山区中小河流清滩料碎石土堤渗流特性探讨

张 挺，贾 恺，杜秀忠，黄锦林，孙昌利，余允吉

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)

山区中小河流位置偏远，交通不便，若采用传统的筑堤材料粘性土，则运输成本较高，与此同时伴随堤防建设，当地往往存在大量的清滩碎石土，而传统观念认为无粘性土筑堤风险较高。近年来随着清滩料碎石土(以下简称“清滩料”)筑堤技术研究的不断进步，越来越多的山区中小河流采用了这种筑堤材料。 研究前期通过对清滩料材料特性的研究[1]，讨论了清滩料筑堤的可能性，与此同时，也在研究清滩料在水位骤降条件下的特性如何。水位暴涨暴落是山区中小河流的典型特性，短时内的水位急剧变化会造成堤防内渗流场的快速变化，根据筑堤材料的不同，变化特性也有所不同。

碎石土特性研究方面，董倩[2]等认为采用公式估算法评价山区碎石土回填地基的强夯加固效果具有局限性，而单一试验检测评价方法可靠性低、成本高，只有综合采用瑞雷波、荷载板和动力触探法才是山区碎石土回填地基经济、适用、可靠的检测评价法；王双等[3]收集92组碎石土渗透试验数据，训练并测试神经网络，认为d10是关键粒径；d50是分界粒径；张国栋等[4]认为碎石含量与渗透系数之间关系符合指数关系，颗粒级配对渗透特性的影响主要是不均匀系数和特征粒径，渗流前后颗粒级配的变化与水力梯度有关。

水位降落条件下堤防的非稳定渗流特性问题已有许多学者做出了不少成果，段祥宝[5]通过砂槽模型室内试验模拟了粉砂、细砂、黏土等多种材质的边坡在水位降落过程中的非稳定渗流物理过程，分析了水位降落过程中上游边坡的渗流场特点，比较了不同边坡材料、渗透特性、坡比和水位降落速度的泄水过程中边坡渗流场自由面形式和等势线变化特点；王民侠[6]用不同公式进行了水位下降快慢的判别，提出了水位骤降期坝型调整和稳定计算指标合理性问题；詹美礼等[7]研究发现堤坝模型中各点的吸力不仅与水位变化、各点所处的位置有关，同时也受大气温度、湿度、蒸发等外界环境因素的影响，水位变化因素占优还是蒸发因素占优，决定着堤坝非饱和区负压的变化发展方向；李子阳[8]以库水位骤变全过程为分析工况，基于非稳定渗流理论，考虑渗透系数与基质吸力之间的非线性关系，研究了典型土石坝工程的非稳定渗流场变化规律和渗透稳定性，并对坝坡瞬态抗滑稳定系数进行了计算。各类研究虽多，但针对清滩料筑堤的研究较少。

本文通过进行现场试验与室内试验，测定清滩料堤防的渗透特性，并基于此进行水位暴涨暴落条件下堤防渗流场变化的探讨。

1 清滩料渗透特性

为了研究清滩料堤防的渗透特性，在韶关某河道现场取样(如图1所示)进行筛分试验，试验结果如图2所示。可以看到取样清滩料Cu=51.5，Cc=1.09。

该典型样本Cu>10，属级配良好，说明土粒不均匀，有足够的细土粒去充填粗土粒形成的孔隙，且Cc=1～3级配良好。上述级配曲线为本次现场取样实验结果典型代表，尚有部分取样Cc<1，表明清滩料具有一定的不均匀性。

测定清滩料渗透系数分为两类试验：A类试验水流方向自下而上，细颗粒会发生流失，B类试验水流自上而下，同时在下部铺设滤网，细颗粒不易发生流失，试验如图3所示。两类试验均为常水头试验。

从图3中可以明显的看到，A类试验细颗粒随着水流方向向上，进入上层水体后水体浑浊，进而随水流由溢流管流出，土体细颗粒逐渐减少；B类试验对细颗粒进行反滤，保证了清滩料级配的稳定性，上层水体清澈无砂。

A类试验进行13组，B类试验进行9组，结果如图4所示，考虑到渗透系数主要是以量级进行衡量，图中纵坐标采用以10为底的对数来表示。

图4中可以明显的看到A类试验的结果位于i×10-1cm/s量级，B类试验的结果位于i×10-2cm/s量级，取平均值后，A类试验测得清滩料渗透系数为2.81×10-1cm/s，B类试验测得清滩料渗透系数为4.65×10-2cm/s。

从上述试验可以看到，即使细颗粒不流失，清滩料的渗透系数也是较大的。

考虑室内试验会受到取样过程等影响，进行了现场原位渗透试验。现场仍选定韶关某清滩料堤防，采用探坑注水法进行现场注水试验。试验成果绘制于图4中，从图4中可以看到，现场注水试验得到的渗透系数比B类试验降低1～2个数量级，其平均数为2.91×10-3cm/s。

