李德寶，孫昌雨

(溫州宏源建設(shè)集團有限公司，浙江 溫州 325000)

水利工程中巖土體滲透特征以及力學(xué)水平[1-2]，均為工程設(shè)計關(guān)注重點，探討巖土體滲透力學(xué)行為，有助于拓展水工設(shè)計參考成果，提升水工設(shè)計水平。研究巖土體滲透力學(xué)特征，有多類型方法，李澤闖等[3]、沈筠等[4]采用顆粒流仿真方法，從微觀角度評價了土體力學(xué)影響變化特征，引入了土體各種類型微觀參數(shù)，揭示了土體顆粒骨架微觀破壞特征，為土體宏觀力學(xué)水平研究提供參照。李麗華等[5]、李東旭[6]采用室內(nèi)力學(xué)試驗方法，開展了三軸土體剪切試驗，并設(shè)計了不同影響因素分析，如圍壓、工程環(huán)境等，為工程設(shè)計直接性提供試驗成果。針對土體滲透特征，楊黨校等[7]、李佳敏[8]從穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)法以及達(dá)西定律等不同角度入手，開展了土體的滲透試驗，研究了加載前、加載中、加載后等不同階段的土體滲透特性，有助于系統(tǒng)性評價土體滲透特征。本文為研究戍浦江堤防砂土經(jīng)注漿改良下滲透力學(xué)特性，設(shè)計了三軸與變水頭滲透試驗，基于試驗結(jié)果開展了注漿設(shè)計、含水量因素對砂土滲透力學(xué)特征影響，為堤防工程砂土改良治理提供參考。

1 工程概況

戍浦江為浙南地區(qū)重要地表供水通道，上游長度15 km稱之為龍溪，該支流為甌江水系輻射浙南的重要體現(xiàn)，全干流長度超過43 km，年均流量為1250萬m3，控制流域面積超過156 km2，全干流上建設(shè)有澤雅水庫、楊坑節(jié)制閘等重要水工設(shè)施，作為對水資源利用的控制樞紐，全干流坡降約為3.86‰。目前戍浦江沿線支流中，水資源較豐富，流量較大，特別是在夏季臺風(fēng)天氣，常出現(xiàn)河道水位暴漲，引起沿線干流堤防較大防洪壓力。從河道沿線水工設(shè)施監(jiān)測得知，澤雅水庫正常運營期最大庫容為5578萬m3，蓄水位108.6 m，受上游泄流蓄水影響，庫容年超標(biāo)天數(shù)超過25.5%。豐水期工況下，壩體內(nèi)滲透坡降會出現(xiàn)波動，整體防滲體系，如面板、L型墻等，均處于安全運行，但溢洪道、引水隧洞等水工建筑，受較大泄流或蓄洪影響，常出現(xiàn)局部非穩(wěn)定滲流場分布，水頭線、流場受擾動影響顯著，2021年夏季流域內(nèi)特大洪水時期，在溢洪道下游監(jiān)測到流速最大可達(dá)2.5 m/s，流速波幅超過38.5%。結(jié)合水文資料得知，戍浦江下游分布有1667 hm2農(nóng)田，平均每年被淹面積超過800 hm2，受淹時間甚至達(dá)4～5 d，淹沒深度超過1 m，流域內(nèi)所轄泵、閘等水工建筑受損程度超過70%，河道安全性受很大挑戰(zhàn)。究其根本原因，筆者認(rèn)為，戍浦江沿線河道設(shè)防等級過低，以及部分河道堤防存在砂土沉陷、滲漏等現(xiàn)象，且無法滿足Ⅳ級防洪標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致河道上、下游泄流、防洪全面失控。為此，工程部門基于戍浦江沿線30 km病險段以及澤雅水庫等水工設(shè)施踏勘調(diào)研，認(rèn)為首要應(yīng)提升堤防工程防滲能力及其安全穩(wěn)定性，確保堤防行可靠性。根據(jù)目前戍浦江堤防現(xiàn)狀，堤防砂土滲透特性乃是不可回避的問題，必須探討解決方法，提升其滲透力學(xué)特性。

2 試驗方法

為研究戍浦江堤防工程砂土滲透力學(xué)特征，據(jù)調(diào)查，戍浦江堤防全段內(nèi)，砂土層占比超過75%，而堤防防滲能力與之具有緊密關(guān)聯(lián)性。為此，采用三軸土體試驗儀與變水頭滲透測試裝置，開展砂土試樣滲透力學(xué)試驗研究。該試驗儀器具有自動化數(shù)據(jù)調(diào)整功能，可對誤差超過一定許可的抹零處理，設(shè)備最大軸荷可達(dá)120 kN。與儀器設(shè)備相匹配的是，含有智能式加載控制程序，可實現(xiàn)試樣加載全過程可視化、實時化以及精確化控制，包括有LVDT、軸向儀器位移等，均與該程序綁定控制，試驗所采用LVDT設(shè)備量程為-20～20 mm，儀器位移可作為設(shè)備自我保護限值。變水頭滲透測試裝置如圖1所示，采用滲透儀與變水頭管控制進水壓力，水頭差的形成來自高低供水箱，以進水管夾作為水頭節(jié)制裝置，該設(shè)備滲透測試靈敏性可達(dá)1.0×10-6cm/s，通過滲透測試，可獲得各管路上水頭值、流量值等，進入計算獲得試樣滲透特性。

