張曉飛， 陳新煒， 嚴(yán) 濤， 張文偉， 李守義

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 河南 鄭州 450003)

1 研究背景

隨著國內(nèi)外土石壩工程建設(shè)的發(fā)展，用于心墻土料的土質(zhì)選用范圍不斷擴(kuò)大，許多工程開始采用分散性土作為土石壩的心墻土料[1-2]。分散性土遇低含鹽量的滲流水時(shí)，土粒會(huì)分散流失，易產(chǎn)生管涌破壞[3-4]。采用分散性土作土石壩的防滲心墻土料時(shí)，蓄水初期心墻防滲體會(huì)發(fā)生沖蝕破壞，給土石壩帶來嚴(yán)重危害[5-7]。因此對(duì)分散性土作為土石壩心墻土料時(shí)的壩體抗?jié)B性能進(jìn)行研究很有必要，但國內(nèi)在土壤的滲透性研究方面多以黃土、粉土和黏土為主，而對(duì)分散性土的滲透性研究較少。魏誠寅[8]和焦浩然[9]研究了粉土和黏土的滲透性受孔隙比、黏粒含量等土體基本性質(zhì)的影響規(guī)律。楊德歡等[10]通過研究不同孔隙鹽溶液對(duì)黏土滲透性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)孔隙鹽濃度會(huì)顯著影響?zhàn)ね恋臐B透性，但其受干密度制約。蘇杰[11]研究了不同寬度和不同深度裂縫對(duì)黃土滲透性的影響，得出同一埋深黃土的滲透性隨裂縫寬度的增大而增大，且同一裂縫寬度下裂縫越靠近地表，其對(duì)黃土滲透性的影響越大的結(jié)論。Vakili等[12]和蒲泉等[13]研究了分散性土的滲透性，總結(jié)了土體的分散程度、孔隙度、黏度等因素對(duì)土樣滲透系數(shù)的影響，認(rèn)為分散性土較差的滲透性可滿足防滲心墻材料的要求。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土和黏土等裂縫自愈特性的研究成果較多，但對(duì)分散性土的自愈特性研究較少。Mohammadi等[14]研究了納米蒙脫石添加劑對(duì)黏土自我修復(fù)過程的影響，結(jié)果顯示，加入添加劑后的土壤物理力學(xué)性能發(fā)生了明顯的變化，如塑性指數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度增大，從而提高了黏土的自愈性。Roushangar等[15-17]進(jìn)行了土壩中黏土的自愈現(xiàn)象及其影響因素的試驗(yàn)，通過摻入膨潤土來研究黏土裂縫的自愈性和滲漏率，得出結(jié)論：膨潤土可以增強(qiáng)黏土的自愈能力；黏土抗?jié)B性受含水量、壓實(shí)度和構(gòu)成礦物的影響；在一定范圍內(nèi)增大黏土塑性指數(shù)可以增加其自愈能力。黨進(jìn)謙等[18]對(duì)某地區(qū)的分散性土進(jìn)行了室內(nèi)滲透變形和抗?jié)B特性研究，通過設(shè)置不同的裂縫寬度，探究其對(duì)分散性土裂縫自愈性的影響，得出了最利于裂縫自愈的厚度。

綜上所述，諸多學(xué)者對(duì)各種細(xì)粒土抗?jié)B性能的影響因素進(jìn)行了研究，但僅研究了裂縫寬度對(duì)裂縫自愈能力的影響，結(jié)論的普遍性有待進(jìn)一步探討，同時(shí)目前關(guān)于分散性土的各項(xiàng)基本性質(zhì)、分散性和反濾料顆粒級(jí)配對(duì)裂縫自愈性的影響也尚不明確。本文通過裂縫沖刷試驗(yàn)來模擬大壩內(nèi)部出現(xiàn)水平裂縫這一情況[19-20]，研究不同分散性和不同級(jí)配反濾料的保護(hù)作用對(duì)分散性土裂縫自愈性的影響，同時(shí)分析了土體基本性質(zhì)對(duì)裂縫自愈性的影響程度，可為土石壩工程心墻材料及反濾層的選擇提供依據(jù)。

