| 标题 | 含管状孔隙黄土状重粉质壤土渗透性分析 |
| 范文 | 刘海心++曹建中++魏常琦 摘要：为正确认识含管状孔隙黄土状重粉质壤土的渗透性，采取了现场水文地质调查，在现场做原位渗透试验，采取大尺寸原状方块样进行室内试验。经分析，发现这种土的渗透性远大于一般的重粉质壤土，多属中等透水性，且渗透性具方向性，竖直向渗透性能远大于水平向渗透性能。所以在进行防渗和基坑降水时，要充分考虑到这种土渗透性与一般重粉质壤土的差异。 关键词：管状孔隙；渗透性；防渗；基坑降水 中图分类号：TU411文献标志码：A文章编号： 16721683（2015）002003003 济源市西某水利工程拦河闸基坑开挖后，在闸基的黄土状重粉质壤土中发现了较多的竖向大孔隙，呈细管状，管径01～10 mm，且不断地向外涌水，透水性较一般重粉质壤土要大的多，给工程带来了渗漏问题，降排水方案也因此而改变。目前，国内外对该类土在水文地质与工程地质方面的研究很少，多在水土保持方面有一定的研究，建立了大孔隙流模型[1]，但在水利工程方面，类似条件的工程案例报道较少。对于这类土只有正确地认识了它的渗透性，才能有效解决它在水利工程当中引起的防渗和基坑降水问题。 1工程概况 济源市位于河南省西北部，北面为太行山，西邻中条山，东邻华北平原，南面为丘陵地带，三面环山形成西高东低簸箕形盆地，盆地内为山前洪积扇。工程区位于济源市西8 km，处于该山前洪积扇的前缘，地面高程为163～175 m。工程区所揭露地层为第四系全新统及上更新统冲洪积物。全新统冲洪积物主要为轻、中粉质壤土及砂卵石，厚2～5 m。上更新统冲洪积物上部为黄土状重粉质壤土，厚约30 m，含有管状大孔隙，下部为砂卵石，厚约5 m，属于上黏性土下粗粒土的双层结构。拟建的拦河闸就位于含管状孔隙的黄土状重粉质壤土上。 钻探时，对含管状孔隙的黄土状重粉质壤土采取了筒状样，并对土样进行了室内试验，黏粒含量为21%～28%，渗透系数为79×105～92×106 cm/s，渗透性为微-弱透水，属相对隔水层。但施工期基坑开挖后，地下水从闸基土层管状孔隙中似泉状涌出，流量较大，基坑积水严重，排水困难。 2渗透试验 为研究该类含管状孔隙黄土状重粉质壤土的渗透性，根据相关规程及技术要求[23]，现场进行了单环注水试验、钻孔注水及抽水试验，室内利用现场采取的大尺寸原状方块样进行了室内渗透试验，获得了这种土的渗透系数。单环注水试验主要针对包气带土层，钻孔注水试验、抽水试验主要针对深部土体。 2.1单环注水试验 在场区内不同高程处共选取了6个点，分别进行了单环试坑注水试验。单环直径为0357 m，面积01 m2。[JP2]从所挖试坑断面上看，管状孔隙发育，可见管状孔隙截面近圆形，孔径为05～5 mm，间距05～3 cm，见图1，在进行灌水时，可以明显的看出，水沿着管状孔隙渗入，在一些大的管状孔隙上还形成小的漩涡。单环注水试验按照[JP]《水利水电工程注水试验规程》SL 345-2007要求进行试验和观测，试验结果见表1。 2.2钻孔注水及抽水试验 在场区内布设了7个钻孔，为观察深部管状孔隙发育情况，钻探全孔留芯，从钻孔30 m处的岩芯可以看到，管状孔隙仍有发育，见图2。在4个钻孔中共做了7段注水，1段抽水试验。钻孔注水及抽水试验根据《水利水电工程注水试验规程》SL 345-2007及《水利水电工程钻孔抽水试验规程》SL 320-2005的要求进行，试验结果见表2及表3。 2.3室内渗透试验 在场区内采取了23块大尺寸原状方块样进行室内渗透试验，方块样尺寸为25 cm×25 cm×25 cm。在制作渗透试验所需的环刀样时，试验人员对管状孔隙进行了特别的保护，其中7个土样的试验结果见表4。 从以上现场试验和室内试验可以看出，在上更新统黄土状重粉质壤土层中，不论是在表层土体，还是在深部土体均有管状孔隙，其渗透系数从10-2 cm/s到10-4 cm/s，变化范围较大，渗透性为强-中等透水，多为中等透水性，渗透系数比一般的重粉质壤土高1～3个数量级。 3问题分析及讨论 3.1该类土的室内渗透试验分析 钻探时所取的岩芯受到挤压扰动，管状孔隙多被破坏，现场编录人员容易忽视，或仅当成普通的针状孔隙作为土的分层标志来对待，所以在对钻探所采取的原状样进行室内渗透试验时，制作环刀样也就没有考虑管状孔隙，而制作环刀所产生的“抹涂”效应堵塞了部分管状孔隙，使所测得的渗透系数和一般的重粉质壤土没有差别。而现场的原位试验土体为天然状态，保留了土体管状孔隙结构；现场所采取方块样受扰动小，且在室内渗透试验时，制作环刀样时尽量避免“抹涂”，并对管状孔隙进行保护。所以现场原位测试和方块样测得的渗透系数反映了该类土真实的渗透性能。