抬田渗流试验研究

为了减小库区的淹没损失，保证库区居民的生产生活用地，采取抬田技术能从根本上解决作物生长期的水分自然排渗和库水上涨顶托对农作物产生的影响。而抬田多元结构地基非饱和渗流技术方面的研究不多，也没有成功解决抬田结构渗流的案例可供借鉴。针对工程实际情况，模拟农作物生产对土层的要求及库区防渗要求，按照土壤溶质渗透规律［3］建立抬田渗流多元结构模型，并监测模型的渗透量变化和土壤水头势分布随时间变化规律，分析抬田结构不同压实度、不同厚度对抬田结构的影响，为多元结构抬田模拟计算提供参考。

1　多元结构地基抬田非饱和渗流模型试验

1．1　土料物理参数测定

试验土样均取自江西峡江枢纽工程库区实施抬田现场。抬田多元结构由耕作层、犁底层、防渗层和垫高层组成，耕作层土料采用原库区表层剥离土料回填，犁底层、防渗层采用库区防渗效果较好的高防渗性粘土，垫高层采用库区风化料。对以上4种土料通过试验得到其颗粒级配、最大干密度、最优含水率、饱和渗透系数等参数。防渗层土料的测定按照文献［5］，在实验室对土料进行压碎筛分，从实验室测定的级配曲线分析，小于0．1mm颗粒约占10％，符合作为防渗层材料使用要求。试验测试结果如表1所示。

1．2　试验模型设计

依据江西峡江水库抬田结构的实际进行模拟，寻求恰当的多元地基结构设计方案。在模型试验的基础上，总结多元地基结构抬田饱和－非饱和渗流的一般规律，为数值计算模型的建立提供依据。根据多层土层饱和－非饱和渗流特性的试验经验［6］，按照耕作层、犁底层、防渗层、垫高层的多元结构思路来设计渗流模型。

防渗层厚度按照施工要求和当地农作物调查应该在30～50cm之间，模型选择厚度为40cm，填筑密度1．53g／cm3，含水率22％。垫高层均采用当地丰富的风化土料，为了满足垫高的要求，取厚度40cm，填筑密度1．53g／cm3，含水率18％；犁底层土料与防渗层土料参数一致，厚度取10cm；耕作层厚度30cm，填筑密度1．64g／cm3，含水率20％。首先模拟地下水位较低，满足自由排渗的工况开展试验，试验时，以底部无水与大气相通模拟自由排渗。在模型顶部表面，保证表面水深2～5cm的稳定补给条件来模拟抬田结构的整体渗透特性，测试抬田多元地基结构的总体渗透量、田间水头势随土壤的分布规律以及田间土壤不同深度处的含水率等变化规律。试验原理如图1所示。

2　结果及分析

2．1

抬田结构自由排流情况下的渗流特性模拟实际生产过程和灌溉条件进行试验，对耕作层土20cm厚度模拟生产进行疏松，然后在耕作层上持续注水2～5mm。从试验过程看，开始的3d时间，抬田结构的整体渗透量较大，每天的渗透量达18～35mm，3d后抬田进入稳定渗流期，渗透量在2～5mm之间，随着时间的推移，耕作层土达到饱和状态，水分逐渐进入防渗层，渗透量基本趋于稳定。观测结果如图2所示，可以看出，随着观测历时增长，到达稳定渗流期后，模型的渗透量基本稳定在3～4mm，证明防渗层的防渗效果比较理想。在观测土体水分渗透量的同时，利用TS－3型三维渗流水势及地下水溶质运移水样盐分采集系统，采集观测点位置的土壤水头势随时间变化过程，观测结果绘于图3。从不同位置测点测得的水头势分布看以看出，测点1、2、3水头势随时间变化接近于0，基本没有负压，证明土层基本处于饱和状态。测点4、5随时间增长，负压值逐渐减小，测点4测得的负压值始终小于测点5的负压值，证明防渗层的中下部处于非饱和状态，并随着时间的增长，饱和度在不断增大，但总体负压势变化较小，说明防渗层防渗效果是理想的。在土柱模型渗流稳定以后，为了比较不同厚度防渗层对渗流的影响，在原试验土柱模型上，挖出原土柱防渗层10cm后土料，即防渗层厚度为30cm，然后重新回填耕作层并注水，继续观测模型的渗透流量。测试发现，在防渗层厚度从40cm减为30cm后，渗流量变化很小，证明防渗层厚度为30cm后，仍可以满足防渗效果。