2 分散性土樣及反濾料制備

2.1 分散性土樣制備及鑒定

為分析分散性對(duì)心墻土料裂縫自愈性的影響，本次研究選取來自某大壩工程項(xiàng)目區(qū)的非分散性土。取樣時(shí)，除去表層土，取土深度為1.0～2.5 m，為了保證土樣為原狀土，取土、包裝及運(yùn)輸?shù)热^程嚴(yán)格執(zhí)行《水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(NB/T 10235—2019)[21]和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[22]，通過向土樣中加入不同質(zhì)量的碳酸鈉鹽(Na2CO3)來配制不同程度的分散性土樣[23]。同時(shí)為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性和普遍性，以進(jìn)一步研究分散性土的裂縫自愈性，還選用了西安市某礦業(yè)天然分散性土礦樣，在土樣中添加不同質(zhì)量百分比的生石灰作為改良劑[24]，配制成不同程度改性的分散性土。兩組試驗(yàn)土樣的編號(hào)及配制方法見表1。

表1 兩組試驗(yàn)土樣的編號(hào)及配制方法

采用針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)[23-25]對(duì)表1中10種土樣的分散性進(jìn)行鑒別，各土樣分散性試驗(yàn)結(jié)果及綜合評(píng)判結(jié)論見表2。由表2可以看出，對(duì)于KY試樣以及CA-40、CA-20、CA-00試樣，3種試驗(yàn)方法的結(jié)果完全一致，而CA-06和CA-10試樣的試驗(yàn)結(jié)果有所不同，針對(duì)該種情況，目前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)多種分散性鑒定方法的結(jié)論不完全統(tǒng)一時(shí)，當(dāng)以針孔試驗(yàn)結(jié)果為主、以其他試驗(yàn)結(jié)果為參照，認(rèn)定該土樣為分散性[26]。根據(jù)該原則，鑒定CA-06試樣為過渡性土，CA-10試樣為分散性土。

表2 土樣的分散性試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)兩組試驗(yàn)土樣的塑性指數(shù)、黏粒含量、孔隙度(以核磁共振T2曲線積分總面積表示)、酸堿度和顆粒相對(duì)密度進(jìn)行了測定，測定結(jié)果見表3，圖1為各試樣的顆粒級(jí)配曲線。由表3及圖1可知，CA試樣的粒徑普遍大于KY試樣，且黏粒含量小于KY試樣，可認(rèn)為KY試樣的顆粒級(jí)配優(yōu)于CA試樣且防滲性能更好。

表3 各試驗(yàn)土樣的基本性質(zhì)測定結(jié)果

圖1 各試驗(yàn)土樣的顆粒級(jí)配曲線

2.2 反濾料制備

反濾料的配制按照《水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(NB/T 10235—2019)中的相關(guān)要求進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)[18]。根據(jù)試驗(yàn)方案，采用厚度為5 cm的單層反濾形式，反濾料和土工布布置在土樣后部，共同起到反濾和保護(hù)作用，試驗(yàn)所用土工布單位面積質(zhì)量為150 g/m2，滲透系數(shù)約為0.1～0.01 cm/s，縱向和橫向斷裂強(qiáng)力分別為5.1和5.2 kN/m。反濾料級(jí)配曲線見圖2。

圖2 試驗(yàn)反濾料級(jí)配曲線

由于KY和CA試樣的顆粒大小組成不同，因此反濾料的配制要求也有一定的區(qū)別。KY土樣反濾料中0.075 mm粒徑以下顆粒占比為40%～85%，對(duì)應(yīng)反濾層D15≤0.7 mm；CA土樣反濾料在0.075 mm以下的含量應(yīng)不低于85%，其反濾層D15≤9d85，當(dāng)9d85<0.2 mm 時(shí)，D15=0.2 mm。同時(shí)，為保證過流暢通，要求為D15≥4d15，且當(dāng)4d15小于0.1 mm時(shí)，D15≥0.1 mm。(上述符號(hào)中，D和d分別表示反濾料和土樣的粒徑，下標(biāo)數(shù)字表示過篩重量百分?jǐn)?shù))

