鄒玉華，陳 群，何昌榮，黃 靖

（1. 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所 山地災害與地表過程重點實驗室，成都 610041； 2. 四川大學 水利水電學院 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065）

1 引 言

據(jù)統(tǒng)計除洪水漫頂外，由滲流引起的管涌、內(nèi)部沖蝕是造成土石壩垮壩失事的主要原因[1]。下游反濾層作為土石壩滲透破壞的首道防線，它與防滲料的聯(lián)合抗?jié)B性能是決定土石壩滲流安全至關重要的因素[2]。近年來高土石壩迅速發(fā)展，礫石土因其填筑密度大、抗剪強度高、沉陷變形小且在自然界中廣泛存在等特點，被越來越廣泛地用作高土石壩防滲料[3]。為保證礫石土心墻壩滲流安全，防止壩體因滲透破壞而失事，對礫石土防滲料和反濾料的聯(lián)合抗?jié)B性能研究非常必要。國內(nèi)外對防滲料和反濾料的聯(lián)合抗?jié)B研究可以追溯到太沙基等提出的實際工程中廣泛應用的保護黏土的反濾設計準則[4]。但在礫石土防滲料應用初期，用太沙基的反濾準則為礫石土（如冰磧土）設計的反濾料太粗，出現(xiàn)了一些大壩管涌破壞和失事，如英國的Balderhead 壩和新西蘭的Matahina 壩等，這說明保護黏土的反濾準則不適用于礫石土[5]。于是國內(nèi)外學者們開始進行礫石土及其反濾料的聯(lián)合抗?jié)B研究[5－9]。Sherard[5]進行了寬級配冰磧土與反濾料試驗研究，提出相應的反濾設計準則。1989 年，劉杰等[6]在國內(nèi)最早對寬級配礫石土料（魯布革風化料）進行反濾試驗研究，并提出了多級配礫石土的反濾料控制粒徑的確定方法和反濾設計準則[7]。上述研究主要針對具體工程進行試驗，提出適用于該工程的反濾準則，但都未考慮不同的應力條件對聯(lián)合抗?jié)B特性的影響。

Tomlison 等[10]研究粗粒土管涌破壞時指出，粒徑比較小時滲透穩(wěn)定性隨圍壓的增大而減小。雷紅軍等[11]和王建秀等[12]分別給出黏土在大剪切變形下以及大理巖在復雜應力作用下的滲透特性變化規(guī)律。劉杰[13]研究裂縫與滲透壓密特性時亦指出土體的滲透破壞與其應力狀態(tài)有關。因此，在筑壩土體滲透破壞研究中應該考慮壩體的應力，尤其是高壩的復雜應力狀態(tài)對聯(lián)合抗?jié)B的影響。

本文利用粗粒土大型高壓滲透儀，進行不同加載狀態(tài)下寬級配礫石土防滲料和反濾料聯(lián)合抗?jié)B試驗。研究了不同水平和豎向應力條件下反濾料級配和干密度不同時防滲料與反濾料聯(lián)合抗?jié)B性能的變化規(guī)律，為應力作用下礫石土滲透破壞的判別和反濾設計提供參考。

2 試驗儀器和方法

試驗儀器采用由四川大學水利水電學院巖土工程省重點實驗室與四川大學華西巖土儀器研究所共同研制的一套新型大型高壓水平滲透儀。該儀器主要由4 個部分組成：（1）試樣箱；（2）水平和垂直壓力伺服系統(tǒng)；（3）變頻高水壓加載系統(tǒng)；（4）數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)。試樣箱剖面圖如圖1 所示。

儀器的試樣箱能容納的試樣尺寸為80 cm× 40 cm× 40 cm，允許的試樣最大粒徑為80 mm。儀器的變頻水壓加載系統(tǒng)包括供水箱、高壓水泵、回水管路和變頻器。水壓加載裝置通過左側(cè)進水口向試樣箱注水，水流通過試樣左端水箱，透過多孔板進入試樣。通過調(diào)節(jié)變頻水泵頻率進行梯級加載，最大注水壓力為3 MPa。雙向外荷加載系統(tǒng)由垂直和水平加壓系統(tǒng)及穩(wěn)壓系統(tǒng)組成。垂直和水平加壓系統(tǒng)均采用油壓伺服控制，靠推動油缸活塞對試樣加載或卸載，達到試驗所需的應力水平。當試驗要求穩(wěn)定在某一壓力時，加壓的同時需由穩(wěn)壓系統(tǒng)穩(wěn)壓。先由油泵提供初始油壓，再利用氣源壓力通過穩(wěn)壓儲能罐向油缸活塞提供穩(wěn)定的壓力。如圖1 所示，試樣箱上共有2 個豎向加載油缸和1 個水平加載油缸，最大加載壓力均為6 MPa。試驗中可獨立調(diào)節(jié)垂直向與水平向的壓力，實現(xiàn)兩方向的不同應力組合。

