淤填渗压裂缝变形实验研究

本文作者：王虎妹 单位：天津铁道职业技术学院

0前言

一维大变形固结理论是在小变形固结理论的基础上发展起来的，由于小变形固结理论的局限性，人们开始研究新的固结理论来满足新的工程需求。其中以Gibson的一维大变形固结理论［1］为最早。但由于Gibson固结理论中某些假设的存在，使得其具有很大的局限性，人们就不断地对Gibson理论进行修正以符合特定的需求。本论文针对黏土铺盖裂缝的淤填处理问题，对渗压作用下的淤填黏土的固结机理进行了研究。

1理论模型

图1为淤填黏土渗压固结［2，3］理论模型，其0-0截面为水面初始高度，1-1截面为施加水压力后的高度，2-2面为初始状态的淤填黏土顶面，3-3面为固结黏土层顶面，4-4面以下为黏土铺盖下的透水层，该透水层为砂层。ΔABC为施加渗压前的有效应力分布，ΔA'B'C'为固结完成时的有效应力分布。固结方程的自变量不同，求解方式不同，本文基于有限应变固结理论分别推导出以超孔隙水压力和孔隙比表示的有限应变渗压固结偏微分方程［4］。式中:ue为超孔隙水压力;e为孔隙比;t为固结历时;a为土层某一截面的初始高度;CF为有限应变固结系数;BF为有限应变固结对流项系数;Be为有限应变固结对流项系数(包含BF)。对于黏土铺盖的实际情况，采用超孔隙水压力为控制变量较孔隙比为控制变量更为直观和合理。

2模型试验

针对实际工程中黏土铺盖裂缝［5］的淤填问题，为模拟铺盖裂缝淤填沉积土层在渗透压力作用下的固结过程并对本论文建立的理论模型和计算结果进行验证，特设计模型试验［6，7］。

2.1试验材料模型试验以河北省鹿泉市西薛庄水库的黏土铺盖裂缝为模拟对象(有关该水库的基本情况详见第4部分现场试验)。试验用土的物理性质指标见表1。

2.2模型试验装置与测试系统模型箱高50cm，长90cm，宽40cm，箱体底面为高强度塑料板，模型箱各面及顶部(盖板)均用有机玻璃板连接并密封，箱体外部用不锈钢骨架连接并用角钢固定，模型试验装置如图2所示。考虑到模型的相似性问题，模型部分自下而上分为三部分:底部铺设10cm厚的粉细砂层模拟铺盖下的透水层;中部根据需要设置铺盖，厚度在6～12cm不等，贯穿铺盖的裂缝预留在该段;上部模拟库区上游，填料的沉淀沉积路经该段。本文所指的裂缝均为贯穿铺盖的裂缝。

2.3模型试验过程模型试验是将预制的泥浆用小型泥浆泵或输浆导管压送到模型箱的裂缝处，泥浆经沉淀沉积并承受向下的渗透力而开始淤填。试验开始前，首先根据模拟水库原型水位情况选择试验压力，调整并记录孔隙水压力传感器读数，试验开始的同时打开底板上的渗流出水口，淤填沉积层(泥浆)在渗流应力作用下开始固结。测量固结期间沉积层变形值和渗透流量。待渗压固结趋于稳定，通过探针式孔隙水压力传感器从试样底部插入试样不同深度，测出孔隙水压力沿土层的分布值及土层的含水率分布。根据含水率分布得到孔隙比分布。上述指标的测试步骤与渗透诱发固结试验基本相同，不再赘述。考虑实际裂缝的形状特点，将模型试验中模拟的裂缝形状概括为四种，如图3所示。

2.4模型试验结果为便于对各种断面形状裂缝的淤填效果进行对比分析，将模型中的各种裂缝体积均按相同数值分别在各自的试验中体现出来。由于裂缝体积、承受的渗透压力相同以及淤填厚度相近，各个模型的试验结果具有一定的可比性。

2.4.1渗透流量的变化将各种裂缝淤填固结过程中的渗透流量过程线绘于图4中，由图可见，在开始渗透的初始阶段，穿过各种断面形状裂缝的渗流量均较大，且随时间增加而逐渐减小。裂缝形状不同，穿过裂缝的渗流量的减弱趋势不同。单个矩形裂缝较多个小宽度矩形裂缝的渗流量在初始时的渗流量相差较大，但随固结的进行，二者渗流量的变化趋于一致:对于倒梯形断面(上大下小)，渗流量初始值就减小很多，试验结束时渗流量减小到最小，说明淤填效果最好;正梯形裂缝由于汇流面积及淤填土面积较狭窄，而渗流溢出处宽度较大，渗透流速在裂缝内分布不均匀，渗透力减弱，导致淤填效果欠佳。