3 土體內(nèi)裂縫沖刷試驗(yàn)

本試驗(yàn)設(shè)定的貫穿性裂縫寬度為2 mm。分別對(duì)表1中的10種土樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置為自制的內(nèi)徑為10 cm的裂縫沖刷儀，為確保清晰觀察土樣裂縫、反濾層等部位的變化情況，整個(gè)試驗(yàn)裝置選用透明加厚亞克力板材質(zhì)，配套加壓水頭裝置采用自制的可升降水箱。裂縫沖刷試驗(yàn)儀器示意圖見圖3。

圖3 裂縫沖刷試驗(yàn)儀器示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)時(shí)水平放置沖刷儀，前部為土樣，反濾層設(shè)在后部，土樣前設(shè)置緩沖層，在反濾層后放置土工布輔助反濾，并用透水板和壓蓋卵石在后側(cè)壓住土工布，保持一定的壓重，以防止在較大的水頭作用下反濾層發(fā)生位置偏移，該部分主要模擬大壩反濾料后側(cè)支撐土體。

土樣的最大干密度控制為1.72 g/cm3，含水率控制為18%。制樣時(shí)，先按要求將2 mm厚的成縫板安置在沖刷儀中，將土樣倒入成縫板兩側(cè)后，分層壓實(shí)至控制高度，然后在土樣后部放置預(yù)制好的反濾料，反濾料的干密度控制為設(shè)計(jì)反濾料平均線所對(duì)應(yīng)的密度。隨后抽出成縫板，蓋上透水板，為保證裂縫不受干擾，該過程需控制力度，保證接觸即可。然后在預(yù)制裂縫前和土工布后分別放置粒徑為5～10 mm的緩沖碎石和粒徑為20～25 mm的壓蓋卵石以起到緩沖水流和保護(hù)作用，最后安裝沖刷儀蓋板，在預(yù)制裂縫前端、裂縫末端、反濾料前部1 cm處及反濾層后安裝測壓管以實(shí)時(shí)監(jiān)測水頭變化情況并及時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

裝樣完成后開始逐級(jí)施加水頭，第1級(jí)水頭施加后持續(xù)不變，每隔10～20 min測記1次數(shù)據(jù)，直到出水口有滲水流出為止，然后升高到第2級(jí)水頭，試驗(yàn)過程中各級(jí)水頭持續(xù)時(shí)間約70 min。每級(jí)水頭穩(wěn)定后記錄測壓管水頭及出水量，計(jì)算土樣裂縫內(nèi)、反濾料的水力坡降和滲透流速，縫內(nèi)坡降由預(yù)制裂縫前、末端測壓管水頭差除以預(yù)制裂縫寬度(即50 mm)得到。當(dāng)水頭差超過土樣厚度的50～100倍時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 土體不同分散性對(duì)裂縫自愈性的影響

4.1.1 試驗(yàn)開始至出水口有滲水流出階段 試驗(yàn)開始至出水口有滲水流出階段不同分散性土樣預(yù)制裂縫內(nèi)坡降隨時(shí)間變化曲線見圖4。從圖4可以看出，開始階段預(yù)制裂縫形態(tài)良好，過流順利，預(yù)制裂縫內(nèi)的坡降趨近于0。隨著時(shí)間的推移，非分散性土樣的縫內(nèi)坡降開始迅速增大。這是由于水流的沖刷作用使裂縫表面較松散的土顆粒塌落，在反濾層的保護(hù)作用下，顆粒移動(dòng)速度減弱，淤積在裂縫內(nèi)致使縫隙逐漸縮小，縫內(nèi)坡降上升。對(duì)于分散性較高的土樣，縫內(nèi)坡降幾乎沒有明顯變化。這與土顆粒濕化特性相關(guān)，水頭較低時(shí)分散性土顆粒吸水性不強(qiáng)，裂縫表面土顆粒濕化崩解速率較慢，短時(shí)間內(nèi)散落在水中的顆粒較少，無法使裂縫有效愈合，縫內(nèi)坡降上升極為緩慢。