該儀器能夠測定不同應力狀態(tài)時高水壓力作用下土體的滲透特性和滲透變形特性，可對復雜應力尤其是高應力條件、高水頭作用下寬級配土變形破壞和滲流應力耦合的全過程進行研究。

圖1 試樣箱（單位: mm） Fig. 1 Sample box (unit: mm)

試驗前依據(jù)設計的干密度和含水率備料，并靜置24 h，使水分均勻分布在土料中。裝樣時先在試樣箱底部和側(cè)壁涂上一層5 mm 厚的高塑性黏土，然后用鐵板將試樣箱隔成體積相等的兩部分，靠近進水口部分裝填礫石土，出水口部分裝填反濾料，如圖2 所示。將礫石土防滲料均勻分3 層裝入試樣箱中，按照試驗設計的干密度用擊實錘擊實到預定高度。裝完防滲料后，拆除鐵質(zhì)隔板，在防滲料的下游側(cè)與儀器壁面間糊楔形黏土條，用來防止反向滲流沖刷。然后將反濾料按設計的干密度分3 層裝填在防滲料右側(cè)。土樣與進水口和出水口側(cè)的多孔透水板之間鋪設濾土排水土工布。裝完試樣后，再在試樣頂部涂一層同樣厚度的高塑性黏土，以防止水流沿試樣箱的邊壁發(fā)生集中滲漏。試樣裝好后，采用抽氣飽和法將土樣飽和。待出水口溢水且流量穩(wěn)定時即可開始試驗。

本文試驗的目的是研究不同應力條件下的試樣滲透特性的變化。試驗時，在水平和垂直壓力施加完后再施加水荷載。水力坡降按照增量10 左右遞增，接近臨界坡降時，酌量減小水力坡降的增幅。

每次升高水頭1 h 后，測記測壓管水位，每次測讀間隔時間為1 h，當連續(xù)測得3 次流量值相等、試樣中流量穩(wěn)定時，施加下一級水頭。當流量或測壓管水位突然增大并且無穩(wěn)定趨勢或進水口水頭達到200 m 時，停止試驗。

3 試驗土料和試驗方案

3.1 試驗土樣

試驗土樣基于雙江口水電站礫石土心墻堆石壩的礫石土防滲料與第1 層反濾料進行設計。設計采用的礫石土防滲料為當卡料場防滲土料與礫石以1：1 摻合而成，當卡防滲料的物理特性指標如表1所示。摻合后的土料屬礫類土，各粒組含量如表2所示，按土工試驗規(guī)程[14]定名為黏土質(zhì)礫（GC）。設計采用的礫石土防滲料的最大粒徑為100 mm，超過了儀器的最大允許粒徑80 mm。試驗采用土料的最大粒徑為60 mm，對粒徑大于60 mm 超徑粒用等量替代法進行處理。試驗采用反濾料平均級配，另外增加了比下包線更粗的自行設計的反濾級配，用于考察對工程偏危險的情況，尋找反濾設計中可允許的下限級配。試驗和設計使用的防滲料和反濾料級配見圖3。

3.2 防滲料和反濾料的基本滲流特性

一般筑壩的防滲體，滲透系數(shù)需達到防滲要求，即k≤10-4～10-5cm/s。試驗中礫石土防滲料的滲透系數(shù)k =4.86×10-5～8.06×10-5cm/s。破壞形式為流土破壞，破壞時的臨界坡降為4.25～6.60。

表1 當卡防滲料物理特性指標 Table 1 The physical properties of the Dangka impermeable material