2.4.2淤填土层沉降变化［8］图5为各种形状裂缝中淤填土层表面中心点的沉降变化曲线。可见，单个宽大裂缝中淤填土的沉降大于多个较小裂缝中土的沉降值。这是因为单个裂缝的宽度较大，淤填土层中心的沉降受侧壁影响较小。倒梯形裂缝由于裂缝外边缘的土粒随水流汇集到裂缝中，增加了裂缝的渗透体积，故表面沉降值小;而正梯形断面裂缝内淤填土表面沉降较大，因此，一次淤填不能达到较好的效果。

2.4.3淤填土层孔隙比与孔隙水压力分布固结完成后实测的土层含水率分布见表2，以单个矩形裂缝淤填固结为例，超孔隙水压力沿深度的变化曲线见图6，由含水率得到的孔隙比沿深度的变化曲线见图7。图6为实测的孔隙水压力、超孔隙水压力与理论计算的超孔隙水压力在三个不同时刻的对比曲线。由曲线的分布可以看出，计算得出的超孔隙水压力与相应时刻的实测值吻合较好，只是在淤填层的下半部两者稍有差异，其原因是实测时孔隙水压力滞后所致。根据孔隙水压力的对比分析可知，与施加外荷载引起土体变形的根本区别在于，由渗压产生的超孔隙水压力并不能完全转化为有效应力，只有接近一半的超孔隙水压力使土体产生渗透诱发固结，并随深度增加而逐渐增加直至淤填层底部达到最大，但仍存在着倒三角形分布的超孔隙水压力并使淤填土层中的渗流趋于稳定。理论计算与由实测含水率计算得到的孔隙比分布曲线见图7。该图表明，数值计算得到的孔隙比与试验中通过实测含水率分布计算得到的孔隙比吻合较好。

2.5试验结果模型试验结果表明，用泥浆泵将泥浆直接送入裂缝处进行淤填处理的方法可以有效地处治铺盖裂缝。该试验为实际工程中黏土铺盖裂缝的治理提供了施工依据，同时也验证了前述所建立的理论模型的适用性及合理性。为尽快将渗压作用下的固结理论应用于实际工程并对其进一步实践检验，与有关部门协商，进行了现场试验，试验场地选择在鹿泉市西薛庄水库。

3现场试验

3.1工程概况西薛庄水库位于鹿泉市白鹿泉乡西薛庄村南，坝址座落在太平河支流上，是一座以防洪、灌溉为主的小(二)型水库。该水库始建于1974年1月，控制流域面积5.5平方公里，总库容21.80万立方米。坝体为均质土坝，坝长110.0m，坝高12.0m，正常蓄水水头8.0m。该库下游有东胡申、西胡申、白鹿泉、枣林等村，涉及人口1483人，受影响最近的西胡申村距离水库不到1km，该水库担负着下游6个村1483人、2202亩耕地的防洪与灌溉任务。水库运行30多年来，工程老化失修，尤其是水库渗漏问题严重，严重影响水库的防洪安全和灌溉效益的发挥。为此，2003年石家庄市财政局、水利局批准对水库进行防渗加固处理。2004年石家庄市水利局市水管字［2004］4号文批复了“西薛庄水库防渗加固实施方案”。进入现场，首先对库区情况进行了有关方面的勘查。经过勘查表明，该水库是具有水平防渗(黏土铺盖)的均质土坝，黏土铺盖厚度为0.8～1.0m。水库的渗漏主要是黏土铺盖裂缝造成的，经勘查共发现裂缝37条，塌坑8个。其中裂缝最大宽度20cm，绝大部分裂缝均贯穿铺盖;塌坑的最大直径1.8m，塌坑边缘分布着辐射状裂缝。渗漏造成库区水位常年低于正常水位2m，严重影响水库灌溉效益的发挥。“96.8”洪水后又加剧了渗漏险情，严重影响到水库土坝的稳定和下游人民的财产和安全。

