劉 杰，謝定松

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 引 言

近40多年來(lái)，世界高度在100 m以上的高土石壩，用礫石土作為防滲體的大壩約有70座以上，95%以上的高壩都在正常運(yùn)行[1]。礫石土，國(guó)內(nèi)稱為寬級(jí)配土，在滲透穩(wěn)定性方面的認(rèn)識(shí)，主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)資料較少。為保證礫石土作防滲體的滲透穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)有專家提出，土中小于0.005 mm的顆粒含量一定要大于10%。

四川大渡河上的瀑布溝土石壩，高187 m，是國(guó)內(nèi)當(dāng)前最高的一座用礫石土作為心墻材料的堆石壩，心墻土的料源是黑馬I區(qū)的礫石土，它的特點(diǎn)是小于0.005 mm的顆粒含量小于10%。能否作為心墻土料，由于這方面的試驗(yàn)資料很少，在設(shè)計(jì)審查會(huì)上爭(zhēng)論激烈。有專家堅(jiān)持認(rèn)為應(yīng)摻入一定量的黏土顆粒，使小于0.005 mm的顆粒含量大于10%，以保證其滲透穩(wěn)定性[2]。設(shè)計(jì)單位為論證黑馬 I區(qū)土料作為防滲體的可用性，委托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院進(jìn)行試驗(yàn)研究，并送來(lái)黑馬I區(qū)土料以及顆粒組成方面的全部料場(chǎng)勘探結(jié)果，供試驗(yàn)研究之用。試驗(yàn)結(jié)果表明，黑馬I區(qū)礫石土為非管涌土，在無(wú)反濾保護(hù)的情況下，臨界水力比降大于2，可作為心墻土料。設(shè)計(jì)單位決定直接采用黑馬I區(qū)土料作心墻防滲土料。2009年底，大壩建成并投入運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)檢結(jié)果表明，心墻土料中小于0.005 mm的顆粒含量平均值為5%，而且變幅不大，小于5 mm的粒徑平均值占51%，顆粒組成曲線與室內(nèi)試驗(yàn)采用的中間 1條曲線相一致，滲透系數(shù)達(dá) 10-5～10-6cm/s的量級(jí)，滿足防滲要求，大壩運(yùn)行正常。本文主要闡述 10年前防滲土料的滲透穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行了滲透穩(wěn)定分析方法的探究，提出了判別礫石土滲透穩(wěn)定性的方法，供今后選用礫石土作防滲土料之用，同時(shí)輔佐近期發(fā)表的工程資料[3]。為闡明試驗(yàn)結(jié)果的普遍性，文中同時(shí)引入了僅僅查到的依斯托美娜的試驗(yàn)結(jié)果[4]。

2 料場(chǎng)土料的基本性質(zhì)

土料成因?yàn)槠潞榉e，母巖主要成分為白云質(zhì)灰?guī)r和少量凝灰?guī)r，顏色為淺黃色，屬寬級(jí)配土，粒徑變化在0.002～200 mm之間，其中粒徑大于80 mm的部分僅占10%左右，粒徑小于5 mm部分占35%～70%，小于0.005 mm粒徑含量變化于1.78%～9.58%之間，平均值為4.57%。根據(jù)大量的勘探資料，將顆粒組成歸納為粗、中、細(xì)3條曲線，編號(hào)為P1、P2和P3，顆粒組成曲線繪于圖1[5]。圖中同時(shí)繪有依斯托美娜[4]試驗(yàn)用的4條顆粒組成曲線（編號(hào)依1～依4），由于同為礫石土，試驗(yàn)方法也相同，可以補(bǔ)充闡明瀑布溝的試驗(yàn)結(jié)果。在此需要說(shuō)明的是，本文在顆粒分析試驗(yàn)中，對(duì)小于5 mm的顆粒采用了洗篩法和不加洗篩兩種方法，發(fā)現(xiàn)小于0.1 mm的顆粒含量有明顯差別，二者甚至可差8%。圖1顆粒組成曲線中小于5 mm的部分是根據(jù)洗篩法的試驗(yàn)結(jié)果繪制而成，小于0.005 mm顆粒含量的平均值為7%，稍大于料場(chǎng)勘探所得數(shù)據(jù)，小于5 mm顆粒含量與現(xiàn)場(chǎng)勘探資料相一致，分別為70%、50%和35%。