圖1 滲透測試裝置

從戍浦江堤防工程取樣獲得的砂土試樣，經(jīng)實驗室勘測表明，該批砂土試樣物理力學(xué)參數(shù)較為接近，中值粒徑為0.8 mm，顆粒細(xì)度模數(shù)為3.2，含水量分布為16%～28%，密度為1.26 g/cm3，孔隙分布差異性較小，雜質(zhì)含量較低，僅為3%～5%。在室內(nèi)經(jīng)土工制樣，獲得了砂土試樣，所制備的試樣直徑、高度分別為38 mm、76 mm，所有制備后試樣須在恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護24 h，方可進行滲透力學(xué)試驗。

試驗研究不僅需要探討原狀砂土滲透力學(xué)特征，同樣對砂土提高防滲能力的關(guān)注也較為重要。因此，筆者計劃采用高聚物注漿方式，加強砂土試樣顆粒骨架的完整性與整體性，使之防滲能力提高。從已有注漿固結(jié)經(jīng)驗考慮[9]，注漿物以高聚物為主，多采用空壓機注漿系統(tǒng)開展注漿，注漿時間控制在20 s，注射位置位于兩端頭，注漿壓力按照試驗優(yōu)化原則，設(shè)定有0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa四種。試驗中另設(shè)定有不同含水量組試樣，分別為16%、19%、22%、25%、28%，試驗圍壓為200～400 kPa，梯次為100 kPa，試驗方案設(shè)計如表1所示。從戍浦江堤防砂土滲透力學(xué)試驗入手，評價高聚物注漿設(shè)計對其改良效果。

表1 試驗設(shè)計方案

3 堤防砂土力學(xué)特征

3.1 注漿壓力的影響

基于砂土試樣力學(xué)試驗，獲得了注漿設(shè)計下砂土力學(xué)特征，如圖2。依據(jù)圖中力學(xué)特征可知，在同一圍壓下，注漿壓力愈大，試樣承載應(yīng)力愈高，在圍壓200 kPa時，應(yīng)變2%下注漿壓力0.05 MPa試樣加載應(yīng)力為138.70 kPa，而在同圍壓同變形程度下注漿壓力0.10 MPa、0.20 MPa試樣加載應(yīng)力較之前者分別提高了21.1%、74.9%。從試樣峰值應(yīng)力參數(shù)對比來看，在圍壓200 kPa下，注漿壓力0.05 MPa試樣為192.70 kPa，而注漿壓力0.10 MPa、0.15 MPa試樣峰值應(yīng)力較之前者分別增大了21.1%、45.5%，當(dāng)注漿壓力每增大0.05 MPa，則試樣峰值應(yīng)力平均可提高20.5%，相比之下，各試樣間峰值應(yīng)力增幅基本接近，如注漿壓力0.15～0.20 MPa試樣間，為21.1%，與平均增幅也接近。由此可知，不同注漿壓力下，試樣增幅具有一致性，且作用程度較為均衡。當(dāng)圍壓增大至400 kPa時，注漿壓力0.10 MPa試樣峰值應(yīng)力為403.5 kPa，較之圍壓100 kPa下增大了72.9%，而其他三個注漿壓力下試樣峰值應(yīng)力較之圍壓200 kPa分別提高了41.7%～165.2%，圍壓效應(yīng)可耦合注漿固結(jié)作用，進一步提高砂土試樣承載能力。在圍壓400 kPa下，當(dāng)注漿壓力每提高0.05 MPa，其峰值應(yīng)力平均增長了48.5%，該增幅較之圍壓200 kPa下有所提高，表明圍壓效應(yīng)有助于促進高聚物在試樣內(nèi)部擴散、固結(jié)。

圖2 注漿壓力影響下試樣應(yīng)力應(yīng)變特征

對比應(yīng)變特征可知，不論是圍壓200 kPa或是400 kPa下，試樣應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展趨勢基本一致，圍壓200 kPa下具有應(yīng)變脆性，而圍壓400 kPa下具有硬化特點，這在同一圍壓下各注漿壓力試樣中均是如此，表明注漿壓力不會改變砂土試樣應(yīng)變破壞特征。在圍壓200 kPa、400 kPa下，兩組試樣峰值應(yīng)變穩(wěn)定在4.1%、6.1%，彈性模量隨注漿壓力變化特征與峰值應(yīng)力影響類似。綜合注漿壓力對砂土試樣力學(xué)影響，注漿壓力的選取可盡量靠近注漿儀最大限值，此可增大高聚物在試樣內(nèi)部的擴散[10]，進一步激發(fā)試樣骨架完整體承載性。

