不便。因此，本次試驗(yàn)裝置采用自制的多功能粗粒料滲流試驗(yàn)裝置。該裝置由供水供壓系統(tǒng)、入滲系統(tǒng)與測量系統(tǒng)三部分組成，如圖2所示。

圖2 多功能粗粒料滲流試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

供水供壓系統(tǒng)由升降桿、水箱和無級(jí)變速控壓機(jī)組成。該裝置可以實(shí)現(xiàn)不同壓力級(jí)別、由上向下或由下向上2種入滲方向進(jìn)行土體的滲流試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用純水進(jìn)行試驗(yàn)。

入滲系統(tǒng)包括入滲筒體、法蘭密封等。模型筒尺寸按照1∶10比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)項(xiàng)目穿越灞河段實(shí)際地層、水位及隧道尺寸等，筒體總高度1 404 cm，直徑200 mm，筒壁厚度5 mm。滲流筒體筒壁對(duì)稱布設(shè)測壓孔6組，從底部注水(排水)口，向上間隔20 cm、20 cm、30 cm、30 cm、20 cm、20 cm布置，同時(shí)可根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件作為排水(排氣)孔使用，頂部設(shè)置進(jìn)水加壓(排氣排水)孔，底部設(shè)置有機(jī)玻璃多孔濾網(wǎng)隔板，上下端采用法蘭連接。模型筒體材料采用耐壓性能較好有機(jī)玻璃板材，便于試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)觀察筒內(nèi)土體試樣的滲流變化情況，同時(shí)密封加壓采用中性玻璃膠實(shí)施，方便快捷;缺點(diǎn)在于筒體最大入滲壓力受限在10 m水頭以內(nèi)，但能滿足西安區(qū)域工程應(yīng)用要求。

測量系統(tǒng)包括側(cè)面的測壓管和精密壓力表及外接量筒等，測量精度可以達(dá)到0.5 mm水頭壓力。

1.2 試驗(yàn)操作步驟

(1)組裝試驗(yàn)裝置，按圖2連接供水供壓、滲流入滲系統(tǒng)、量測系統(tǒng)，確保無級(jí)變頻控壓機(jī)、測壓管、閥門、管路等正確連接，并注純水檢查試驗(yàn)裝置是否漏水，是否堵塞(見圖3(a)、圖3(b))。

(2)鋪設(shè)過濾層，安放滲流筒體底部透水板，并在其頂部鋪設(shè)10 cm厚的卵石土料，如圖3(c)所示，作為過濾層以防止細(xì)顆粒滲流過程中的流失。

(3)備樣，根據(jù)試驗(yàn)方案要求干密度、顆粒級(jí)配及層厚，稱取各粒組重量并充分摻和，為了減少填料時(shí)的分離度，攙和時(shí)可加1%～2%的水。

(4)分層裝樣，分層裝填，擊錘要分布均勻直致?lián)舻揭蠛穸?，達(dá)到需要的孔隙率，每層厚度控制在2 cm～3 cm，保證同等擊實(shí)功下的擊實(shí)效果，并確保各層密實(shí)度的均勻性，底層填料時(shí)要盡量注意使顆粒分布均勻。

(5)排氣飽和，每層試樣裝填完畢后均需進(jìn)行每層的排氣飽和處理，見圖3(d)。飽和水頭壓力不應(yīng)過大，宜控制在0.1 mm/s供水速度左右(務(wù)必小流速，否則易出現(xiàn)細(xì)顆粒懸浮現(xiàn)象)，每次飽和結(jié)束不可使液面超出該層土的上表面，以防止下次裝填擊實(shí)時(shí)土體拱起造成土體的不均勻性。

(6)裝樣結(jié)束，繼續(xù)裝樣、飽和直至試樣高出測壓孔3 cm～4 cm，靜置數(shù)小時(shí)，待液面穩(wěn)定后檢查測壓管液面是否齊平，倘若不齊平，表明試驗(yàn)土樣內(nèi)部存在一定數(shù)量的氣泡，應(yīng)用橡皮吸球在測壓管上連續(xù)抽吸，以除去管中空氣。

(7)供水供壓，進(jìn)行試驗(yàn)，打開供水管供水，多余的水由溢水孔溢出，核查三根測壓管是否液面齊平，確認(rèn)后調(diào)整供水供壓至試驗(yàn)要求按既定水頭壓力開始滲流試驗(yàn)；逐級(jí)增加水壓力，觀察試樣顆粒變化情況，檢查氣密性與管路，標(biāo)記液面確定穩(wěn)定液面，待每次滲透穩(wěn)定后，測量一定時(shí)間內(nèi)的滲流體積量，同時(shí)讀取各測壓管精密壓力表與量測管水注高度，校核數(shù)據(jù)并記錄，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)操作步驟

(8)試驗(yàn)結(jié)束，拆除試樣。筒體試樣中小土顆粒發(fā)生遷移，認(rèn)為試樣達(dá)到臨界水力梯度，試樣破壞，終止試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后拆除測壓管，進(jìn)行卸料工作并重新安裝滲流試樣。

