摘 要：

針對寬級配黏土與混凝土結合帶在大剪下變形條件下的滲透特性對高心牆堆石壩等構築物安全影響較大的問題，採用自主研發的大剪下變形和應力聯合作用下結合帶滲透特性試驗裝置，模擬實際工程岸坡壩段心牆底部寬級配黏土層應力-變形-滲流條件，開展了寬級配黏土與混凝土結合帶滲透特性試驗，從而探討試樣滲透係數隨剪下變形的變化規律。結果顯示，剪下變形突然啟動瞬間，試樣滲透係數快速增大至瞬時峰值，然後逐步減小並趨於穩定，剪下變形停止後經歷一定時間，滲透係數從終止值減小至延時穩定值後不再變化；經歷過剪下滲流歷史的土料在再次剪下時的滲透係數瞬時峰值低於上一次剪下過程。透過分析應力和水力比降等條件對上述規律的影響，並以結合帶導水系數與其初始值的比值和試樣滲透係數與其初始值比值間的對應關係為依據，給出了結合帶可能的厚度。同時，透過結合帶黏土顆粒團聚體的組構變化分析，較好地解釋了結合帶滲透性的變化機理。

關鍵詞:

寬級配黏土; 結合帶; 滲透特性; 試驗; 組構；

作者簡介：

張茵琪(1987—),女，高階工程師，碩士，主要從事岩土材料工程特性試驗研究工作。Email:[email protected];

*鄧剛(1979—),男，正高階工程師，博士，主要從事岩土材料特性和數值模擬等方面研究。Email:[email protected];

基金：

國家重點研發計劃課題(2017YFC0404803);

中國水科院基本科研業務費專項(GE0145B032021);

流域水迴圈模擬與調控國家重點實驗室自主研究課題(SKL2020ZY09);

引用：

張茵琪, 鄧剛, 張延億, 等. 寬級配黏土與混凝土結合帶滲透特性試驗研究[J]. 水利水電技術(中英文), 2021, 52(10): 182- 190.

ZHANG Yinqi, DENG Gang, ZHANG Yanyi, et al. Experimental study on permeability characteristics of joint zone between widely graded clay and concrete [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(10): 182- 190.

0 引 言

高心牆堆石壩(Earth Core Rockfill Dam, 簡稱ECRD)的心牆填築多采用粒徑級配跨度大、不均勻係數大的寬級配黏土或黏土質砂礫料,如100～200 m級的水牛家、獅子坪、蹺蹊、毛爾蓋、苗尾等，以及絕大多數200 m以上的特高心牆堆石壩，如國外建成的Irapé(205 m)、Oroville(230 m)、Chivor(237 m)、Mica(243 m)、Guavio(243 m)、Tehri(261 m)、Chicoasén(261 m)、Nurek(300 m),中國建成的長河壩(240 m)、糯扎渡(261.5 m),以及正在規劃設計和建設的兩河口(295 m)、雙江口(312 m)、RM(315 m)等。如圖1所示，在岸坡壩段心牆底部佈置特殊土料區，是減小岸坡約束、改善心牆受力條件的重要工程措施之一。該土料區與岸坡基岩或混凝土墊座間常存在較大剪下變形,如Chicoasén岸坡附近心牆內佈置的沉降測點最大沉降達1.26 m(該位置岸坡坡比達1∶0.1,測得沉降與心牆土順岸坡剪下變形數值相近),而同期心牆最大沉降(位於同一高程)僅2.12 m。國內長河壩岸坡土體位移計最大測值0.25 m, 同期心牆最大沉降1.38 m; 糯扎渡岸坡剪變形計測值0.21 m、岸坡水平土體位移計測值0.87 m, 而同期心牆最大沉降4.17 m。在建和規劃設計中的兩河口、雙江口、RM等工程的計算分析中，也發現了這種較大的心牆順岸坡剪下變形(見圖2)。

圖1 RM心牆底部的特殊土料區示意

圖2 雙江口心牆壩縱斷面計算位移向量

寬級配黏土中粉粒含量高、黏粒含量較低，用於特殊土料區或緊貼岸坡混凝土基座的心牆料區時，在快速水位變化產生的高水力比降、壩殼溼化等導致的心牆大剪下變形等聯合作用下，可能出現滲透破壞並危及大壩安全。高心牆堆石壩既有疑似滲透破壞案例多出現在首次快速蓄水過程中，起始破壞點均位於岸坡壩段，且大多數案例心牆或底部特殊土料區為寬級配黏土，因此對工程中可能應用的這種土料在剪下變形等複雜條件下實際滲透特性開展研究十分必要。