表2 防滲料粒組含量 Table 2 Particle size fraction of the gravelly soil

圖3 防滲料和反濾料的級配曲線 Fig. 3 Grading curves of the base soil and the filter

反濾料主要有2 個作用：一是濾土，防止防滲料發(fā)生滲透變形；二是排水，減小心墻后的孔隙水壓力。因此，反濾料的顆粒不宜太粗，滲透系數(shù)不宜太大，否則起不到阻滯細顆粒移動，防止防滲料滲透破壞的作用；另一方面反濾料的滲透系數(shù)不宜太小，否則不利于心墻后的孔壓消散。試驗中反濾料的滲透系數(shù)為k =3.0×10-3～5.5×10-3cm/s，破壞時的臨界坡降為0.32～0.48。

3.3 試驗方案

本次研究主要采用平均級配和較粗的下外1 級配的反濾料。為考慮不同應力條件下防滲料與反濾料的聯(lián)合抗?jié)B性能，試驗中采用2 種加載方式：側(cè)限單向壓縮和水平加載豎向自由變形。其中單向壓縮主要用于體現(xiàn)巖土體中自重應力的作用；在水平加載豎向自由變形條件下，試樣在豎直方向只受到一個較小的摩阻力作用，為試樣的小主應力方向，與入滲水流方向垂直。根據(jù)前人對水力劈裂的發(fā)生條件的試驗研究，幾乎所有水力劈裂的劈裂面都與小主應力方向垂直[15]，因此，在這種應力條件下，防滲體更容易發(fā)生滲透破壞，可以模擬較危險的工況。

設計3 組試驗分別研究不同水平應力和豎向應力組合對聯(lián)合抗?jié)B性能的影響。其中第1、2 組試驗加載時通過壓力控制，第3 組試驗加載時通過位移控制，相應的壓力值和活塞位移值分別由壓力表和百分表測得。試驗方案詳見表3。表中的第3 組試驗，水平壓力為0 時豎向壓力也為0，其余情況下豎向壓力值為試樣向上變形時橡膠圈的摩擦力值。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 單向側(cè)限壓縮抗?jié)B試驗結(jié)果

試驗中分別進行平行和垂直于水流方向的單向側(cè)限壓縮。進行側(cè)限水平（豎向）壓縮時，固定頂板（左側(cè)板）限制試樣豎直（水平）方向的變形，對試樣進行單向壓縮固結(jié)穩(wěn)定后，比較不同水平（豎向）應力作用下的滲透及滲透變形特性。

圖4 為施加不同水平（豎向）應力、豎向（水平）限制變形條件下防滲料中水的滲透流速與水力 坡降之間的關系曲線，圖中hσ 為水平應力，vσ 為豎向應力。由圖可知，防滲料中水的滲透流速隨水力坡降的增大而增大。在相同的水力坡降下，水平或豎向應力越大，滲透流速越小。在不同壓力下，當試樣承受某一較大的水力坡降時，滲透流速會突然增大，此時試樣中或邊壁處出現(xiàn)集中滲流，防滲料中的細顆粒會出現(xiàn)局部的移動。隨著應力的增大，反濾料中承受的水力坡降略有增大，反濾料中滲透系數(shù)減小，但始終能保證心墻后孔隙水壓力的消散。

表3 施加應力時防滲料與反濾料聯(lián)合抗?jié)B試驗方案 Table 3 Anti-permeability program of gravelly soil and the fitter material under different stess states

圖4 應力不同時滲透流速與水力坡降的關系 Fig.4 Relationships between seepage velocity and hydraulic gradient under different stresses

圖5 為單向側(cè)限壓縮條件下防滲料的滲透系數(shù)隨水平或豎向應力的變化曲線。由圖可知，防滲料的滲透系數(shù)隨水平和豎向應力的增大而減小。試樣在單向壓力作用下被壓密，施加的壓力越大，試樣就越致密，因此，滲透系數(shù)越小。由試樣滲流穩(wěn)定時的滲透系數(shù)與相應的應力值擬合得到如下關系，滿足Louis[16]總結(jié)得出的負指數(shù)方程：

式中：kf為不同應力水平下的滲透系數(shù)；k0=8.0× 10-5，為初始滲透系數(shù)；應力因子α = -1.14（水平），α = -1.00（豎向）；σ 為施加的應力，本試驗中為水平應力hσ 或豎向應力vσ 。

圖5 滲透系數(shù)隨應力的變化 Fig.5 Relationships between permeability coefficient and stress