礫石土中粒徑小于0.5 mm的細(xì)粒部分的物理性質(zhì)列于表1，表明細(xì)粒部分屬低液限粉土。

圖1 試驗(yàn)用料顆粒組成曲線Fig.1 Granular composition of test material

表1 細(xì)粒部分的基本性質(zhì)Table 1 Basic property of fine particle

3 試驗(yàn)儀器及方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)土料采用的最大粒徑為80 mm，d85粒徑的最大值為40 mm，故儀器采用φ20 cm的垂直管涌?jī)x。筒壁透明，可以觀察滲透破壞性狀。土料為天然土料，按圖1中的3條顆粒級(jí)配曲線分別制樣，小于5 mm的顆粒直接使用工地送來(lái)的土料，含量分別為35%、50%和70%。試樣分為兩層填筑。P1、P3的干密度直接采用按擊實(shí)儀（862.5 kN/m3）擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度，P2試驗(yàn)的干密度采用0.97倍試驗(yàn)最大干密度。為防止試樣在大的水力比降下沿儀器壁整體的滑動(dòng)，P2土樣表面壓有厚8 mm、孔徑為9 mm的透水板一塊，P1試驗(yàn)土樣表面壓有厚8 mm、孔徑為20 mm的透水板一塊。透水板中孔徑的大小是按不影響試樣管涌破壞的原則確定的。飽和采用滴水飽和法，滲流方向由下向上。每級(jí)水頭下試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為30 min，當(dāng)出現(xiàn)滲透變形后，等滲流量穩(wěn)定，滲水中無(wú)細(xì)顆粒帶出時(shí)才能升高下一級(jí)水頭。當(dāng)試樣出現(xiàn)水平裂縫或泉眼不斷向深部發(fā)展，滲流量不斷增大時(shí)認(rèn)為最終破壞，停止試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3種土料各進(jìn)行了3種密度下的滲透破壞試驗(yàn)，部分試驗(yàn)結(jié)果的水力比降-滲流量（J-V）的關(guān)系曲線繪于圖2。圖中P1的第1個(gè)試驗(yàn)P1-1的試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)水力比降J為8.2時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)試樣出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；當(dāng)J=15.0時(shí)試樣分別在上、下兩端開始出現(xiàn)兩道水平縫，滲流量驟增，試驗(yàn)水頭自動(dòng)下降。經(jīng)1 min后水頭自動(dòng)上升到原來(lái)數(shù)值，滲流量減小，并趨穩(wěn)定，試驗(yàn)最終破壞為流土型。

圖2中P2的第2個(gè)試驗(yàn)P2-2的試樣的密度偏低，試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)水力比降J達(dá)7.1時(shí)，土樣表面有3股煙霧狀的很細(xì)水流由土樣表面流出，滲流量相應(yīng)加大，不久渾水停止，滲流穩(wěn)定。繼續(xù)升高水頭，當(dāng)J=10.3時(shí)，又有煙霧狀的細(xì)流從試樣表面流出，5 min后滲水全渾，滲流量加大，泉涌向土樣內(nèi)部不斷發(fā)展，沿儀器壁可觀察到集中滲流通道，滲透破壞型式為過(guò)渡型。P2-1試驗(yàn)提高了干密度（為設(shè)計(jì)采用干密度），由于試驗(yàn)干密度提高，滲透破壞型式轉(zhuǎn)為流土型。P2-1結(jié)果表明，P2土料的滲透變形特性帶有過(guò)渡型的特征，滲透變形型式與干密度大小有關(guān)，在大密度下滲透變形型式轉(zhuǎn)為流土型。

圖2 瀑布溝3種土料滲透穩(wěn)定部分試驗(yàn)J-V關(guān)系曲線Fig. 2 Variations of V with J of seepage stability experiment of Pubugou