但由於儀器尺寸、應力變形和水力條件聯合提供的困難，相關研究還開展較少。既有滲透特性研究大多數未考慮應力變形的影響，其中包括對寬級配黏土自身滲透特性及黏土與混凝土結合帶(不考慮應力變形條件下的)滲透特性;還有一些研究中考慮了黏土內部集中剪下變形或內部均勻剪下變形的影響。近年來有研究考慮了滲流作用對黏土與混凝土結合帶應力變形特性的影響,以及應力變形作用下黏土與剛性面結合帶滲透特性,試驗條件的方向組合一般均為豎向滲流、豎向剪下聯合。

由於試驗材料粒徑較大、剪下變形量值大、速度多變，且應力、剪下變形、水力比降方向相互正交，超出了既有裝置試驗能力，為更好地開展研究，筆者研發了滿足上述要求的滲透特性試驗裝置,並對一種最大粒徑5 mm的典型天然寬級配黏土開展了試驗研究。本文著重介紹採用這種新型滲透特性試驗裝置，對寬級配黏土與混凝土結合帶的滲透特性隨剪下變形的演化規律開展研究的情況，提出剪下變形過程中結合帶滲透性不同代表值的定義，分析了應力狀態、水力比降等因素的影響，研究了結合帶可能的厚度及其隨剪下變形的變化情況，同時從黏土顆粒自身特徵出發研究了結合帶滲透性變化的可能內在機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗採用的天然寬級配黏土級配曲線如圖3所示，粉粒含量55%,黏粒含量20%,較既有試驗,本次研究的土料級配離散性較小、黏粒含量略高、粉粒含量略低。土料基本物理性質如表1所列，屬低液限黏土。

圖3 寬級配黏土料級配曲線

1.2 試驗裝置

試驗裝置原理如圖4所示，裝置主機由旋轉驅動機構、連線機構、壓力室、控制檯組成(見圖5)。與主機配套的測控元件包括兩套壓力/體積控制器，以及量管1支。兩套壓力/體積控制器分別連線到壓力室內和壓力室底座，一套用於控制壓力室內水壓力並量測壓力室進出水量；另一套控制試樣進水端滲壓並量測進入試樣底部水量。量管連線到試樣頂部上帽，用於量測試樣滲出水量。

圖4 試驗裝置原理

圖5 剪下變形和應力聯合作用下結合帶滲透特性試驗裝置

試樣為圓柱狀，土樣為圓環柱形，緊貼內建圓柱狀混凝土芯棒。土樣內徑dinner、外徑douter和高度h分別為50 mm、100 mm和100 mm。試樣外包橡皮膜，與壓力室內的水隔絕，透過圍壓施加結合帶正應力σn。扭轉混凝土芯棒使土樣剪下變形，同時透過底座和上帽約束避免土樣整體轉動。控制試樣兩端水頭差提供試樣內豎向滲流的水力比降。

1.3 試驗方案

土料按最優含水率準備，根據設定幹密度在裝置內分5層動力擊實，形成土樣。採用抽氣和靜水頭法進行飽和，對試樣施加正應力，固結完成後再緩慢提高試樣底部水頭直至達到設定值pw,同時持續量測自底部流入試樣、自頂部流出試樣的滲水流量。待試樣流入、流出滲水流量穩定一致時，認為試樣內部穩定滲流場已建立。進一步試驗中，以設定剪下變形發展過程(剪下變形速度和啟停等)控制混凝土棒旋轉，同時繼續控制結合帶正應力和試樣底部滲壓，持續量測壓力室進出水量(即試樣體積變形量)、試樣入滲和出滲流量，直到試驗結束。若滲透流量突增、長時間不減小，或滲水渾濁並持續發展，則認為試樣發生了滲透破壞。

為探討應力狀態、水力比降等對寬級配黏土-混凝土結合帶滲透特性的影響，採用的試驗方案如表2所列。

對包含超過1次啟停過程的試驗(如剪下變形為0～100～1 000 mm),當剪下變形增大到各設定啟停點後，均暫停剪下變形並保持不變3～4 h, 待滲水流量穩定後再次啟動剪下；對最後一個啟停點，停止剪下變形3～4 h, 待滲水流量穩定後停止試驗。