2 試驗(yàn)方案

2.1 單一地層試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證自主研制的試驗(yàn)裝置的可靠性，首先進(jìn)行單一卵石土地層的滲透特性試驗(yàn)。

單一地層試驗(yàn)用材料取自香—紡區(qū)間右線隧道范圍內(nèi)灞河下地層80 m處，該處全斷面為卵石土，取樣場地地勢平坦，在試樣場地選取3處位置進(jìn)行取樣。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)確定其基本物理參數(shù)為：天然重度2.25 kN/m3，干重度1.85 kN/m3，孔隙比0.46，所取卵石土的顆粒級(jí)配曲線如圖4所示。

圖4 卵石土顆粒級(jí)配曲線

利用現(xiàn)場所取材料制備室內(nèi)重塑試驗(yàn)樣來進(jìn)行單一卵石土地層的滲透特性試驗(yàn)。按照試驗(yàn)操作步驟進(jìn)行50 cm厚的卵石土的滲透試驗(yàn)，在試樣的底部、中部、頂部分別設(shè)有測壓孔，在試驗(yàn)過程中進(jìn)行水頭壓力量測，詳細(xì)的單一卵石土地層滲透試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5 單一卵石土地層滲透試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)示意圖

2.2 復(fù)合地層試驗(yàn)方案

為了探索砂土-卵石土-粉質(zhì)黏土交界復(fù)合地層條件下滲透特性和水頭變化規(guī)律，開展不同水頭壓力下多重土層組合的復(fù)合地層滲透試驗(yàn)。

復(fù)合地層試驗(yàn)材料有卵石土、粗砂、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。卵石土由現(xiàn)場取后篩分所得，粗砂、細(xì)砂選用標(biāo)準(zhǔn)砂，粉質(zhì)黏土由現(xiàn)場取后篩分所得。所用材料的粒組劃分見表1。

表1 試驗(yàn)材料的粒組劃分

將試驗(yàn)材料卵石土、粗砂、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土分別按照不同組合形成六種不同的復(fù)合地層，分別標(biāo)記為S1，S2，S3，S4，S5，S6。在土層接觸面處布有測壓孔，在試驗(yàn)過程中進(jìn)行水頭壓力量測，詳細(xì)的復(fù)合地層試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。

圖6 復(fù)合地層滲透試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單一介質(zhì)地層試驗(yàn)結(jié)果

圖7給出了單一卵石土地層的滲透試驗(yàn)結(jié)果中滲流速度v與水力梯度i的關(guān)系曲線，從圖中可以單一卵石土的滲流速度與水力梯度之間呈現(xiàn)出比較好的線性相關(guān)關(guān)系。

圖7 卵石土的滲流速度與水力梯度的關(guān)系

根據(jù)達(dá)西定律：

v=ki

(1)

式中：v表示滲流速度；k表示滲透系數(shù)；i表示水力梯度。

單一卵石土地層的滲流速度與水力梯度之間呈現(xiàn)出較好的線性正相關(guān)關(guān)系，基本與達(dá)西定律符合，從而驗(yàn)證了自制滲透試驗(yàn)儀的可靠性。

3.2 復(fù)合地層試驗(yàn)結(jié)果

圖8、圖9、圖10分別為復(fù)合地層S1、S2、S3的水頭壓力隨滲流路徑的變化關(guān)系，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可知復(fù)合地層S1、S2、S3中土層的滲流順序都是大粒徑土層向小粒徑土層滲流。

圖8 復(fù)合地層S1水頭壓力隨滲流路徑的變化

圖9 復(fù)合地層S2水頭壓力隨滲流路徑的變化

從圖8、圖9、圖10可以看出整個(gè)滲流過程中經(jīng)過卵石土層水頭損失較緩，復(fù)合地層S1中水頭損失最快的為底部的細(xì)砂層，復(fù)合地層S2中水頭損失最快的為底部的粉質(zhì)黏土層。而且均表現(xiàn)出隨著水頭壓力的增加，水頭損失更加快速顯著，復(fù)合地層S3中水頭壓力增大到310 cm時(shí)，水頭損失隨滲流路徑整體呈現(xiàn)線性變化趨勢，分析其原因在于粗砂層中出現(xiàn)細(xì)顆粒滾動(dòng)遷移現(xiàn)象，底部的粉質(zhì)黏土層出現(xiàn)黏土顆粒遷移到濾水層中，復(fù)合地層中的滲流通道貫通，試樣發(fā)生破壞。

圖10 復(fù)合地層S3水頭壓力隨滲流路徑的變化

圖11、圖12給出了復(fù)合地層S4、S5的滲流過程中水頭壓力隨滲流路徑的變化關(guān)系，復(fù)合地層S4中粉質(zhì)黏土層位于中間層，復(fù)合地層S5粉質(zhì)黏土層位于最高層，水頭壓力較小時(shí)通過粉質(zhì)黏土層后水頭基本接近0 cm。