圖中P3的第2個(gè)試驗(yàn)P3-2試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水力比降J=2.4時(shí)，土樣表面出現(xiàn)一股煙霧狀細(xì)流，5 min后滲流變清。繼續(xù)升高水頭，J=3.1時(shí)又不斷出現(xiàn)煙霧狀滲流，滲流量變大，水頭自動(dòng)下降。經(jīng) 30 min后滲流變清，水力比降自動(dòng)恢復(fù)到3.1，滲流穩(wěn)定。繼續(xù)升高水頭，J=4.0時(shí)，滲流量不斷加大，水頭不斷下降。經(jīng)10 min后水力比降降至3.1，滲流量仍在加大。停止試驗(yàn)后進(jìn)一步觀察試樣，發(fā)現(xiàn)在土樣表面中部有3個(gè)泉眼，周圍堆積有一堆細(xì)顆粒。儀器壁旁另有2個(gè)泉眼，也同樣在泉眼周圍堆積有一堆細(xì)顆粒，而且沿儀器壁出現(xiàn)集中滲流通道，直達(dá)底層。由于開始滲流破壞后仍有一定承受水頭的能力，直到水力比降增大到4.0時(shí)才完全滲透破壞，故破壞型式仍屬過(guò)渡型。

部分試驗(yàn)結(jié)果列于表 2。結(jié)果表明，瀑布溝礫石土中最細(xì)的土料滲透破壞型式為流土型，最粗的土料＜5 mm的顆粒含量為35%，滲透破壞型式為過(guò)渡型，顆粒平均曲線的滲透變形型式為流土型。對(duì)整個(gè)壩料的評(píng)定是可以用作心墻防滲土料，臨界水力比降大于3.0。

表2 礫石土滲透破壞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experiment results of seepage damage of gravelly soils

5 礫石土滲透穩(wěn)定特性分析

5.1 礫石土的顆粒組成及滲透變形特征

礫石土是種多級(jí)配土，很不均勻，不均勻系數(shù)高達(dá)100以上，其組成完全可以視為由粗、細(xì)兩個(gè)部分混合而成。如果將其分解為粗、細(xì)兩個(gè)部分，則粗粒部分的不均勻系數(shù)在10左右。細(xì)粒部分將具有細(xì)粒土的特征，多為低液限粉土。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，寬級(jí)配土的滲透及滲透穩(wěn)定性質(zhì)主要取決于粗、細(xì)粒在土體中的比例關(guān)系。當(dāng)細(xì)粒含量小于某一數(shù)值后，填不滿粗?？紫?，此時(shí)滲透系數(shù)的大小主要決定于粗粒的顆粒組成，因細(xì)粒在土體中不受粗粒的束縛，在滲流作用下很容易流失，并一直流失到細(xì)粒全部被帶走，致使土體的滲透系數(shù)變?yōu)榧兇至５臐B透系數(shù)，這種破壞稱管涌型。當(dāng)細(xì)粒含量超過(guò)某一數(shù)值后，粗、細(xì)粒合二而一，滲透系數(shù)主要取決于粗粒的密實(shí)度和細(xì)粒土的滲透性，滲透破壞是整個(gè)土體的破壞，因而是流土型。當(dāng)細(xì)粒含量接近或剛填滿粗料孔隙時(shí)，整個(gè)土體的滲透變形特征將呈一種過(guò)渡型，即開始時(shí)表面出現(xiàn)的是管涌破壞現(xiàn)象，但不會(huì)破壞土體的整體穩(wěn)定性，管涌破環(huán)將會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而自行調(diào)整，達(dá)到新的穩(wěn)定。再升高水頭，又出現(xiàn)新的滲透破壞，最后又得到新的調(diào)整，最終的表現(xiàn)形式與細(xì)粒含量及干密度有關(guān)，當(dāng)細(xì)粒含量偏小時(shí)，呈管涌破壞，細(xì)粒含量偏高時(shí)呈局部流土型。由此看來(lái)，在認(rèn)識(shí)礫石土的滲透穩(wěn)定性時(shí)，將其分為粗、細(xì)兩個(gè)部分，然后分析細(xì)粒填充粗?？紫扼w積的程度，以判別其滲透穩(wěn)定性質(zhì)。這種分析方法對(duì)于認(rèn)識(shí)礫石土的滲透性及滲透穩(wěn)定性具有由表及里、由淺入深的重要意義。