由以上分析可知，非分散性土和過渡性土中的土顆粒在短時(shí)間內(nèi)可將裂縫淤堵使其愈合，而分散性土出水時(shí)間相對(duì)較長，裂縫填充也相對(duì)較慢。同時(shí)對(duì)比KY和CA試樣中的分散性土樣試驗(yàn)結(jié)果，可知KY分散性土樣出水時(shí)間更長，這是由于KY土樣顆粒普遍較小，黏粒含量較多，對(duì)水流的阻礙作用相對(duì)較強(qiáng)，且土體自身滲透性質(zhì)較差，因此對(duì)出水時(shí)間有一定的影響。

4.1.2 出水口有滲水流出至試驗(yàn)結(jié)束階段 裂縫沖刷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4，由表4及試驗(yàn)現(xiàn)象觀察發(fā)現(xiàn)，KY和CA兩組試樣的4種坡降均隨著水頭的持續(xù)增加而逐漸增大，其中土體裂縫處承擔(dān)的坡降增長速率較快，說明試驗(yàn)過程中土體和反濾料均為坡降的主要承擔(dān)者，共同抵抗水頭作用，但隨著裂縫的愈合，坡降逐漸由土體裂縫處承擔(dān)。

試驗(yàn)過程中不同分散性土樣縫內(nèi)坡降隨累計(jì)時(shí)間的變化曲線見圖5。從圖5可以看出，在時(shí)間達(dá)到100 min后土樣縫內(nèi)滲透坡降顯著增加，KY-02、KY-03、KY-04試樣的最終縫內(nèi)坡降分別為26.27、28.08、31.42，均大于非分散性土樣KY-00的最終縫內(nèi)坡降21.32和過渡性土樣KY-01的最終縫內(nèi)坡降23.27，CA-10、CA-20、CA-40試樣的最終縫內(nèi)坡降分別為22.22、22.80、23.51，均大于非分散性土樣CA-00的縫內(nèi)坡降20.92和過渡性土樣CA-06的縫內(nèi)坡降21.26，且分散程度越大，則縫內(nèi)坡降也越大，坡降增長的趨勢也越明顯，說明在更長的時(shí)間內(nèi)，裂縫愈合情況更好。因此，分散性土相較于非分散性土而言，由于具有沖蝕和分散坍落兩種過程，聚集速度較快，在受到長時(shí)間沖刷時(shí)，土體中裂縫的自愈性更強(qiáng)。

試驗(yàn)過程中不同分散性土樣縫內(nèi)坡降與流速關(guān)系曲線見圖6。從圖6可以看出，隨著水頭的增大，非分散性土流速和縫內(nèi)坡降均增大，但滲透坡降增長過于緩慢，在流速較大時(shí)，承擔(dān)的水頭相比分散性大的土樣較小，裂縫愈合效果不如分散性土。相比之下，分散性土樣流速普遍較小，滲透坡降增長較多，說明在水流持續(xù)沖刷作用下，分散性土坍落量逐漸增大，裂縫內(nèi)淤堵明顯，自愈性表現(xiàn)良好。且土樣的分散性越強(qiáng)，則相同縫內(nèi)坡降時(shí)的流速越小，裂縫愈合情況越好。

4.2 土體基本性質(zhì)對(duì)裂縫自愈性的影響

根據(jù)裂縫自愈機(jī)理可知，分散性土的裂縫自愈性除受到分散程度的影響外，其內(nèi)部孔隙情況、細(xì)小顆粒的分布狀況及堿性程度等土體的基本性質(zhì)均會(huì)影響水流沖刷作用下顆粒的分散。根據(jù)表3測定的裂縫沖刷試驗(yàn)中10組土樣的孔隙度、酸堿度、塑性指數(shù)和黏粒含量等基本性質(zhì)的定量數(shù)值，結(jié)合土樣的最終縫內(nèi)坡降，可得到各土樣主要基本性質(zhì)對(duì)縫內(nèi)坡降的影響曲線，如圖7所示。