圖6 為試樣的臨界坡降隨應力的變化。在水平應力和豎向應力作用下試樣的抗?jié)B坡降均比無應力作用時大，破壞水力坡降隨應力的增加而增大。結(jié)合拆樣觀察可知，在兩個方向應力的作用下，試樣產(chǎn)生了較規(guī)則的定向排列，更加致密，防滲料的摩擦角增大、防滲料與反濾料交界面的孔隙率減小，試樣發(fā)生沖蝕破壞所需的水壓力增大，抗?jié)B透破壞能力增強。由兩個方向的單向壓縮情況下的滲透試驗結(jié)果可知，當試樣在一個方向被壓縮后，試樣變密，滲透系數(shù)變小，且其抗?jié)B能力增強。

圖6 試樣的破壞坡降隨應力的變化 Fig. 6 Relationships between critical gradient and stress

4.2 水平加荷、豎向自由變形時的試驗結(jié)果

考慮不同應力狀態(tài)下的滲透破壞試驗時，使試樣在水平加壓的同時豎向自由變形，模擬較危險的應力條件。

圖7 為反濾料級配不同時施加不同水平壓力、豎向自由變形條件下試樣的滲透流速與水力坡降之間的關系曲線。試驗時采用位移控制，圖中hδ 、vδ分別為試樣進水端面的水平位移和試樣頂面的豎向變形。由圖可知，在相同的水力坡降下，當水平應力（變形）增大、豎向向上的變形增大時，試樣的滲透流速先減小后增大。這主要是由于試驗開始階段試樣在水平推力作用下孔隙率減小，因此，滲透流速減小，當試樣密度達到一定值時，隨著水平應力的繼續(xù)增大，試樣豎向向上變形加劇，試樣中會產(chǎn)生較大剪切變形，在剪切帶處滲透性增大，因此，試樣的滲透流速增大。

對比圖7(a)、(b)可知，在滲透流速減小至最低值前，反濾料越細，滲透流速隨水平位移增加而減小的幅度越大。滲透流速達到最低值后，反濾料越粗，滲透流速隨水平位移增加而增大的幅度越大。

圖8 為試樣發(fā)生滲透破壞的臨界坡降隨水平應力的變化。由圖可見，當水平應力（變形）不斷增大時，試樣的臨界坡降先有所增大，當水平應力（變形）增大到一定程度時，臨界坡降出現(xiàn)峰值，之后隨著水平應力的繼續(xù)增大，臨界坡降逐漸降低。這是由于開始試樣被壓后豎向變形較小，孔隙率減小，抵抗?jié)B透破壞的能力增強。但當水平應力繼續(xù)增大時，豎向變形加劇而導致接觸帶孔隙率明顯增大，此時試樣抵抗?jié)B透破壞的能力減弱。

對比圖中兩條曲線可知，在相同的水平應力作用下，反濾料越粗，試樣滲透破壞的臨界坡降越小。反濾料較粗（下外1）時，臨界坡降隨水平應力的變化幅度比反濾料較細（平均級配）時小。

圖7 反濾料級配和水平變形不同時試樣的 滲透流速隨水力坡降的變化 Fig.7 Relationships between seepage velocity and critical gradient under different gravelly soil grading

由拆樣時觀察可知，反濾料較細時（平均級配）有防滲料中的黏土顆粒進入反濾料，在接觸帶上形成厚度約為3 cm 的自濾反濾層，反濾料起到良好地保護防滲料抵抗沖蝕破壞的作用；而反濾料較粗時（下外1）亦有防滲料中的黏土顆粒進入反濾料，但沒有集中在接觸帶上形成自濾反濾層，而是在反濾料中較為分散，這時反濾料對防滲料的保護作用不明顯。

隨著試樣水平應力和豎向變形的增大，反濾料的變形膨脹趨勢較防滲料明顯，其承擔的豎向應力大于防滲料受到的豎向應力。此時若入滲的水壓力增大，防滲料中細顆粒容易被沖蝕而進入膨脹趨勢明顯的反濾料，說明反濾料的濾土功能減弱。

圖8 反濾料級配不同時試樣滲透破壞的 臨界坡降隨水平應力變化 Fig.8 Relationships between critical gradient and horizontal stress for different filter material grading