5.2 粗、細(xì)顆粒的區(qū)分原則及區(qū)分粒徑

寬級(jí)配土應(yīng)以何種粒徑將其分為粗粒和細(xì)粒兩個(gè)部分，這是需要研究的問(wèn)題。粗粒和細(xì)粒之間的區(qū)分粒徑選擇的不同，則細(xì)粒剛剛填滿粗?？紫稌r(shí)的顆粒含量也就不同。如目前工程界常以5 mm的粒徑將其分為粗、細(xì)兩個(gè)部分，然后進(jìn)一步研究寬級(jí)配土的壓實(shí)性、滲透性和滲透穩(wěn)定性。按此種區(qū)分粗、細(xì)粒的方法研究天然寬級(jí)配土的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，則得細(xì)粒在混合料中的最優(yōu)含量往往在40%左右，此時(shí)混合料的滲透系數(shù)最小，壓實(shí)后的密度最大。如果用1 mm作為粗、細(xì)粒的區(qū)分粒徑，最優(yōu)細(xì)粒含量將在35%左右。

顆粒級(jí)配曲線中段出現(xiàn)平臺(tái)的寬級(jí)配土，是一種典型的粗、細(xì)混合料，完全有理由以平臺(tái)段的顆粒粒徑將其分為粗、細(xì)兩個(gè)部分。此種土料粗、細(xì)摻合后的最優(yōu)級(jí)配情況下的細(xì)粒含量多在 30%左右，此時(shí)在同類土中具有最大干密度和最小的滲透系數(shù)。

寬級(jí)配土的顆粒級(jí)配變化范圍很廣，不均勻系數(shù)Cu＞50以上，要用某一固定粒徑將其分為粗、細(xì)兩個(gè)部分，并以此研究其基本特性，其結(jié)果往往不能真實(shí)地反映寬級(jí)配土的基本性質(zhì)，也不可能得出統(tǒng)一的最優(yōu)細(xì)粒含量，其結(jié)果是顆粒級(jí)配曲線不同，最優(yōu)細(xì)粒含量也就不同。但實(shí)際情況是，由粗、細(xì)兩種土料摻合后的寬級(jí)配土最優(yōu)細(xì)粒含量在30%左右。

筆者曾專門研究了寬級(jí)配無(wú)黏性土粗、細(xì)粒之間的區(qū)分粒徑問(wèn)題，在研究工作中選用粒徑大小截然不同的兩種土料，一種是粒徑為2～25 mm的礫石，另一種是粒徑為0.2～0.8 mm的砂粒，二者混合后的顆粒級(jí)配曲線實(shí)際上是缺乏0.8～2.0 mm的粒徑，混合土料完全有理由由0.8～2.0 mm的粒徑區(qū)分為粗粒和細(xì)粒兩個(gè)部分。粗粒礫石中的粒徑D15=6 mm，細(xì)粒的粒徑 d85=0.6 mm，=10＞4，表明粗粒形成的孔隙直徑大于細(xì)粒的最大粒徑。顯然，當(dāng)砂粒填不滿粗粒的孔隙體積時(shí)，則砂粒在礫石孔隙中處于可移動(dòng)狀態(tài)。將各類摻合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定細(xì)粒剛剛填滿粗?？紫稌r(shí)的細(xì)粒含量。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)摻入粗粒礫石中的細(xì)粒含量小于總重量的25%時(shí)，粗粒礫石中的孔隙體積沒(méi)有明顯的變化；當(dāng)細(xì)粒的摻合量達(dá)25%時(shí)，粗粒的孔隙體積稍有增大，但僅增加 3%；當(dāng)砂粒的摻量大于25%以后，細(xì)粒稍有增加，粗粒礫石的孔隙體積開始明顯增大[6]。由于這一簇混合料的顆粒組成曲線在0.8～2.0 mm之間出現(xiàn)一個(gè)小的平臺(tái)，而且1585/D d=10，很顯然，它們的粗、細(xì)粒之間的區(qū)分粒徑應(yīng)是0.8～2.0 mm之間的某一任意值，可取平均值為1.4 mm。