圖4 試驗(yàn)開始至出水口有滲水流出階段不同分散性土樣縫內(nèi)坡降隨時(shí)間變化曲線

表4 裂縫沖刷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5 試驗(yàn)過程中不同分散性土樣縫內(nèi)坡降隨累計(jì)時(shí)間變化曲線

圖6 試驗(yàn)過程中不同分散性土樣縫內(nèi)坡降與流速關(guān)系曲線對(duì)比

圖7 各土樣主要基本性質(zhì)對(duì)縫內(nèi)坡降的影響曲線

從圖7可以看出，KY和CA土樣的主要基本性質(zhì)對(duì)裂縫自愈性的影響具有基本相同的規(guī)律，裂縫自愈性均隨著塑性指數(shù)的上升、黏粒含量的增多、堿性的增強(qiáng)以及孔隙度的下降而增強(qiáng)。分析各曲線可知，土樣基本性質(zhì)與裂縫自愈指標(biāo)(縫內(nèi)坡降)之間僅存在定性關(guān)系，無法擬合出合適的函數(shù)關(guān)系式，這是由于裂縫沖刷過程非常復(fù)雜，期間存在大量的物理和化學(xué)反應(yīng)，各個(gè)因素相互制約，共同影響著裂縫的最終愈合情況。

根據(jù)圖7計(jì)算得到當(dāng)KY和CA土樣縫內(nèi)坡降變化(由最小值到最大值)相同時(shí)的各基本性質(zhì)定量數(shù)值的相對(duì)變化量，對(duì)其進(jìn)行百分化處理得到土樣各基本性質(zhì)對(duì)裂縫自愈性的影響強(qiáng)度，見圖8。

圖8 各土樣主要基本性質(zhì)對(duì)裂縫自愈性的影響強(qiáng)度

圖8中的影響強(qiáng)度所表示的是當(dāng)縫內(nèi)坡降變化相同時(shí)，土體各基本性質(zhì)定量數(shù)值的相對(duì)變化量，體現(xiàn)了土體不同基本性質(zhì)對(duì)裂縫自愈性的影響強(qiáng)度。從圖8可以看出，對(duì)于KY試樣，酸堿度變化幅度最小(0.097 5)，但造成的縫內(nèi)坡降變化很大，因此對(duì)裂縫內(nèi)的坡降影響最為顯著。其次依次為孔隙度(0.250 3)、塑性指數(shù)(0.286 8)及黏粒含量(0.365 4)等因素。對(duì)于CA試樣，參數(shù)變化時(shí)對(duì)縫內(nèi)坡降影響最為顯著的仍為酸堿度(0.146 1)，其次依次為孔隙度(0.259 4)、黏粒含量(0.264 1)和塑性指數(shù)(0.330 4)。因此，可認(rèn)為土顆粒酸堿度對(duì)裂縫自愈性的影響較大，而裂縫自愈性受其余土樣基本性質(zhì)影響的敏感程度較弱。

黏粒表面和邊緣有羥基和氧化鋁，由反應(yīng)式(1)、(2)可知，隨著pH值的升高，即氧化氫離子含量增加，顆粒有效負(fù)電荷越大。根據(jù)雙電層理論和DLVO理論[20]可知，隨著負(fù)電荷的增加，雙電層厚度增加[26]，顆粒間排斥力增加，從而使黏土顆粒更易分散。由雙電層理論可知，黏粒含量越高，則雙電層越厚，土的分散性越強(qiáng)，最終裂縫自愈效果越好。因此酸堿度等土的基本性質(zhì)能夠影響分散性土裂縫自愈特性。

SiOH→SiO-+H+

(1)

(2)