2 滲透特性的衡量指標定義

2.1 試樣滲透係數計算

將試樣(土樣、混凝土棒及之間結合帶)作為一個整體，且不考慮土樣沿滲流方向可能因有效正應力不同等存在的滲透係數差異，根據達西定律計算試樣滲透係數ksp為

式中，γw為水的容重，取10 kN/m3;π為圓周率，取3.14;qt為透過試樣的滲流總流量，試驗過程中試樣入滲、出滲流量基本平衡，qt選用二者之一。

2.2 結合帶導水系數

室內試驗制樣時土樣和混凝土棒間結合帶難免存在壓實異於土樣內部的情況，而對於現場，心牆壩岸坡壩段心牆底部與岸坡之間的實際結合帶也存在類似問題。假定試驗中該結合帶沿半徑方向厚度為br,將結合帶滲透係數與結合帶厚度的乘積定義為結合帶導水系數Kc,即Kc=kc·br。由於無法預知制樣形成的結合帶滲透性與其他部分的差異，分析中仍假定初始情況下結合帶具有與土樣其他部位一樣的滲透係數(透過相同圍壓下滲透係數試驗測定)。

假定混凝土棒、土樣除結合帶外的部分剪下過程中滲透係數無變化，將導水系數Kc與其初始值Kc0的差值定義為結合帶導水系數變化量ΔKc,有

式中，Δqt為試樣總滲流量變化量；dinner為土樣內徑。

結合帶厚度br是一個虛擬數，反映了土體與剛性面間剪下變形在土樣中影響比較集中的區域厚度。該厚度對不同試驗條件存在差別，並可能隨試驗過程變化。認為導水系數放大倍數Kc/Kc0與滲透係數放大倍數ksp/ksp0的比值為1時，結合帶厚度br假定值接近真值。

3 試驗成果與分析

3.1 滲透特性隨剪下變形的發展規律

以P1方案為例，試樣滲透係數隨剪下變形的變化過程如圖6所示。剪下變形自0開始突然啟動瞬間，試樣滲透係數也快速增大，把滲透係數達到的最大數值定義為瞬時峰值或最大值(maximum value),該數值可達初始滲透係數的100倍以上(將試驗過程中滲透係數與初始值的比值稱為滲透係數放大倍數)。其後，試樣滲透係數隨剪下變形發展逐步下降，至剪下變形達到100 mm並暫停時，滲透係數(該數值定義為終止值，termination value)已下降至接近發生剪下變形前的數值。暫停剪下變形，維持變形數值不變時，滲透係數繼續小幅下降，至再次啟動剪下變形前，滲透係數已降低至低於發生剪下變形前(達到延時穩定值，delay stability value)。當剪下變形再次啟動，從前期暫停的剪下變形處繼續增大時，滲透係數隨剪下變形啟動-發展-暫停-維持而發展的過程總體上類似上一次剪下變形。存在區別的是，第二次剪下變形過程中，滲透係數瞬時峰值、終止值、延時穩定值的放大倍數小於第一次剪下變形。

圖6 滲透係數隨剪下變形的時程曲線

各試驗條件下，儘管施加的水力比降較高，且剪下變形過程中出現過滲透係數突然增大的現象，但是，滲透係數突增過程均持續時間很短，且滲水未出現渾濁並持續發展現象，試樣未發生滲透破壞，試驗的寬級配黏土具有較高的抗滲能力和自愈能力。

3.2 試樣滲透係數代表值與初始值比值的影響因素

將P1—P4方案中自剪下位移0 mm到100 mm的過程、自剪下變形100 mm達穩定後再次啟動起的過程及G1—G3方案中剪下位移從0 mm到1000 mm的過程均作為獨立方案，分別標識為P1-0—P4-0、P1-100—P4-100和G1-0—G3-0。各方案試樣滲透係數特徵值與初始值的比值如圖7所示。

圖7 試樣滲透係數代表值與初始值的比值

與P1類似，存在超過一次剪下變形的試驗中，第二次剪下變形過程中的滲透係數瞬時峰值與初始滲透係數的比值即瞬時峰值放大倍數低於第一次剪下變形過程。除最大值外，滲透係數穩定值和延時穩定值放大倍數一般也低於第一次剪下變形。

各方案滲透係數放大倍數同時受正應力與水力比降影響。對於G1-0—G3-0,各方案中總體水力比降逐步提高，試樣底部滲壓佔正應力比例也在逐步提高，相應的，各滲透係數放大倍數也逐步提高。對於P1-0—P4-0和P1-100—P4-100中任一組，正應力逐步提高，而水力比降先提高、後穩定、再提高，與此相應，試樣底部滲壓佔正應力比例先提高、再降低，對應地，各滲透係數代表值放大倍數先降低、後提高。由此可見，各滲透係數特徵值放大倍數在很大程度上取決於水力比降對應試樣底部滲壓佔正應力的比例，比例越高，滲透係數放大倍數越小。換言之，試驗條件下，滲透係數放大倍數與正應力的關係弱於與水力比降的關係，可能更多決定於正應力和水力比降的比值。