上述結(jié)果如何應(yīng)用于連續(xù)級(jí)配的寬級(jí)配土值得研究。分析比較試驗(yàn)結(jié)果，若以幾何平均粒徑為粗、細(xì)料的區(qū)分粒徑，既可適用于不連續(xù)級(jí)配的寬級(jí)配土，也可適用于連續(xù)級(jí)配的土。表3為對(duì)上述摻合料區(qū)分粒徑計(jì)算分析結(jié)果。由表可知，用計(jì)算得的粗、細(xì)粒區(qū)分粒徑，將混合土料分為粗、細(xì)兩部分后，所求得的細(xì)粒含量與實(shí)際值基本相一致。

表3 缺乏中間粒徑寬級(jí)配土的粗細(xì)粒區(qū)分粒徑Table 3 Specification particle of coarse grain and fine particle of uncontinuous grading gravelly soils

分析了文獻(xiàn)[7]的一簇壓實(shí)試驗(yàn)資料，顆粒級(jí)配曲線的粒徑變化范圍為0.5～80 mm，不均勻系數(shù)Cu變化于15～32之間。以單位壓力為10 MPa進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，求得的密實(shí)度列于表 4[7]。表中同時(shí)列出了試驗(yàn)土料的顆粒組成特征。用幾何平均粒徑dq=作為粗、細(xì)粒的區(qū)分粒徑，則土體處于最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的土樣為4號(hào)土，孔隙率n=30%最小，細(xì)粒含量P為30%，與一般概念相一致。由于4號(hào)土由7.4 mm的粒徑區(qū)分為粗、細(xì)兩部分后，粗粒的粒徑 D15與細(xì)料粒徑 d85的比值 D15/d85=3.4，小于4，這一數(shù)值表明細(xì)顆粒的最大粒徑已經(jīng)大于粗粒形成的孔隙直徑，即使細(xì)粒含量未達(dá)填滿粗?？紫兜某潭?，但粗粒孔隙已有被細(xì)粒撐開的可能性，使混合料中的粗?？紫洞笥谠紶顟B(tài)，故最優(yōu)組合狀態(tài)時(shí)細(xì)粒含量達(dá)30%，稍大于不連續(xù)級(jí)配的寬級(jí)配土25%的試驗(yàn)結(jié)果。

表4 級(jí)配連續(xù)寬級(jí)配土的粗細(xì)粒區(qū)分粒徑Table 4 Specification particle of coarse grain and fine particle of continuous grading gravelly soils

文中D15表示粗粒組成中小于該粒徑的土重占粗粒總土重的 15%；d85表示細(xì)粒組成中小于該粒徑的土重占細(xì)?？偼林氐?5%。

無(wú)需再引用其他資料，由上述兩組資料就可表明，對(duì)寬級(jí)配的土，可以將其分解為粗、細(xì)兩個(gè)部分，分別研究粗、細(xì)粒的基本性質(zhì)，然后可以以細(xì)粒含量的多少判別混合料的基本性質(zhì)。粗、細(xì)粒區(qū)分粒徑的區(qū)分原則是，對(duì)于級(jí)配不連續(xù)缺乏中間粒徑的寬級(jí)配土，以缺少的粒徑為粗、細(xì)粒的區(qū)分粒徑，對(duì)級(jí)配連續(xù)的寬級(jí)配土，應(yīng)以幾何平均粒徑為區(qū)分粒徑，幾何平均粒徑中采用的特征粒徑分別為d70和d10，即區(qū)分粒徑 dq=，d70表示混合料中土重小于總土重70%的土顆粒的最大粒徑，d10表示混合料中土重占總土重10%的土顆粒的最大粒徑。

表5給出了圖1中的6條顆粒分析曲線的粗、細(xì)含量的區(qū)分粒徑 dq，表明對(duì)同一種土，采用不同的區(qū)分粒徑，求得的細(xì)粒含量是不相同的。

表5 試驗(yàn)土料粗粒和細(xì)粒之間的區(qū)分粒徑與細(xì)粒含量Table 5 Specification particles of coarse grain and fine particle of test materials