2 清滩料水平允许渗透坡降

目前进行工程设计时，土体水平允许渗透坡降很多都是参考《水闸设计规范》(SL265—2016)中的规定得到，而该规范并未对清滩料进行规定和描述，为此进行水平渗透试验，研究清滩料堤防的水平允许渗透坡降。

试验在砂槽内进行，试验装置如图5所示。

试验模型箱内装填清滩料，装填时分层压实，人工修坡至1:2，后逐级增加上游稳压供水系统的水压，每级增加水头后静置30 min，待渗流场稳定后读取各测压管读数。试验得到的平均坡降如表1所示。

从上表1可知，随着模型平均水力坡降的增加，渗流量逐级增加。试验开始时，土体的渗透系数与现场注水试验的部分测试结果较接近，这是填装时分层压实的结果，与现场筑堤压实过程一致；随着加载的进行，由测压管读数计算得到的平均水平渗透系数也在逐级增加，直至加载至水平平均水力坡降为0.63，接近极硬粘土的水平允许坡降。这种现象与一般的随平均水力坡降增加细颗粒逐渐流失，渗透系数增大，发生渗透破坏有着明显的区别，这与清滩料的细颗粒含量及碾压密实度有关。

3 清滩料堤防水位骤降下的渗流场

山区河流最重要的特点是暴涨暴落，为了研究清滩料堤防在中小河流暴涨暴落条件下的渗流场变化特征，基于前述试验成果，采用有限元进行数值分析。

建立以下堤防剖面进行分析计算(如图6所示)。

根据前述试验成果，清滩料在天然状态下的渗透系数大约为10-2cm/s量级，在现场压实状态下渗透系数可达到10-3cm/s量级，在室内水流压密状态下可达到10-5cm/s量级，因此，取两个典型值进行计算，小值1×10-4cm/s(介于现场压实和室内压实之间)和大值1×10-2cm/s(天然状态)，分别计算堤防渗流场的变化；其中当渗透系数为1×10-2cm/s时，实际工程中往往采取防渗措施，以贴坡防渗为例进行计算。

水位过程线采用某实测山区河流洪水过程线，如图7所示。

图7中可知，在洪水暴发后，水位骤升，9 h处水位上涨4.81 m，随后水位发生骤降，16 h处水位降至仅上涨1.4 m，随后水位逐渐下降，31 h后，水位降落较缓，至63 h处，水位降至上涨0.28 m，基本恢复原水位，模型中初始水位为堤基以上1.0 m。

注：图中数字为暴涨时间(单位：h)

图8 水位暴涨暴落堤防浸润线变化示意

从图8中可知，当渗透系数较小(k=1×10-4cm/s)时(图8a)，堤防内部的浸润线升降滞后较多，整个洪水过程对堤防的影响范围较小，浸润线在堤身下游段的位置基本不变；当渗透系数较大(k=1×10-2cm/s)时(图8b)，堤防内部浸润线升降与河道水位变化进度较为接近，且浸润线线形状相似，当河道水位涨至最高水位时，浸润线接近最高水位稳定浸润线，河道水位变化对堤身影响范围大，会影响到整个坝体；在k=1×10-2cm/s模型中设置贴坡防渗后(图8c)，可以看到贴坡防渗有着明显的作用，显著降低了浸润线水头，当河道水位暴涨暴落时，在一定程度上呈现堤防渗透系数较小时的特性(图8a)，有较大的滞后性，且相较图8b而言，河道水位变化对堤防影响范围较小，但是由于贴坡防渗厚度较小，对堤身水位降低效果有限，其浸润线影响范围较图8a还是会更大。

堤防在图7所示水位条件下，渗流量如图9所示。

从图9中可知：当渗透系数较小(k=1×10-4cm/s)时(图9a)，水位暴涨暴落峰值渗流量与最高水位稳定渗流量相差较大，暴涨暴落时渗流量的增加量较小；但是当渗透系数较大(k=1×10-2cm/s)时(图9b)，水位暴涨暴落峰值渗流量与其对应最高水位稳定渗流量较为接近；设置贴坡防渗后，整体渗流量明显下降，但水位暴涨暴落时，其峰值对应的堤身最大渗流量，均与各自对应的峰值水位在稳定渗流时的渗流量接近。

4 结语

1) 清滩料碎石土颗粒粒径范围较广，细颗粒含量的多少及密实程度对整体的渗透系数影响较大。

2) 清滩料碎石土疏松时渗透系数较大，筑堤碾压密实后渗透系数较小，两者相差约2个数量级。

3) 清滩料堤防碾压密实时，防渗性能较好，河道水位暴涨暴落时堤身浸润范围较小，渗流量较小；当碾压不够密实时，堤防内浸润线变化与河道水位变化关系密切，堤身全范围均受到影响，设置贴坡排水后可以有效降低堤身浸润线水位，较少渗流量，但堤身受影响范围仍然较大，无论是否设置贴坡防渗，水位暴涨暴落时,其峰值对应的堤身最大渗流量,均与各自对应的峰值水位在稳定渗流时的渗流量接近。

4) 室内试验中清滩料水平最大允许坡降较大，该结论尚需进一步进行研究。