摘要：通过试验对某抽水蓄能电站堆石料中垫层料，过渡层料，反滤料渗透特性进行研究，得出其渗透系数和临界水头。并对堆石料渗流速度与水力坡降关系曲线中波动过程进行分析，确定不同堆石料出现波动过程的水头及原因。对反滤料试验用料回收并进行二次试验，并将其渗透特性与反滤料进行对比分析。 关键词：堆石料 渗透 渗透变形 0 前言： 堆石料是由岩石粉碎组成各种级配岩石碎块类集合体。研究堆石料的渗透系数，临界水头，渗透特性能够为大坝设计提供必要的依据。 由于堆石料具有大小颗粒悬殊，组成分散，不均匀性大，性质复杂等特点目前将粒径5mm颗粒称为粗料，粒径<5mm为细料。堆石料中粗料形成骨架，细料填充孔隙，填充愈密实，土体的孔隙愈小。孔隙的大小，直接关系到土体的渗透特性和渗透稳定性。本次试验主要对级配不同的堆石料进行渗透和渗透变形试验，得出水力坡降与渗流速度关系曲线，并分析细料含量对渗透特性的影响。 1 渗透试验 1.1 试验仪器与试验过程 试验仪器是河海大学岩土所设计并委托加工的大型渗透仪。该仪器试样筒内径为303mm，高度为460mm，能够满足最大粒径为60mm的堆石料的试验要求。试样桶上下端分别与有自由出水口的水桶相连，水桶高度可以调节，从而可以给试样上下游提供0～360mm的水头差。在样桶中从下向上依次为透水铜板，经过抽真空处理的土工布，试样，经过抽真空处理的土工布，透水铜板。铜板和土工布的作用类似于透水石和滤纸，能够保证水流通畅，同时土颗粒不被水流带出，不会阻塞铜板的孔。 为防止水流沿光滑桶壁渗出，试验中制样先用凡士林涂抹桶壁。然后按照试样设计高度和设计密度将其分2～5层进行人工击实，保证试样的均匀性。装样后用蒸馏水从底部浸泡饱和。在试样充分饱后，铺好土工布和 铜板，盖上渗透仪盖子，然后排气，使得上下游水头一样高，而且整个渗流路径密闭不含气泡。试验开始后逐步提高上下游水头差高度，每次提高1～2cm，每提高一级水头后等15～30分钟渗流稳定后再测定一定时间内的渗流量。每测5～6组就可以确定渗透系数。20摄氏度下渗透系数计算公式如下： （1） 为试样的渗透系数；为渗流量；为上下游水头差；为试样高度或为渗径长度；为试样面积；为时间；为温度校正系数。 渗透变形所要求的上下游水头差比较大，当水头差到达一定高度后单位时间内渗水量急剧增大，水流出现浑浊，即宣告试样破坏。该水头差与试样高度的比值即为临界水力梯度。 1.2 试验坝料的颗粒组成与级配 本次试验主要对垫层料，过渡料和反滤料进行渗透和渗透变形试验。垫层料采用开挖的新鲜微分化角砾凝灰岩，熔结角砾凝灰岩，沉凝灰岩，含砾晶屑熔结凝灰岩混合料人工轧制而成。最大粒径81mm，粒径小于5mm含量为30％～46％，粒径小于0.1mm含量为4％～8％，级配连续。过渡料采用新鲜微风化开挖混合料配制而成。最大粒径为400mm，粒径小于5mm含量为0％～23％，粒径小于0.1mm含量0％～5％，级配连续。反滤料采用开挖的新鲜微分化角砾凝灰岩，熔结角砾凝灰岩，沉凝灰岩，含砾晶屑熔结凝灰岩混合料人工轧制而成。最大粒径粒径30mm，粒径小于5mm含量为50％～85％，粒径小于0.1mm含量0％～5％，级配连续。 表1 堆石替代料级配 Table 1 Gradation of the rockfill for experiment 石料 干密度 粒组（mm）及粒组含量（％） 60~40 40~20 20~10 10~5 <5 垫层料 2.18 18 20 13 12 34.8 过渡层料 2.09 21.9 30.7 21 14.9 11.5 反滤料 2.12 0 0 14.5 16.6 68.9 2 试验成果分析 2.1 试验结果分析 表 2 堆石料渗透和渗透变形试验结果 Table 2 Results of seepage tests for rockfill 石料 密度g/cm3 试样长度cm 渗透系数cm/s 临界水力梯度 垫层料 2.18 20 0.0025 1.40 垫层料 2.18 20 0.0020 1.25 过渡层料 2.09 20 0.0137 过渡层料 2.09 20 0.0152 反滤料 2.12 20 0.0011 1.65 反滤料 2.12 20 0.0012 1.60 反滤料2 2.12 20 0.00020 注：表中相同石料为平行试验；反滤料2是利用反滤料渗透试验用过的堆石料重新晒干，按照与表1中反滤料相同的密度和级配进行二次试验。 图1 垫层料水力梯度与渗流速度关系 Fig.1 Relationship between hydraulic gradient and seepage velocity of cushion 图2 过渡料水力坡降与渗流速度的关系 Fig.2 Relationship between hydraulic gradient and seepage velocity of transition 如图1所示垫层料渗透坡降与渗透速度之间关系基本成线性关系，符合达西定律。