5.3 細(xì)粒填滿粗?？紫扼w積時(shí)的最優(yōu)細(xì)粒含量

細(xì)粒填滿粗料孔隙后，粗、細(xì)粒將共同組成一個(gè)內(nèi)部協(xié)調(diào)的建筑材料，既有高的強(qiáng)度和低的壓縮性，又有好的防滲性能和高的抗?jié)B強(qiáng)度，這種情況下的細(xì)粒含量將稱為最優(yōu)細(xì)粒含量。以它為準(zhǔn)則，可以判別土的滲透穩(wěn)定性。如果混合料中的細(xì)粒含量小于最優(yōu)細(xì)粒含量，這種土將是管涌型土，細(xì)料含量大于最優(yōu)含量時(shí)，滲透破壞型式將是流土型。找到一簇寬級(jí)配土中某一種土的細(xì)料含量為最優(yōu)細(xì)粒含量，對(duì)進(jìn)一步分析這簇寬級(jí)配礫石土的滲透變形特性將會(huì)具有重要意義，

在分析最優(yōu)細(xì)粒含量時(shí)，可以認(rèn)為最優(yōu)級(jí)配的混合料中粗粒是土體骨架，細(xì)粒只是起填充粗料孔隙的作用，不改變粗粒本身的孔隙體積，而混合體的孔隙體積歸屬于細(xì)粒的孔隙體積，于是可求得確定細(xì)粒剛剛填滿粗?？紫?，即開始參與骨架作用時(shí)的細(xì)粒含量的理論計(jì)算公式[6]:

式中:Pop為理想狀態(tài)最優(yōu)細(xì)粒含量（%）；ρd1為細(xì)粒干密度（g/cm3）；n1為單位土體細(xì)粒的孔隙體積；n2為單位土體粗粒的孔隙體積；ρs1為細(xì)粒土土粒密度（g/cm3）；ρs2為粗粒土土粒密度（g/cm3）。

對(duì)同一類土而言，可以認(rèn)為

式中:ρs為混合土體土粒密度（g/cm3）。

式（1）的物理概念可用圖3表示。圖3表示某一單位土體中混合料、粗粒、細(xì)粒及孔隙率等各類體積之間的關(guān)系，其中孔隙體積以孔隙率來(lái)表示。圖 3(a)表示單位體積的混合料中，混合料的孔隙體積n與粗粒中孔隙體積n2，以及混合料中全部顆粒的顆粒體積（n-1）三者之間的關(guān)系。圖中同時(shí)表明，粗粒的孔隙體積包括有細(xì)粒的顆粒體積和混合體的孔隙體積兩個(gè)部分。圖3(b)進(jìn)一步表述了粗粒孔隙體積n2中細(xì)粒的顆粒體積與細(xì)?？紫扼w積n1之間的關(guān)系，在此將混合料的孔隙體積n同時(shí)視為細(xì)粒的孔隙體積，并以n1來(lái)表示:

式中:n為粗、細(xì)混合料單位土體的孔隙體積。將式（2）～（4）代入式（1）可得

圖3 最優(yōu)級(jí)配時(shí)混合料中粗粒和細(xì)?？紫扼w積之間的關(guān)系Fig.3 Variations of void volume of coarse grain and fine particle of mixture material

式（5）是考慮細(xì)粒剛剛填滿粗?？紫稌r(shí)，混合料中細(xì)粒含量的理論計(jì)算式，亦即細(xì)粒在充填粗?？紫兜倪^(guò)程中，粗粒孔隙剛剛被填滿，但粗粒的孔隙體積卻沒(méi)有發(fā)生任何變化的理想情況。

一些試驗(yàn)資料表明，當(dāng)細(xì)粒和粗粒摻合后，盡管細(xì)粒的數(shù)量剛能填滿粗粒的孔隙，但總會(huì)有少量的細(xì)粒摻雜于粗粒顆粒之間，使粗粒的實(shí)際孔隙n2大于單獨(dú)存在時(shí)的孔隙體積。進(jìn)一步分析一些混合料的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知，由于粗粒原始孔隙的增大而增加的細(xì)料含量p＇與粗粒的D15和細(xì)粒的d85的比值大小有直接關(guān)系，即