此外，從P2-0、P2-100和G2-0的對比可見，三者正應力、水力比降相同，僅剪下變形不同，三個方案中滲透係數放大倍數的最大值接近，P2-100和G2-0的滲透係數放大倍數終止值和延時穩定值接近，均低於P2-0。說明剪下變形越大(剪下變形速度相同時也意味著剪下持續時間越長),滲透係數放大倍數ksp/ksp0終止值和延時穩定值也越低。

4 結合帶厚度研究

對比了結合帶厚度br取0.075 mm、0.5 mm和1 mm等三個不同數值的情況下，結合帶滲透性達最大值和延時穩定值時，結合帶導水系數放大倍數(即導水系數與初始值的比值)與試樣滲透係數放大倍數的關係。如圖8所示，結合帶滲透性達最大值時，隨著正應力提高，各結合帶厚度br下導水系數放大倍數Kc/Kc0與ksp/ksp0的比值均有所減小。當正應力為100 kPa時，Kc/Kc0與ksp/ksp0的比值為1時對應的結合帶厚度br大致為0.5～1.0 mm。當正應力提高後，比值均有所減小，應力越高，比值越小；正應力為500 kPa、1 000 kPa和2 000 kPa時，比值為1時對應的結合帶厚度br大致在0.075～0.5 mm之間。綜合上看，正應力越高，比值越低，與該比值為1時對應的結合帶厚度br也有所減小，但結合帶厚度一般大於0.075 mm。

圖8 滲透性係數達瞬時峰值時與結合帶導水系數關係

5 內在機理分析

從黏土組構來看，由於黏土顆粒間強烈的相互作用，多個黏土顆粒會形成團聚體。剪下變形發生前，黏土在應力作用下固結，各團聚體相對均勻分佈，且總體孔隙相對較少[見圖9(a)]。在開始剪下後，結合帶的各團聚體在剪下作用下發生旋轉和架空，部分團聚體破裂並進一步架空，土體孔隙增大，滲透係數突然提高[見圖9(b)]。隨著剪下變形發展，受剪下的拖曳和應力導致的壓縮聯合作用，團聚體大多在剪下變形作用下產生定向分佈，且較上一階段有所壓密，滲透係數緩慢降低[見圖9(c)]。待剪下變形停止後，土體在應力作用下略有壓縮，進一步壓密，孔隙減少，滲透係數進一步降低[見圖9(d)]。

圖9 結合帶黏土顆粒團聚體剪下過程中的組構變化分析

將剪下變形中試樣滲透係數的變化過程與上述組構分析對照可見，每次剪下變形突然發生都打破了土樣內(含結合帶)原有平衡狀態，導致結合帶出現高滲透性通道，因此，試樣滲透係數突然增大。但是，在應力的作用、土料自身的自愈效能等聯合作用下，高滲透性通道可以較快癒合。加之剪下變形勻速穩定發生，土料自愈過程與剪下變形緩慢達到再次平衡，滲透性不斷降低並接近初始值。待剪下變形暫停，土樣內部啟動新一輪平衡和自愈，以致經過一段時間的靜置、恢復，試樣滲透係數可以達到比初始值更低的數值。

6 結 論

採用研發的大剪下變形條件下接觸滲透特性試驗裝置，模擬了實際工程中備選寬級配黏土料與岸坡混凝土結合帶應力-變形-滲流條件，開展了結合帶滲透特性試驗，分析了應力和水力比降等條件的影響，假定不同結合帶厚度，研究了結合帶厚度對結合帶導水系數變化規律與試樣滲透係數變化規律之間的關係，並從機理上進行了分析。獲得以下結論：

(1)剪下變形發生的瞬間，試樣滲透係數突然增大，且其增大幅度在首次剪下變形時最大，最大增大幅度超過100倍。每次剪下位移啟動後，滲透係數均快速增大到最大值，之後將緩慢減小。當剪下變形量值較大後，試樣滲透係數接近初始滲透係數。剪下變形暫停一定時間後，試樣滲透係數進一步下降並穩定。

(2)剪下變形突然啟動後雖導致滲透係數快速提高，但測試的寬級配黏土體現了較強的自愈能力，在較高水力比降作用下仍未發生滲透破壞，且滲透係數逐步恢復。

(3)剪下變形過程中，滲透係數瞬時峰值放大倍數與水力比降對應試樣底部滲壓佔正應力比例呈負相關，比例越高，滲透係數放大倍數最大值越低。

(4)結合帶滲透性達最大值時，正應力越高，Kc/Kc0與ksp/ksp0的比值越低，與該比值為1時對應的結合帶厚度br也有所減小，但一般仍大於0.075 mm。

(5)剪下變形過程中結合帶滲透性的變化過程，可透過結合帶黏土顆粒團聚體的組構變化分析較好解釋。

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