宁夏水利水电工程局有限公司 宁夏银川 750021
摘要：土的渗透性是土力学研究的基本问题，渗透系数反映土渗透性能强弱的指标。直接影响着基层的稳定。渗透试验还可以作为选择坝体填筑涂料的依据。本文通过使用南55型渗透试验装置对神华集团宁夏煤业南湖蓄水挡水坝工程（下文简称南湖挡水坝）坝体填筑用掺和土料进行土渗透系数试验，按照南湖挡水坝工程设计图纸要求进行试验构思及取样。首次将渗透系数与红黏土掺和量的关系进行了分析研究，并将红粘土掺和量及干密度对渗透系数的影响做了进一步对比分析。
关键词：变水头渗透试验；渗透系数；饱和；红粘土掺和量；干密度
1、渗透系数试验
神华集团宁夏煤业南湖蓄水挡水坝工程是宁夏水利水电工程局有限公司1负责施工的III级水库工程，图纸设计要求：坝体填筑土料为红粘土（强风化泥岩）与砂土的掺合料，采用立面开挖、就地掺和，掺和料中红粘土含量在35%-50%范围内，填筑料渗透系数要求小于1.0×10-4cm/s。试验土料取自设计要求土场内的多个探坑。本次试验在宁夏宏禹工程检测有限公司2完成。
土的渗透性是指水流通过土中孔隙难易程度的性质，若土中渗透水流属于层流，则渗透速度与水利坡降成正比。水利坡降等于1时的渗透速度称为土的渗透系数。这是由达西定律3演变而来。在计算地基沉降的速率和地下水涌水量时都需要土的渗透性指标，其中反应土的渗透性指标渗透系数由室内或现场抽水试验测定。室内试验包括常水头渗透试验和变水头渗透试验，其中常水头渗透试验适用于粗粒土（砂质土），变水头适用于细粒土（粘质土或粉质土）。本次试验试样为红粘土与砂土掺和而成的细粒土，所以采用变水头渗透试验。
试验构思：首先通过设计要求将土样按体积比掺和为35%红粘土与65%砂土的试样。按《土工试验规程》 SL237-1999 中要求进行制样，按规范要求制备干密度分别为1.50g/cm3、1.60g/cm3、1.70g/cm3的试样（制备试样实际干密度与制备目标之差值应在±0.02g/cm3）进行变水头渗透试验，计算出20℃下平均渗透系数；而后分别进行红粘土40%及50%掺和量的制样和试验，最后对渗透试验所得数据进行整理分析。
1.1试样制备与试验方法
本试验所用试样是由一定比例红粘土及砂土掺合而成的粘性细粒土，所以试验采用南55型渗透仪法。
试验装置：本次试验使用2mm孔径筛、STS-55型渗透仪及变水头装置、电子天平、瓷盘、量筒100m、修土刀、凡士林、秒表、温度计等。
试验步骤：⑴根据规范及设计图纸要求取规定红粘土及砂土，进行烘干、碾碎，并过2mm孔径筛；按照35%体积比将红粘土与砂土均匀掺和。分层喷洒水并充分搅拌，然后密闭于盛土器内静置24h，计算含水率，尽量将含水率接近塑限。⑵计算1.50g/cm3干密度及该含水率值下渗透环刀内所需湿土重，按照压样法步骤进行制样，再进行称重计算实际干密度。⑶将渗透环刀及土样放入饱和器内，在真空缸中抽气饱和不少于6h，水中静置不少于18h，使试样充分饱和，饱和度不小于95%。（注意：土体的饱和度对渗透系数的测量具有很重要的影响，非饱和状态下渗透系数试验得出的数据与真实数据偏差较大。）⑷按照规范进行变水头渗透试验并得出20℃下平均渗透系数。⑸按照以上步骤分别制备干密度为1.60g/cm3和1.70g/cm3的试样进行变水头渗透试验。⑹最后再按照40%、50%、红粘土和砂土体积比重复进行上述试验并记录数据。
1.2渗透试验
1.2.1试验方法
按照图1连接STS-55型渗透仪及渗透装置，并按下列步骤进行渗透试验：
⑴将制备完成的目标干密度试样从饱和器中拿出，并将环刀壁上水珠擦净；⑵将环刀外壁均匀涂抹一层凡士林，然后将环刀推入套环内，擦去挤出的凡士林，装好带有透水石的垫圈的上下盖，拧紧螺丝，使其不漏水不漏气。⑶关闭5（1）、5（4）打开5（3）、5（2）时变水头管充满水（注意：供水瓶不易挂过高，会使水从变水头管上口流出。）⑷打开管夹5（1）、排气管6，将渗透容器侧立使排气管6向上；充分排出渗透容器底部的空气，直至溢出不带气泡的水为止。关闭排气管6，平放渗透容器。⑸打开出水管7，在一定水头作用下静置一段时间，待出水管有水溢出时，可开始测定⑹将变水头管充水至需要高度后，关闭管夹5（2）。当水位降至所选定的开始水位h1时开始读秒，经过时间t后，记录最后水位h2。如此连续记录2-3次后，再将变水头管的水位回升到起始高度或另一高度，重复以上步骤6次以上。每次测记变水头同时，测定水温，精确到0.5℃（注意：根据土质的不同，选择不同的起始水头高度。起始水头高度对粘性土影响较小，粉土类粘性小的试样起始水头不能太高，避免水头压力过大造成管涌现象5）。
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图1 变水头渗透装置
1.2.2渗透试验结果计算
渗透系数kr：
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标准温度下的渗透系数k20：
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式中，.png)
为变水头管的断面积cm2（可通过测定一定高度水柱流出水的质量计算得出。）；2.3为In和lg的变换因数；L为渗径，即式样高度cm。