3.2 含水量的影響

同理，基于不同含水量組試樣力學(xué)試驗，獲得了含水量對注漿固結(jié)改良后試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，該組試樣注漿壓力均為0.15 MPa，如圖3所示。從圖中可看出，同一圍壓下不同含水量試樣應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展特征具有差異性：在含水量不超過22%時，試樣具有應(yīng)變軟化、應(yīng)力跌落現(xiàn)象，而含水量為25%、28%下試樣具有持續(xù)性應(yīng)變塑性特征，應(yīng)力下降不明顯。從顆粒結(jié)構(gòu)微觀角度考慮，在含水量達(dá)到一定程度時，有限的注漿壓力無法完全使內(nèi)部水分、孔隙填充，在逐步遞增的軸荷下，試樣骨架會逐步硬化，會呈現(xiàn)長期的高應(yīng)力、高應(yīng)變發(fā)展段。總體上看，含水量愈大，試樣承載應(yīng)力愈低，圍壓200 kPa下，同為應(yīng)變1.5%時含水量16%、19%試樣應(yīng)力分別為191.20 kPa、132.60 kPa，而含水量25%、28%試樣在該變形下應(yīng)力較之16%試樣分別減少了68.6%、73.8%。同樣也可以峰值應(yīng)力參數(shù)作為宏觀對比，在圍壓300 kPa下，含水量16%、19%試樣分別為484.3 kPa、373.7 kPa，而隨含水量每遞增3%，則其峰值應(yīng)力平均減少了25.1%；而圍壓為200 kPa下，試樣峰值應(yīng)力受含水量影響平均降幅為32.2%。分析可知，圍壓愈大，含水量對砂土試樣承載應(yīng)力的削弱總用有所減小，圍壓效應(yīng)不僅可促進承載應(yīng)力水平，也可控制含水量在砂土試樣中的承載穩(wěn)定性[11]。

圖3 含水量影響下試樣應(yīng)力應(yīng)變特征

從應(yīng)變特征對比來看，含水量25%、28%試樣均具有長期塑性應(yīng)變段，圍壓200 kPa下峰值應(yīng)變分別為5.7%、9.6%，而含水量不超過22%時，峰值應(yīng)變隨含水量增大而增大。從堤防工程防滲考慮，避免砂土含水量過高，影響砂土承載能力，且注漿固結(jié)時應(yīng)避免砂土含水量超過25%。

4 堤防砂土滲透特性

基于變水頭滲透測試，獲得了不同注漿壓力、含水量下砂土試樣滲透系數(shù)影響變化特征，如圖4所示。由圖中試樣滲透系數(shù)變化可知，注漿壓力與砂土試樣滲透系數(shù)為負(fù)相關(guān)，而含水量與之為正相關(guān)關(guān)系。在圖4(a)中，不論含水量為何值，試樣滲透系數(shù)隨注漿壓力均為穩(wěn)定遞減特征，在含水量25%試驗組中，注漿壓力0.05 MPa試樣滲透系數(shù)為6.2×10-5cm/s，而隨注漿壓力每遞增0.05 MPa，其滲透系數(shù)平均減少了15.5%，而在含水量28%、19%試驗組中，砂土隨注漿壓力分別平均減少了19.6%、7.5%，即含水量增大，砂土滲透系數(shù)受注漿壓力影響敏感性愈大。

圖4 試樣滲透系數(shù)影響變化特征

相比之下，在圖4(b)滲透系數(shù)與含水量關(guān)系中，滲透系數(shù)隨含水量變化具有“兩段”性，當(dāng)含水量不超過22%時，滲透系數(shù)隨含水量變化幅度較低，平均增幅為7.3%，而在含水量超過22%后，滲透系數(shù)增長了39.5%，達(dá)5.72×10-5cm/s。從滲透試驗結(jié)果可知，砂土含水量超過22%后，其滲透系數(shù)發(fā)展趨勢處于不可控狀態(tài)，工程土體改良時應(yīng)尤為注意。

5 結(jié) 論

(1)注漿壓力愈大，砂土承載應(yīng)力愈高，當(dāng)注漿壓力每增大0.05 MPa，圍壓200 kPa、400 kPa下試樣峰值應(yīng)力平均可提高20.5%、48.5%，圍壓效應(yīng)對高聚物注漿液的擴散有促進作用；注漿壓力不改變試樣應(yīng)變趨勢特征，圍壓200 kPa、400 kPa下分別具有應(yīng)變脆性與應(yīng)變硬化特征。

(2)含水量愈高，砂土承載應(yīng)力愈低，且圍壓效應(yīng)可減弱含水量對承載應(yīng)力的負(fù)面影響；含水量不超過22%時，試樣具有應(yīng)變軟化特征，峰值應(yīng)變隨含水量為遞增，而含水量25%、28%時應(yīng)變具有長期塑性特征。

(3)滲透系數(shù)與注漿壓力為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與含水量為正相關(guān)特征，含水量增大，砂土滲透系數(shù)受注漿壓力影響敏感性愈大；含水量在不超過22%時，滲透系數(shù)隨含水量增幅較低，但含水量超過22%后，滲透系數(shù)增長處于不可控。