这样可以得出，该类土的渗透通道主要为管状孔隙，是其渗透系数变大的主要原因，当其受到扰动破环了管状孔隙，渗透通道仅为颗粒间孔隙[4]，其渗透系数显著降低，渗透性能和一般重粉质壤土没有差别。在现场钻探时，要对岩芯仔细观察，对存在针状、管状孔隙土要引起高度重视，尽量采取大尺寸方块样，并在室内试验时要保护好管状孔隙，以保证试验的真实性。 3.2该类土渗透的方向性分析 现场基坑内进行了管井降水，降水管井深120 m，内径380 mm，外径500 mm，整个管井均位于含管状孔隙的黄土状重粉质壤土中。现场选择了3个降水管井，在这3个管井周边垂直和平行地下水水流方向各布置了2个观测孔，其中一个管井（J4）及观测孔（J4P1至J4P4）的平面位置见图3。抽水孔抽水量为150 L/min，抽水稳定一定时间后，抽水管井和观测孔水位埋深曲线见图4，可以看出，抽水管井降深为80 m，而距抽水管井20 m的观测孔降深仅10 m。另外两个管井及观测孔也同样如此。 含管状孔隙黄土状重粉质壤土的渗透系数基本上相当[JP2]于细砂，细砂的影响半径经验值为50～75 m，按50 m考虑，当抽水孔抽水量为150 L/min，水位降深达8 m，距其2 m的观测孔水位降深应达5～6 m，而观测孔实际降深仅10 m。说明这种管状孔隙的联通具有一定的方向性，竖直方向上联通性强，[JP]水平方向上联通性差，使得这类土的渗透性也同样具方向性，竖直方向渗透性能远远大于水平方向的渗透性能。 本场区位于山前洪积扇的前缘，为垂直交替水文地质带[5]，上部为含管状孔隙的重粉质壤土，下部为砂卵石。由于下部砂卵石中的水具承压性，对上部的含管状孔隙的重粉质壤土产生顶托补给，竖向管状孔隙成为了排泄通道，当水压线高程超过地面高程后，地下水便通过竖向大孔隙或井、孔溢出地表，形成泉。在河沟等低洼处可见许多呈点状涌出的小泉，较大的如著名的济源济渎庙北海泉等。场区基坑内的排水沟沟底出现管状孔隙向外涌水自流、而侧壁很少出逸这一现象也说明了含管状孔隙黄土状重粉质壤土渗透性具明显各向异性这一特点。 [FK（W] 图34号井组平面布置 [FK）] [FK（W] 图44号井组地下水降深曲线 [FK）] 3.3渗漏及防渗问题 [JP+1]由于含管状孔隙黄土状重粉质壤土渗透性与一般重粉质壤土不同，使本来能够达到隔水效果的重粉质壤土失去了隔水作用，反而变成了透水层，这也带来了水库渗漏问题。 经过以上分析，含管状孔隙黄土状重粉质壤土的主要渗漏通道是管状孔隙，以竖向渗漏为主，采取垂直防渗措施不能有效截断竖向渗漏通道，难以达到防渗目的，宜采取水平防渗措施。在采取水平防渗时，只要破坏管状孔隙结构，重新碾压，就可以使上部土体塑造成隔水层，达到防渗目的。[JP] 3.4基坑降水问题 现场实际施工中，采用管井降水，管井间距15 m，井深12 m，抽取含管状孔隙黄土状重粉质壤土中的水，降水已达3个月，抽水井中水位降深8 m左右，而降水井井间地面依然有地下水出流，基坑降水效果很差，没有达到预期效果。根据含管状孔隙黄土状重粉质壤土竖直向渗透性远大于水平向，且地下水补给多来自下部的砂卵石，基坑降水宜采取管井降水和明沟排水相结合，降水管井深入下部砂卵石中，降低其承压水头，明沟则排泄来自侧向的地下水。或采用截渗墙对砂卵石层中的地下水进行封堵，切断对含管状孔隙黄土状重粉质壤土层中地下水的补给来源，然后再采用管井或轻型井点降水。 4结论 （1）岩芯编录时，若发现黄土状重粉质壤土中含有针状、管状孔隙，要引起重视，室内渗透试验土样应采取大尺寸原状样，切土时应避免“抹涂”，必要时进行原位渗透试验。 （2）含管状孔隙黄土状重粉质壤土的渗透性等级多为中等透水，其渗透性具明显的方向性，竖直向渗透性能远远大于水平向的渗透性能，地下水补给以竖直向为主。 （3）含管状孔隙土层的渗漏主要表现为竖向渗漏，防渗措施宜采用水平防渗。 （4）对含管状孔隙黄土状重粉质壤土基坑的降水要综合考虑地质结构及下部地下水的承压性，宜采用管井降水和明沟排水相结合的综合措施或采用截渗墙对其下部砂卵石层中的地下水进行封堵再进行降水。 参考文献： [1]冯杰，解河海，黄国如，等土壤大孔隙流机理及产汇流模型[M].北京：科学出版社，2012. [2]SL 345-2007水利水电工程注水试验规程[S]. [3]SL 320-2005水利水电工程钻孔抽水试验规程[S]. [4]徐连锋，胡竹华，杨正春，等.南四湖湖西大堤全新统粘土强透水性原因分析[J].科技论坛，2008，12：1517. [5]王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，1995. |
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