2、渗透系数的影响因素分析
通过对此次渗透系数试验中所得数据精确处理，初步研究了变水头试验中试样饱和度的不同对渗透系数的影响。此外，还探讨了红粘土掺和量不同及干密度发生变化时，渗透系数变化规律。
2.1饱和度对渗透系数的影响
在变水头渗透试验计算公式中没有关于饱和度的提及，在《土工试验规程》中提及“对试样充分饱和”。土样的饱和度越小，土的孔隙内残留的气体越多时，土的有效渗透面积越小。同时由于气体因孔隙压力的变化而胀缩，为了保持试验精度，要求试样必须充分饱和，排尽土孔隙中的气体6。那么如果饱和不充分试验结果会是怎样的？带着这个疑问，我做了一组试验。将一组现场随机取得土样放入渗透环刀进行变水头渗透试验，并间隔一定时间读取变水头数据并计算渗透系数。
表1 随机试样渗透时间及渗透系数
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图2 渗透系数—饱和时间关系曲线图
变水头渗透试验用未饱和的试样进行试验，通过渗透系数公式得出的渗透系数发生了很大的变化。出水管开始渗水后开始记录第一次时间，随后间隔一定时间再次记录并计算20℃渗透系数。由表1及图1中数据可以看出，随着渗透时间增加，渗透系数呈减小趋势。在前6个小时的渗透时间内渗透系数曲线较陡，渗透系数减小幅度大，6个小时以后曲线变缓，渗透系数减小趋势减弱，至18个小时后曲线趋于平稳。由此可知，如果土样没有完全饱和，会使测得的渗透系数偏大。
2.2渗透系数与掺和比例、干密度的关系
变水头渗透试验开始前，制备9组试样，分别为35-150（红粘土与砂土体积比35%的掺合料，用压样法得到干密度为1.50g/cm3的试样）并采用《土工规程》要求进行试验，每次试验中随时多次测量供水瓶内蒸馏水温度，并通过渗透系数转换公式得到20℃下渗透系数k20的值。
表2 试样的渗透系数
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图3 渗透系数—干密度关系曲线
表2为9组试样经过变水头试验得出的数据，图3为数据处理后得到的渗透系数干密度之间的关系曲线，由图可知当试样中红粘土与砂土掺和比例相同时，试样渗透系数随着干密度增大呈减小趋势，即试样越密实，渗透系数越小，其中当干密度1.50g/cm3—1.60g/cm3时图中曲线较陡，渗透系数减小幅度大，而当掺和量增加到1.70g/cm3时，曲线变缓，渗透系数减小趋势减弱。
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图4 渗透系数—红粘土掺和量关系曲线
表2为9组试样进过变水头试验得出的数据，图4为数据处理后得到的渗透系数与掺和量及干密度之间的关系曲线，由图可知当试样干密度相同时，试样渗透系数随着红粘土掺和量的增大呈减小趋势，即试样中红粘土掺和量越大，试样渗透系数越小，其中当红粘土掺和量为35%—40%时图中曲线较陡，渗透系数减小幅度大，而当掺和量增加到50%时，曲线变缓，渗透系数减小趋势减弱。
3、结论
本次试验历时近3个月，为保证试验结果具有可靠性、可重复性、代表性，土料取样选自设计图纸要求土场内不同探坑。每一组试样的制样至变水头渗透试验都严格按照《土工试验规程》 SL237-1999 中的要求进行。渗透系数读数重复六次以上，待试验所得渗透系数趋于稳定后，再将试验数据纳入结果，最后结果取其平均值。经过试验论证得到以下研究结果，可为变水头渗透系数相关试验提供参考。
⑴试样进行变水头渗透试验前，必须放入饱和器充分饱和18h以上，才可进行变水头渗透试验，否则试验所得渗透系数会大于实际结果。
⑵南湖挡水坝掺和土试样的渗透系数随干密度的增大呈负相关，且干密度大于1.60g/cm3后渗透系数减小趋势变弱。
⑶南湖挡水坝掺和土试样的渗透系数随红粘土掺和量增大呈负相关，且掺量超过40%后渗透系数减小趋势变弱。同时红粘土掺和量对渗透系数的影响大于干密度的影响。
⑷如土样不经过充分饱和直接进行变水头渗透试验，试样初次渗水时间会较短，且所得渗透系数较大；经过充分饱和后的试样进行变水头渗透试验，试样初次渗水时间较前者增加很多。
参考文献：
1、宁夏宏禹工程检测有限公司：是一家具有独立法人资格的综合性建设工程专业检测 机构，始建于1963年。
2、达西定律：描述饱和土中水的渗流速度与水力坡降之间的线性关系的规律，又称线性渗流定律。
3、《土工试验规程》 SL237-1999
4、张淑杰.渗透系数的测试方法与分析.哈尔滨建筑工程技术研究院.水利建设
5、李珊珊.李大勇.史萍.粘性土渗透系数测定的影响因素分析.山东科技大学.2015-11-16
6、符二东.变水头法测定渗透系数试验方法分析及探讨.山西建筑.2014.2
注释：
1宁夏水利水电工程局有限公司
2宁夏宏禹工程检测有限公司
3达西定律：描述饱和土中水的渗流速度与水力坡降之间的线性关系的规律，又称线性渗流定律。
论文作者:陈璐
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2018/12/17
标签：系数论文; 水头论文; 试样论文; 粘土论文; 密度论文; 砂土论文; 南湖论文; 《基层建设》2018年第33期论文;