3.2场地工程地质与水文地质条件在1974年西薛庄水库工程开工前，未进行详细的工程地质与水文地质勘查，原有资料也部分缺失。经反复调查得知，水库土坝地基分布有震旦系硅质灰岩，夹少量薄层泥灰岩;第四系含碎石红黏土、卵石、砾石、砾砂、粗细砂、黏土、粉质黏土。水平铺盖下为厚约3～4m的密实砂砾层。震旦系硅质灰岩富含裂隙水，第四系砂及卵石层为含水丰富的孔隙含水层，各含水层的水均属潜水。该区无岩溶地段。其他工程地质与水文地质条件可参阅有关资料。

3.3现场试验进度与工程量现场试验的计划工期为40d。首先，完成库区裂缝的测量工作以及现场淤填用黏土土料的准备工作;其次，完成现场注浆工作，前后共进行了三次注浆。现场试验的工程量:在水库上游坝坡坡脚之前50m范围内为淤填加固区，其面积约为4000m2。吹填黏土量近1600m3。

3.4现场淤填效果分析由于水库在修建时未埋设测压管等监测设施，因此在现场试验施工期间不能随时观测坝体及坝基的水位变化，只能根据淤填后库区水位与往年同期库区水位比较间接反映淤填加固效果。西薛庄水库没有降水测量站点，但在水库同一流域下游5km，与水库同属白鹿泉乡的曹家坊(1999年、2000年)和郄庄(2001年—今)有降雨量观测点，下面数值为两雨量观测点观测的年降雨量。1999年，526.7mm;2000年，637mm;2001年，328mm;2002年，488.3mm;2003年651.0mm;2004年513.0mm。从近6年的降雨量来看，该水库周边2004年的降雨量列第4，低于石家庄市多年平均降雨量552.0mm(石家庄市1999年至2004年的平均降雨量分别为:398.5mm，559.3mm，341.0mm，459.7mm，596.2mm，578.5mm)，属正常偏枯。1999年至2003年，该水库多次在汛期蓄水较多，但汛后很多水被渗漏，特别是2000年，水库曾蓄满水并溢洪，2个月后，水库蓄水深度也仅剩2m。2004年对水库的黏土铺盖裂缝进行处治后，2004年11月水库的蓄水深度约4m，较往年同期上升近2.0m，且2004年后该水库上游未发生强降雨，未形成入库洪峰，水库泄洪洞和溢洪道均未出水，而在此期间下游灌溉用水未曾停止过。由此可见，西薛庄水库采取的淤填防渗加固措施是有效的，达到了预期的效果。

4结语

本文针对黏土铺盖裂缝的淤填处理问题，对渗压作用下的淤填黏土的固结机理进行了研究。推导出了有限应变渗压固结理论模型，并通过模型试验

模拟了裂缝处淤填固结的全过程，同时对理论模型进行了验证。最后以模型试验结果为依据指导了现场试验。通过上述一系列研究，得出如下结论。(1)通过分析超静水压力作用下的淤填黏土的固结机理，基于有限应变固结的基本理论分别推导出以超孔隙水压力、孔隙比为控制变量的有限应变渗压固结微分方程。该固结为渗压体积力作用下的固结问题，不同于已有的面荷载作用下的固结问题。(2)对以孔隙水压力和变形表示的固结度的变化规律进行了分析，结果表明，在相同条件下，按变形表示的固结度要大于按孔压表示的固结度，固结速率较快。(3)通过模型试验模拟渗压作用下淤填黏土的固结过程，为指导现场试验提供了可靠依据，并对本论文推导的理论模型和求解结果进行了验证。分析结果说明了本论文建立的渗压作用下的有限应变固结理论模型及求解方法的适用性和合理性。(4)通过室内模型试验和现场试验结果总结出铺盖裂缝淤填处理方法的适用范围———小型水库以及水位较低的中型水库。在模型试验的基础上进行了野外现场试验，结果表明，用渗压固结方法治理黏土铺盖裂缝能取得令人满意的效果。(5)采用本方法可获得良好的防渗效果并可以避免盲目施工。对于小型水库而言，在对水库渗漏情况进行充分调查研究的基础上，进行年内多次淤填，可彻底解决渗漏问题。但是，就黏土铺盖而言，仍然存在渗透现象(即微量水穿过铺盖或淤填沉积层渗向下游)，并对下游土壤的毛细水具有一定的补给作用，有利于农作物及库区下游的生态平衡。另外，本方法对环境无污染，有利于环境保护。