石 晓 旺
(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308)
1 概述
无黏性砾石土通常是指砾粒组质量百分数大于50%，且渗透系数大于i×10-4cm/s的粗粒土[1]。该类土具有强度高、变形小的优点，在河床覆盖层广泛分布，通常作为土石坝体的地基和填筑料。但是无黏性砾石土颗粒组成离散性大、粒间黏聚力小，这导致土体内细颗粒受到的约束程度较低，一定条件下很容易伴随水的渗流作用发生流失而出现管涌破坏。
由于无黏性砾石土属于无黏性土，因此认为有关无黏性土管涌的研究普遍适用于无黏性砾石土。关于无黏性土管涌的研究，主要集中于土体的几何条件和水力条件：1)所谓几何条件是指管涌型无黏性土所对应的颗粒组成特征及其结构。Istomina[2]根据土的不均匀系数区分无黏性土发生管涌或流土破坏；Loebotsjkov[3],Aberg[4]通过级配曲线将无黏性土区分为内部结构不稳定土和内部结构稳定土，认为不稳定的土将发生管涌破坏；刘杰[5]、蒋严[6]基于细料填充骨架孔隙的原理，提出了鉴别无黏性土发生管涌破坏的方法。2)水力条件是指发生管涌所需要的渗透力大小。吴良骥[7]、沙金煊[8]根据渗流过程中单个颗粒的极限平衡状态，提出了管涌的临界水力梯度公式；毛昶熙[9]在此基础上提出了土体内部各级颗粒发生管涌的水力梯度公式。
无黏性土管涌的研究虽已取得丰富成果，但却缺乏对管涌现象中土体内部细颗粒迁移过程的认识。为此，针对无黏性砾石土拟开展渗透变形试验，了解土体发生管涌现象的具体过程，分析内部细颗粒随渗流移动的规律及其影响。
2 无黏性砾石土渗透变形试验
2.1 试验土料
试验土料选自青海省景阳水库某取土场，表1列出了土料部分物理性质参数，图1为土料的平均颗粒级配曲线。可以看出：土料颗粒组成主要集中在0.075 mm～40 mm之间，其中小于2 mm颗粒累计质量分数为29.3%，小于0.075 mm细粒含量的2.3%，不均匀系数Cu=28.0，曲率系数Cc=2.3，属于级配良好砾[10]。土料的颗粒比重为2.64 g/cm3，采用振动法测得最大干密度为2.16 g/cm3。结合文献[5]对渗透破坏类型的预判方法，试验土料级配不连续，细料含量为17%，初步断定属于管涌型土。
表1 土料物理性质参数
2.2 试验仪器及方法
如图2所示，试验仪器采用φ300 mm×h600 mm的垂直渗透变形仪，针对土样粒径d85=10.5 mm，可知仪器直径φ大于试样粒径d85的5倍，符合规范[10]的要求。仪器底部设有透水板，边壁有两根间距为10 cm的测压管用于测定试验过程中试样受到的水力梯度。渗流方向自下而上，供水装置为高度可调的供水箱。
试样填装前在仪器边壁均匀涂抹一层约5 mm的凡士林以防止试验过程中出现边壁渗漏，试样分3层填筑以保证整体均匀性，压实系数控制为0.90。采用滴水饱和法饱和试样，按文献[7]估算试样的临界水力梯度。
试验时每级水头稳定30 min后开始测读测压管水位、渗流量和水温，共测读3次，每次间隔10 min；开始试验时水头的递增值可以逐步增大，待水头接近临界水力梯度估算值时减小递增值，以便准确找出试样的临界水力坡降；试验中仔细观察试样表面情况，当出现测压管水头不能再继续增加时，停止试验。
2.3 试验结果
表2列出了试验过程中渗流参数的测试数据，图3为试验过程中的lgi—lgv曲线，图4为试验中渗透系数k与水力梯度i的关系曲线。通过渗透变形试验发现，试样在试验水头较低时表面无明显细颗粒跳动或水浑现象，流速v与水力梯度i也服从达西定律。当水力梯度i=0.79时，开始出现明显颗粒跳动现象，渗透系数出现增大的趋势；随着水头继续增加，土体中的细颗粒不断被带出，出现浑水现象，但是渗流量却并没有提高，反而出现减小的趋势，该种情况持续直至i=2.52时，上测压管读数明显增大，渗流一段时间后试样表面出现剧烈涌砂，渗流水完全浑浊，渗流量显著增大，测压管水头下降，试样无法承受更高水头发生渗透破坏。结合粗粒土渗透变形试验规程[10]可以断定：试样的临界水力坡降ik=0.79，破坏坡降iF=2.52，渗透破坏类型为管涌破坏。
表2 渗透变形试验测试数据
试验完毕后，参照图5采用洗筛法分别对位于仪器上、中、下三个部位的试样A，B，C进行了颗粒筛分试验，试验结果如表3所示。从表3中对比分析发现，小于0.25 mm颗粒含量有明显变化规律，定义该范围颗粒作为试样管涌过程中的自由颗粒。与试样初始级配相比，位于仪器上部的A试样自由颗粒含量增加11.0%，仪器下部的C试样自由颗粒减小了6.6%，而中部的B试样仅减小3.5%，试样B，C颗粒减小量等于试样A增加量。自由颗粒含量自下而上逐渐呈现先减小后增大的趋势，在仪器下部试样含量减小，中部过渡区域含量变化不明显，上部自由颗粒含量增加。