但当水力坡降在1.0～1.2之间时，渗透速度随着水力坡降的增大反而减小。在水力坡降超过1.2之后，渗透速度又随着水力坡降增大而急剧增大，并很快达到破坏。也就是说渗透系数在整个过程中并不是恒定的，在水力坡降较小时是一个定值，但当坡降增加到一定值之后，就会出现波动过程。分析其原因在水力坡降较小时堆石料中孔隙能够满足透水的要求，当水头增大之后，水流对石料的拽弋力也加大从而带动一些颗粒随水流方向移动，阻塞了一部分孔隙，使得过水断面变小从而水的流速变小。但当水头继续加大后，其中的一部分石料被冲走从而导致过水断面急剧增大，流速加大，并很快破坏。 根据图2可以看出过渡料在水力坡降为0.4左右时也出现渗流速度随着水力坡降的增大而减少的波动现象。但与垫层料相比这个波动过程有两点不同：1是过渡料出现波动时的水力坡降要小于垫层料出现波动时的坡降，过渡料在水力坡降为0.4左右出现，而垫层料在1.0～1.2时出现；2是该波动过程对过渡料影响更小，其水力坡降与渗流速度更加符合线性关系。分析其原因是由于过渡料小于5mm的粒组含量远小于垫层料，其渗透系数约为垫层料6～7倍，所以在水力坡降较小时其渗流速度已经比较大，施加的拽弋力已经足够带动一些颗粒随水流方向移动，阻塞了一部分孔隙，从而导致其出现波动过程要早于垫层料。而且由于过渡料小于5mm的粒组含量较少，细料对渗透特性影响不大，所以更加符合达西定律条件。 2.2 反滤料与2次利用的反滤料试验结果对比分析 为了更好研究堆石料渗透特性的变化和级配的控制范围，本次试验对反滤料试验用完的堆石料进行回收二次试验。将反滤料试验之后的堆石重新晒干，筛分，并按照表1中的密度和级配重新配制反滤料即反滤料2进行渗透变形试验。与原料相比，经过渗透试验之后堆石料形状更加规则，更大的变化是粒径更细。虽然反滤料和反滤料2的小于5mm级配都是68.9％，但反滤料2中小于5mm料明显粒径更细，粒径小于0.1mm含量要多于5％。 从图3和图4可以看出，反滤料2的渗透系数仅为原反滤料渗透系数的0.2倍左右，同时在水力坡降到达1.6时反滤料已经破坏，而反滤料2在 水力坡降到达2时仍然没有破坏，由于仪器所限没能测出其临界水头。这就说明对于细料（5mm）含量较多的堆石料，细料的级配决定了其渗透特性，细料越细其渗透系数就越低而临界水头就越大，所以对于这类堆石料确定其级配以及设计试验替代料时不应仅仅以5mm为界划分，必须进一步确定小于5mm堆石料的级配。如果仅仅以5mm为界将会出现级配相同而渗透系数水力坡降相差很大的情形。同时试验表明在水力渗透冲刷过程中，堆石料的粒径将变得更加细小和其位置也会随水流变化，从而对渗透特性产生影响，在坝体多年使用过程中这一影响因素必须加以分析。 与垫层料和过渡料相比，反滤料渗透过程中其渗透坡降与渗流速度关系较大的波动出现在0.5～1.0之间，其影响范围更明显，这是由于其细料含量远远超过30％，渗透特性由细料控制。其孔隙较小，级配集中，小颗粒比较多容易阻塞过水通道，但其渗流速度小又不容易冲走堵塞的细料，导致其影响范围大。 Fig.3 Relationship between hydraulic gradient and seepage velocity of filter material Fig.3 Relationship between hydraulic gradient and seepage velocity of secondary filter material 3结论与建议 1.本次试验得出了垫层料过渡料反滤料的渗透系数，并测出垫层料和反滤料的临界水头； 2.在堆石料渗透试验中将会出现一段渗流速度随水力坡降增大而减少然后再增大的波动过程，并且细料含量越多该过程越明显，垫层料，过渡料，反滤料出现该过程的水力坡降分别为0.9～1.2，0.4，0.5～1.0； 3对于细料含量大于30％的堆石料确定其级配以及设计试验替代料时不应仅仅以5mm为界划分，必须进一步确定小于5mm堆石料的级配，才能保证设计和试验的准确； 4水力渗透冲刷过程中，堆石料的粒径将变得更加细小和其位置也会随水流变化，从而对渗透特性产生影响。 参考文献： [1] 郭国庆. 粗粒土的工程特性及应用[M].郑州：黄河水利出版社，1998 [2] 王勇，相树珍，董凤军等. 无锡马山电站筑坝堆石料渗透试验研究[J].河海大学学报，2005，增刊：154：156. [3] 郭爱国，凤家骥，汪洋，茜平一. 砂砾石坝料渗透特性试验研究[J]. 武汉水利电力大学学报，1999，32（3）：93～97.