此時(shí)，粗粒實(shí)際的孔隙率為

于是式（5）可寫為

式中:nc為粗粒單獨(dú)存在時(shí)的孔隙率，決定于粗粒的不均勻系數(shù)，可寫為[8]

式中:n0為土體由均勻顆粒組成、不均勻系數(shù)Cu=1時(shí)的孔隙率，變化于0.26～0.48之間，平均值0.37，瀑布溝土料按區(qū)分粒徑將其分為粗、細(xì)兩個(gè)部分后，粗粒的粒徑組成繪于圖 4。由圖可知，粗、細(xì)粒之間的區(qū)分粒徑分別為0.17、0.35、0.71 mm。從圖4可知，瀑布溝土料粗粒的不均勻系數(shù)變化于7～17之間，取小值10，則粗粒的孔隙率為

圖4 瀑布溝土料P1、P2和P3中粗粒的顆粒組成Fig.4 Granular composition of coarse grain materials in Pubugou project

則式（8）可寫為

5.4 滲透變形類型分析方法

已知一簇礫石土的顆粒組成曲線，根據(jù)式（11）求得該簇礫石土的最優(yōu)細(xì)粒含量后，就可以此最優(yōu)細(xì)料含量判明該簇寬級(jí)配礫石土的滲透穩(wěn)定性。可以肯定，當(dāng)細(xì)顆含量剛剛填滿粗?？紫扼w積時(shí)，二者的關(guān)系并不可能立即處于相互緊密結(jié)合狀態(tài)，因此，滲透破壞也不可能由管涌型立即轉(zhuǎn)變?yōu)檎w滲透破壞。要出現(xiàn)整體滲透破壞，仍然存在一個(gè)過(guò)渡階段，因而滲透變形型式必然會(huì)隨細(xì)粒含量的由少增多存在管涌、過(guò)渡型和流土3種形式，為此將最優(yōu)細(xì)粒含量判別滲透變形型式的準(zhǔn)則進(jìn)一步分為以下3種類型。

礫石土的滲透破壞特征可根據(jù)最優(yōu)細(xì)粒含量按下式確定:

對(duì)依斯托美娜及瀑布溝礫石土的滲透穩(wěn)定特性按式（11）、（12）計(jì)算分析結(jié)果列于表6。

表6 滲透變形試驗(yàn)結(jié)果分析Table 6 Experiment results of seepage stability experiment

由表6可知，按式（11）計(jì)算結(jié)果，幾種土的最優(yōu)細(xì)粒含量變化于24%～28%之間，與缺乏中間粒徑砂礫石的試驗(yàn)結(jié)果相一致。表6中同時(shí)給出了滲透穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果，比較計(jì)算分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果二者基本相一致。表明用式（11）、（12）分析寬級(jí)配土的滲透變形特性有一定的可靠性。

6 結(jié) 論

（1）瀑布溝黑馬I區(qū)土料就滲透穩(wěn)定性而言，最粗土料的臨界水力比降達(dá)2以上，破壞型式為過(guò)渡型，最細(xì)的土料臨界水力比降達(dá)10以上，破壞型式為流土型，都是較好的防滲土料。

（2）從瀑布溝礫石土試驗(yàn)結(jié)果表明，礫石土只要小于5 mm的顆粒含量大于35%，小于1 mm的顆粒含量大于18%，就可初步判定土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，在無(wú)反濾保護(hù)下破壞水力比降大于3，在合適的反濾層保護(hù)下完全可以滿足高壩防滲體的要求。小于0.005 mm的顆粒含量不一定要求大于10%。瀑布溝大壩心墻礫石土料現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢情況，小于0.005 mm的顆粒含量平均值為5%，實(shí)踐證明是可行的。

（3）礫石土的滲透穩(wěn)定性可用最優(yōu)細(xì)粒含量法進(jìn)行判定，最優(yōu)細(xì)粒含量可用式（11）計(jì)算，滲透穩(wěn)定性的評(píng)定準(zhǔn)則，管涌型 P≤0.9Pop，流土型P＞1.1Pop，過(guò)渡型 P =0.9Pop～1.1Pop。

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