3 管涌过程中细颗粒迁移分析
表3 各部位试样颗粒组成
结合试验现象和表3中试验结果分析可知，管涌破坏开始于渗流出口结构薄弱处，此时渗流量增加，渗透系数增大[5]。同时，试样内部自由颗粒伴随渗流方向发生流失，有不断被带出土体外的趋势。由于土中孔隙渗流通道狭窄且不规则，随渗流带出的自由颗粒很容易在试样上部渗流出口附近的孔道中形成“颗粒拱”而发生淤堵[11]。实际情况为试样下部部分颗粒因渗透力大于颗粒浮重发生流失，导致小于0.25 mm的自由颗粒含量减少；中部试样自身既要发生颗粒流失，又要接受来自下部的自由颗粒，故自由颗粒变化量不大；中、下部流失的颗粒主要集聚在试样上部渗流出口附近，因而上部试样自由颗粒含量增加，且增加量等于流失量。整个具体流程示意如图6所示。
试样水力坡降在大于临界值之后一段范围内渗透系数变化趋势减缓主要就是由于淤堵颗粒阻塞渗流孔隙通道形成反滤层[12]，进一步导致试样内部渗流带出的自由颗粒在此处发生堆积。所形成的淤堵反滤层渗透系数小、渗流速度慢，试样宏观上渗透性降低，并且附近的静水压力逐渐增大，出现上测压管水头上升现象。只有继续增大水头达到淤堵颗粒结构的极限值以破坏淤堵颗粒的结构，形成较大的渗流孔隙通道，聚集在试样上部的自由颗粒才会被全部带出土体之外，进而形成涌砂现象，试样最终发生渗透破坏。因此，水力梯度达到管涌临界值时，试样并不会出现连续的细颗粒流失而发生渗透破坏，淤积在渗透出口附近的自由颗粒会产生一定的抗渗强度以阻止试样内部形成连通的渗透孔隙通道，试样仍能承受一定水头。试样最终的破坏坡降对应了淤堵颗粒结构的破坏。
综上所述，无黏性砾石土出现管涌现象后，土体内部自由颗粒不断发生移动，且在渗流出口处大量累积，宏观上造成了渗透系数减小、渗透破坏趋势减缓、抗渗强度增大的现象。然而一旦承受的水头破坏了孔隙通道中自由颗粒的淤堵结构，土体将失去抗渗强度发生最终的渗透破坏。
4 结语
对青海省景阳水库某无黏性砾石土开展了渗透变形试验，观察了试验过程中的现象，对试验后不同部位的试样进行了颗粒分析，取得如下结论：
1)试验所用无黏性砾石土试样的渗透破坏为管涌，发生管涌现象时的临界水力坡降ik=0.79，试样彻底失去抗渗强度的破坏坡降iF=2.52。
2)试样在达到临界水力坡降后渗透系数有逐渐减小的趋势，试样仍能承受一定水头直至达到破坏时才出现渗流量显著增加、渗透系数增大的现象。
3)无黏性砾石土出现管涌现象后，土体内部发生明显的颗粒流失，所流失颗粒主要淤积在渗流出口附近堵塞孔隙通道，造成渗透系数减小、抗渗强度增大；只有增大水头破坏淤堵结构，土体才发生最终渗透破坏。
参考文献:
[1] 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州:黄河水利出版社,1998.
[2] Istomina V S.土的渗流稳定性[M].[s.l]:[s.n.],1957.
[3] E.A.鲁布契柯夫,葛祖立.确定无粘性土管涌性的图解法和分析法[J].水利水运科技情报,1973(3)：49.
[4] A Berg B. Void Ratio of Noncohesive Soils and Similar Materials[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2014,118(9):1315-1334.
[5] 刘 杰.土的渗透稳定与渗流控制[M].北京:水利电力出版社,1992.
[6] 蒋 严,蒋 欢.土体渗透稳定性的填充系数分析计算方法[J].岩土工程学报,2006，28(3):372-376.
[7] 吴良骥.无粘性土管涌临界坡降的计算[J].水利水运科学研究,1980(4):90-95.
[8] 沙金煊.多孔介质中的管涌研究[J].水利水运工程学报,1981(3)：33-34.
[9] 毛昶熙,段祥宝,吴良骥.砂砾土各级颗粒的管涌临界坡降研究[J].岩土力学,2009(12):3705-3709.
[10] SL 237—1999,土工试验规程[S].
[11] 易华强.土工织物反滤系统土体结构稳定性试验研究[D].北京：清华大学,2005.
[12] 黄德文,陈建生,陈 亮,等.均质无黏性土流土发生机制室内模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2015(S1):3424-3431.