为了分析土壤负压水头势随深度的变化，每隔5d选取同步监测的结果，绘制负压水头势随深度的变化，如图4所示。测试结果表明，土壤非饱和渗流负压水头势在防渗层以上部分表现为随埋深增加而增大，即饱和度随埋深减小。但在防渗层中下部及垫高层顶部，呈现出负压水头势增大的趋势。在渗透20d以后，土壤负压随埋深的变化趋于稳定，测点的负压值基本保持不变，证明土层处于饱和渗透状态，从渗流量试验结果也证明了这一点。

抬田结构自由排流情况下的非饱和渗流模型试验表明，多元结构抬田渗流特性表现为：①抬田储水初期渗透量较大，每天的渗透量约18～35mm。在经历较短的历时（3d左右）后，渗流量趋于稳定；②当防渗层厚度达40cm，渗透系数达1×10－6　cm／s时，抬田稳定渗流量约1～2mm／d；③防渗层中的渗流水头势分布规律呈现出随埋深增大而减小，仅防渗层中上部呈饱和渗流状态。④

基于设计规范渗流量2～8mm／d的控制标准［7］，防渗层厚度可以按30cm设计，渗透性以不大于5×10－6　cm／s控制。

2．2　抬田结构受地下水顶托作用渗流特性

为了模拟抬田结构受库水位上涨对垫高层形成的顶托，在模型出水口连接管处加设稳定水头，水面位于防渗层顶面以下20cm处，经历时10d的测试，将稳定渗流量和土壤水头势分布规律绘于图5、图6中。从渗流量实测结果看，在地下水顶托作用下，抬田结构的渗流量基本稳定，与自由排流时基本一致。证明有无地下水顶托对抬田结构的渗流量不产生影响。从图6中渗流场水头势比较可以看出，在垫高层中的地下水位埋深较大，试验模型满足自由出渗条件时，垫高层及防渗层底部以下范围多处于较高的负压非饱和区，但当垫高层中的地下水位较高，对防渗层形成渗流顶托时，随着持续历时的增长，负压水头势由16kPa降低至3～6kPa，这一历时过程约2～3d。然而，随着观测历时的继续增长（5～7d），防渗层及以下区域基本处于饱和状态，防渗层底部形成20～30cm的承压水头，测点4、5负压值均随时间逐渐变小，测点5位于垫高层，负压消减速度较快，证明在地下水顶托作用下垫高层很快处于饱和状态，测点1、2、3变化不明显，证明在地下水升高时，耕作层、防渗层已经处于饱和状态，地下水顶托对抬田结构上层水头势影响不敏感。因此，抬田防渗层厚度30～40cm，对于库水形成的顶托防渗作用效果仍可满足控制要求。

3　结　论

1）对于抬田多元结构地基而言，关键技术是防渗层的处理，在选择防渗层土样时要满足土料的细粒比例（≤0．1mm颗粒）要达到10％以上，稳定渗透系数应不大于5×10－6　cm／s以上。2）通过对渗流模型在下游自由排流作用下的渗流量和土壤水头势曲线分析，在灌水初期，抬田结构渗流量稍大，3d以后，渗流量基本稳定在3～4mm之间，满足设计规范规定的渗流量2～8mm／d的要求。证明抬田多元地基结构的组成符合农作物灌溉要求。3）对于抬田多元地基结构组成，在满足工程要求的基础上，将模型防渗层厚度由原来的40cm减小到30cm，抬田的渗流量约3mm／d，相对于40cm厚度防渗层的稳定渗流量（2mm／d）稍有增加，因此可以认为，在严格控制防渗层施工质量的前提下，防渗层有效厚度减小为30cm仍然可行。4）当库水上涨对抬田底部形成顶托时，抬田垫高层、防渗层饱和速度较无顶托时快，而且在经过较短时间（2～3d）后就能基本达到饱和渗流，渗透流量变化很小，证明在地下水顶托作用下对抬田结构的影响很小，防渗层的压实度和厚度可以仅考虑自由排流的情况，也可以通过加厚垫高层的办法减小地下水对抬田结构的渗流影响。以上测试结果是在实验室条件下得到的，在实际工程施工时，应严格控制质量，并根据实际情况适当调整试验参数。