圖9 與圖7(a)為反濾料干密度不同時施加不同水平壓力、豎向自由變形條件下試樣的滲透流速與水力坡降之間的關系曲線，其中圖7(a)中反濾料的干密度dρ =2.0 g/cm3。由圖可知，滲透流速隨水平應力（變形）和豎向向上變形的增大，先減小后增大。在相同的水力坡降下，當水平應力較小時，隨著水平位移增大、豎向向上的變形緩增，試樣滲透流速逐漸減小，反濾料密度較小時滲透流速減小的幅度較大，因為這時試樣主要被壓密，其滲透性隨干密度的增大而減小。當水平應力（變形）繼續(xù)增大時，隨著豎向向上的變形增大，試樣中會產(chǎn)生較大剪切位移，局部孔隙率增大，透水性增強，滲透流速增大。對比圖9 與圖7(a)可知，在滲透流速減小至最低值前，反濾料干密度越小，滲透流速隨應力增加而減小的幅度越大。因為在較小的水平應力下，反濾料干密度越小的試樣豎向變形相對較小，壓密效果越明顯；滲透流速達到最低值后，反濾料干密度越大，滲透流速隨應力增加而增大的幅度越大。

圖10 為試樣發(fā)生滲透破壞的臨界坡降隨水平應力的變化。可見，當水平應力較小時，隨水平應力（變形）的不斷增大，試樣破壞的臨界坡降增大，當應力（變形）增大到一定程度時，臨界坡降出現(xiàn)峰值，隨著水平應力的繼續(xù)增大，臨界坡降逐漸減小。這是由于開始試樣在較小的水平應力作用下豎向變形小，顆粒排列變得更緊致，顆粒移動阻力增大，接觸帶上孔隙率減小，抵抗?jié)B透破壞的能力增強。但當水平應力繼續(xù)增大時，試樣中產(chǎn)生剪切滑移帶，局部顆粒松散，孔隙率增大，粒間咬合力減小，試樣抵抗?jié)B透破壞的能力減弱。對比圖10 中3條曲線可知，在臨界坡降峰值出現(xiàn)前，反濾料越松，試樣的臨界坡降越小，隨水平應力增大的幅度越大；在峰值之后，反濾料越密，試樣的臨界坡降隨水平應力減小的幅度越大。

圖9 反濾料干密度和水平變形不同時滲透 流速隨水力坡降的變化 Fig.9 Relationships between seepage velocity and hydraulic gradient for different dry density of the filter material

圖10 反濾料干密度不同時試樣滲透破壞的 臨界坡降隨水平應力變化 Fig.10 Relationships between critical gradient and horizontal stress for different dry density of the filter material

由拆樣時觀察可知，反濾料較密（dρ =2.0 g/cm3）時，防滲料中細顆粒被阻滯在接觸帶上形成厚度約為3 cm 的自濾反濾層，提高了防滲料和反濾料的聯(lián)合抗?jié)B能力；而反濾料較松（dρ =1.8、1.9 g/cm3）時，防滲料中的細顆粒滲入反濾料至靠近出水口處，主要分布在反濾料的相對松散區(qū)域，說明反濾料較松時容易形成松散薄弱區(qū)域使細顆粒更容易被沖蝕，反濾料對防滲料的保護作用較弱。

5 結(jié) 論

（1）單向壓縮條件下防滲料的滲透系數(shù)隨水平或豎向應力的增加而減小，且滲流穩(wěn)定時的滲透系數(shù)與應力的關系滿足負指數(shù)方程；試樣在單向壓縮條件下，隨著壓力的增大，顆粒移動的摩阻力增大，孔隙率減小，抵抗?jié)B透破壞能力明顯增強。

（2）水平加荷、豎向自由變形條件下，水力坡降相同時，試樣的滲透流速隨著水平應力的增加先減小后增大；在滲透流速減小至最低值前，反濾料越細或越松，滲透流速隨水平應力增加而減小的幅度越大。滲透流速達到最低值后，反濾料越粗或越密，滲透流速隨水平應力增加而增大的幅度越大。試樣發(fā)生滲透破壞的臨界坡降隨水平應力的增加先增大后減小。反濾料越密或越細，試樣滲透破壞的臨界坡降的峰值越大。在峰值之前，反濾料越松或越細，臨界坡降隨水平應力增加而增大的幅度越大；在峰值之后，反濾料越細或越密，臨界坡降隨水平應力增加而減小的幅度越大。

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