圖11 復(fù)合地層S4水頭壓力隨滲流路徑的變化

圖12 復(fù)合地層S5水頭壓力隨滲流路徑的變化

在試驗(yàn)過程中觀察到復(fù)合地層S5中的粉質(zhì)黏土層頂部的4號(hào)測壓管中壓力在經(jīng)過30 cm厚的粉質(zhì)黏土層后水頭從700 cm減少到100 cm，水頭壓力損失率達(dá)到85.71%，分析其原因主要是由于其粉質(zhì)黏土層黏粒含量高，孔隙比較小，滲流通道較小所導(dǎo)致的。

在試驗(yàn)中過程中還觀察到粉質(zhì)黏土層滲流速度非常緩慢，下層卵石土層排水速度較快，出現(xiàn)了滲流不連續(xù)的現(xiàn)象，復(fù)合地層S4中的粉質(zhì)黏土層底部的2號(hào)測壓管、復(fù)合地層S5中的粉質(zhì)黏土層底部的3號(hào)測壓管產(chǎn)生負(fù)壓，無法讀數(shù)，空氣沿測壓管倒流滲入土柱，在粉質(zhì)黏土層與卵石土層臨界面出現(xiàn)氣泡，如圖13所示，則判定該位置滲流表現(xiàn)出不連續(xù)現(xiàn)象，產(chǎn)生“負(fù)壓區(qū)”。

圖13 復(fù)合地層S4、S5中粉質(zhì)黏土層與卵石土層臨界面產(chǎn)生的氣泡現(xiàn)象

對(duì)于復(fù)合地層S6滲流試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，水頭完全消失，底部卵石土未發(fā)現(xiàn)有水滲出。在復(fù)合地層S6中，粉質(zhì)黏土層位于最上層，該層顆粒粒徑最小，孔隙通道小，滲透系數(shù)小，滲流速度非常緩慢，導(dǎo)致出現(xiàn)了水頭的消失現(xiàn)象。

經(jīng)過以上分析可以得出復(fù)合地層土層組合分布順序會(huì)對(duì)滲流過程的連續(xù)性產(chǎn)生顯著的影響，由大粒徑土層向小粒徑土層滲流，即按照滲透系數(shù)較大的土層向滲透系數(shù)較小的土層方向滲流，該滲流過程完全連續(xù)；若是粉質(zhì)黏土層分布于復(fù)合地層的上層或者中間層時(shí)會(huì)導(dǎo)致下層土層滲流的不連續(xù)，甚至是水頭的消失，其中滲流過程主要是受其中間粉質(zhì)黏土層影響，即滲透系數(shù)小的土層若是位于復(fù)合地層的上層或是中層，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合地層中滲流的不連續(xù)，甚至是水頭的消失，滲流的過程是由該滲透性最小的地層來決定的。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與工程勘察結(jié)果的對(duì)比

圖14為香—紡區(qū)間右線隧道地層分布與水位線現(xiàn)場勘察結(jié)果圖，從圖14可以看出，灞河西岸地層分布主要為卵石土層，水位線變化起伏較小，水力梯度較小。而灞河?xùn)|岸的地層分布中，中間分布為卵石土層，上下分布有粉質(zhì)黏土層和粉砂土層，水位線下降，水力梯度較大。且施工補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)西岸2 m～3 m深度處的卵石土層含水量很大，而東岸9 m～10 m深度處的卵石土層含水量很小。穩(wěn)態(tài)滲流條件下復(fù)合地層水頭損失模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程中地層與水位勘察結(jié)果及施工補(bǔ)勘地層含水結(jié)果相一致。因而復(fù)合地層水頭損失模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

圖14 香—紡區(qū)間右線隧道地層分布與水位線示意圖

4 結(jié) 論

利用自主研發(fā)的多功能粗粒料滲流試驗(yàn)裝置進(jìn)行了單一卵石土地層的滲流試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性良好，驗(yàn)證了儀器的可靠性，然后利用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)滲流條件下六種不同組合的復(fù)合地層的水頭損失模型試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)復(fù)合地層中土層組合分布順序會(huì)對(duì)滲流過程的連續(xù)性產(chǎn)生顯著的影響，由大粒徑土層向小粒徑土層滲流，即按照滲透系數(shù)較大的土層向滲透系數(shù)較小的土層方向滲流，該滲流過程完全連續(xù)。

(2)滲透系數(shù)小的土層若是位于復(fù)合地層的上層或是中層，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合地層中滲流的不連續(xù)，甚至是水頭的消失，滲流的過程是由該滲透性最小的地層來決定的。

(3)穩(wěn)態(tài)滲流條件下復(fù)合地層水頭損失模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程中地層與水位勘察結(jié)果及施工補(bǔ)勘地層含水結(jié)果相一致。復(fù)合地層水頭損失模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。