4.3 不同反濾料對(duì)裂縫自愈性的影響

選用土樣編號(hào)為KY-04的分散性土樣，在控制干密度分別為設(shè)計(jì)反濾料上包線、平均線和下包線的3種反濾料的保護(hù)下，進(jìn)行了裂縫沖刷試驗(yàn)，探究不同反濾料保護(hù)下分散性土的裂縫自愈特性。不同反濾料保護(hù)下分散性土樣縫內(nèi)坡降與流速關(guān)系曲線見圖9。

從圖9可以看出，在試驗(yàn)過程中，下包線反濾料保護(hù)的土樣滲透流速較大，且坡降主要由進(jìn)口1 cm范圍內(nèi)的反濾料承擔(dān)，縫內(nèi)坡降持續(xù)增長但可承擔(dān)的坡降相對(duì)較小，最終縫內(nèi)坡降僅為20.86。這是因?yàn)橄掳€反濾料顆粒較粗，反濾保護(hù)作用相對(duì)較差，對(duì)滲流幾乎無阻礙作用，水流經(jīng)過裂縫時(shí)沖蝕表層的土顆粒，由于流速較大，縫內(nèi)土顆粒隨水流沖向反濾料交界處，土顆粒由下游側(cè)向上游側(cè)堆積，逐漸形成了次生土體，但由于整個(gè)過程中反濾料受到水流沖刷影響較大，因此防滲作用一般。

圖9 不同反濾料保護(hù)下分散性土樣縫內(nèi)坡降與流速關(guān)系曲線

相較于下包線反濾料，在上包線及平均線反濾料保護(hù)時(shí)，最終可達(dá)到的縫內(nèi)坡降分別為29.80和29.43，試樣滲透流速相對(duì)較小，且在流速達(dá)到0.000 3 cm/s時(shí)流速逐漸減小，這說明在反濾料的保護(hù)作用下，分散性土顆粒在裂縫內(nèi)持續(xù)黏結(jié)，受到水流干擾較小，此時(shí)分散性土持續(xù)坍落，在裂縫處重新堆積粘連，預(yù)制裂縫開始自愈。

5 結(jié) 論

本文以KY和CA兩組不同分散程度的分散性土樣為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)研究了分散性、土體基本性質(zhì)和反濾料級(jí)配對(duì)分散性土裂縫自愈性的影響，得出以下結(jié)論：

(1)裂縫沖刷過程中，水頭由土體和反濾料共同承擔(dān)，土體縫內(nèi)坡降的增長明顯，說明在反濾料的保護(hù)下，土體部分的預(yù)留裂縫逐漸愈合，且土樣分散性越強(qiáng)，裂縫愈合情況越好。

(2)同種反濾料保護(hù)時(shí)，非分散性土和過渡性土早期裂縫愈合更快，但土樣縫內(nèi)坡降的增長速率逐漸變慢，可承擔(dān)的坡降上限較小。分散性土隨時(shí)間持續(xù)散落土顆粒，顆粒間重新黏結(jié)需要較長時(shí)間才能形成新的密實(shí)土體使裂縫愈合，但可承擔(dān)的坡降上限較高，裂縫最終愈合情況較好。

(3)土體的裂縫自愈性隨著塑性指數(shù)的上升、黏粒含量的增多、堿性的增強(qiáng)以及孔隙度的下降而增強(qiáng)。但土體基本性質(zhì)與裂縫自愈指標(biāo)(縫內(nèi)坡降)之間只存在定性關(guān)系。在KY和CA土樣的諸多基本性質(zhì)中，酸堿度對(duì)裂縫自愈性影響較為明顯，產(chǎn)生相同影響效果時(shí)的變化幅度占比僅分別為0.097 5和0.146 1。其余基本性質(zhì)對(duì)裂縫自愈性的影響相對(duì)較弱。

(4)相較于下包線反濾料，上包線和平均線反濾料保護(hù)試樣時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)時(shí)間的滲透流速相對(duì)較小，隨著反濾料由細(xì)變粗，試驗(yàn)可達(dá)到的最終縫內(nèi)坡降分別為29.80、29.43，說明反濾料的顆粒組成越細(xì)小，反濾層的輔助防滲效果越好，裂縫自愈性越強(qiáng)。