復(fù)合地層穩(wěn)態(tài)滲流水頭損失計(jì)算模型試驗(yàn)研究

張喆，王強(qiáng)，鄧國華，楊黨校

摘要：研究預(yù)測復(fù)合地層滲流過程中水頭損失變化規(guī)律與簡化計(jì)算，針對(duì)不同類型的復(fù)合地層進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流條件下的水頭損失簡化計(jì)算模型試驗(yàn)。結(jié)果表明，復(fù)合地層滲流過程水頭損失明顯受到地層交替分布影響；粗粒土復(fù)合地層按照滲透系數(shù)較大的土層向滲透系數(shù)較小的土層方向連續(xù)滲流，水頭損失大小采用達(dá)西定律簡化計(jì)算；滲透系數(shù)小的粉質(zhì)黏土層若是位于復(fù)合地層的上層或是中層，可能出現(xiàn)滲流的不連續(xù)，甚至是水頭的消失，水頭損失大小由滲透系數(shù)最小的地層控制簡化計(jì)算；位于大厚度粉質(zhì)黏土層下的飽水地層，水頭損失從粉質(zhì)黏土層臨界面以下土層進(jìn)行重新簡化計(jì)算。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層；滲透系數(shù)；水頭損失計(jì)算；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U212；TU470+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）12-0135-04

Calculation model test study on water head loss in composite stratum under steady-state seepage

ZHANG Zhe 1，WANG Qiang1，DENG Guohua 2，YANG Dangxiao3

（1.Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi China;2.Xian Loess Underground Engineering Technology Consulting Co.，Ltd.，Xian 710054，China；3.Xi'an China Railway Transportations Co.，Ltd.，Xian 710038，China）

Abstract：In order to study and predict the change law and simplified calculation of head loss in the process of seepage in composite stratum，the simplified calculation model of water head loss under steady-state seepage conditions was carried out for different types of composite stratum.The results showed that the water head loss was obviously affected by the alternate distribution of stratum.The coarse-grained soil composite strata had continuous seepage in the direction of the soil layer with a large permeability coefficient to the soil layer with a small permeability coefficient，and the head loss was simplified and calculated by Darcys law.If the soil layer with low permeability is located in the upper or middle layer of the composite stratum，it will lead to the discontinuity of seepage flow in the composite stratum，and even the disappearance of water head.The water head loss was simplified by the stratum with the lowest permeability.In the water-saturated stratum located under the large thickness silty clay layer，the head loss was resimplified from the soil layer below the critical interface of the silty clay layer.

Key words：composite stratum;permeability coefficient;calculation of head loss;model test

在隧道工程施工時(shí)，地下水滲流一直是工程界非常關(guān)注的重要問題之一，是引發(fā)隧道施工工程問題的重要因素。因此，研究滲流相關(guān)特性規(guī)律十分必要。

以往研究地層滲流特性規(guī)律主要是圍繞單一地層的滲透變形特性和滲透破壞過程展開的，從巖土體顆粒級(jí)配、形狀、密實(shí)度等角度來研究巖土體的滲透相關(guān)規(guī)律居多。但實(shí)際中，在隧道工程穿江過河時(shí)土壓平衡盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定很大程度受到地下水與土壓倉之間高水頭壓力差產(chǎn)生的滲流力的影響，同時(shí)滲流過程中水流經(jīng)過多個(gè)地層，土體發(fā)生損傷時(shí)也伴隨土層中水頭壓力損失。那么如何確定復(fù)合地層中某地層介質(zhì)中水頭壓力大小對(duì)土壓平衡盾構(gòu)穿江過河施工技術(shù)參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要。

研究基于西安地鐵N號(hào)線下穿某河段區(qū)間隧道范圍內(nèi)復(fù)合地層工程情況，開展復(fù)合地層穩(wěn)態(tài)滲流過程水頭損失簡化計(jì)算模型試驗(yàn)，研究揭示復(fù)合地層滲透特性規(guī)律及水頭損失變化規(guī)律，對(duì)于工程建設(shè)實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

1模型試驗(yàn)裝置及操作步驟

1.1試驗(yàn)裝置

目前由于粗粒土粒徑變化范圍大，尚無標(biāo)準(zhǔn)化滲透及滲透變形試驗(yàn)儀器。試驗(yàn)裝置采用自制的多功能粗粒料滲流試驗(yàn)裝置。該裝置由供水供壓系統(tǒng)、入滲系統(tǒng)、與量測系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

1.2試驗(yàn)操作步驟

（1）組裝試驗(yàn)裝置，并注純水檢查試驗(yàn)裝置是否漏水，是否堵塞；（2）鋪設(shè)過濾層;（3）備樣；（4）分層裝樣；（5）排氣飽和；（6）供水供壓，進(jìn)行試驗(yàn);（7）試驗(yàn)結(jié)束，拆除試樣。

2試驗(yàn)方案

2.1單一地層試驗(yàn)方案

單一地層試驗(yàn)用材料取自香～紡區(qū)間右線隧道范圍內(nèi)灞河下地層80 m處，該處全斷面為卵石土，取樣場地地勢平坦，在試樣場地選取3處位置進(jìn)行取樣。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)確定其基本物理參數(shù)為：天然重度2.25 kN/m3，干重度1.85 kN/m3，孔隙比0.46，所取卵石土的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

利用現(xiàn)場所取材料室內(nèi)制備重塑試驗(yàn)樣，進(jìn)行單一地層滲透特性試驗(yàn)。按照試驗(yàn)操作步驟進(jìn)行50 cm厚試樣滲透試驗(yàn)，在試樣的底部、中部、頂部分別設(shè)有測壓孔，在試驗(yàn)過程中進(jìn)行水頭壓力量測，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

2.2復(fù)合地層試驗(yàn)方案

復(fù)合地層試驗(yàn)材料有卵石土、粗砂、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。卵石土由現(xiàn)場所取后篩分所得，粗砂、細(xì)砂選用標(biāo)準(zhǔn)砂，粉質(zhì)黏土由現(xiàn)場所取后篩分所得。材料的粒組劃分見表1。

將試驗(yàn)材料卵石土、粗砂、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土分別按照不同組合組成六種不同的復(fù)合地層，分別標(biāo)記為S1、S2、S3、S4、S5、S6，復(fù)合地層的詳細(xì)組合形式及各個(gè)土層厚度見表2。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1單一介質(zhì)地層試驗(yàn)結(jié)果與水頭損失計(jì)算

圖4給出了單一粗砂地層穩(wěn)態(tài)滲流水頭壓力隨滲透路徑的變化關(guān)系曲線。

從圖4可以看出，水頭壓力隨滲透路徑逐漸變小。較高水頭壓力條件下，滲流速度隨之增大，水頭損失也相應(yīng)增大。

圖5給出了單一粗砂地層的滲透試驗(yàn)結(jié)果中滲流速度（v）與水力梯度（i）的關(guān)系曲線。

從圖5可以看出，單一粗砂的滲流速度與水力梯度之間呈現(xiàn)出比較好的線性相關(guān)關(guān)系?；九c達(dá)西定律符合，從而驗(yàn)證自制滲透試驗(yàn)儀的可靠性。

圖6給出了單一卵石土地層的滲透試驗(yàn)結(jié)果中滲流速度與水力梯度的關(guān)系曲線。

由圖6可知，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用福希海默提出的粗粒土的滲流規(guī)律擬合，在達(dá)西定律的表達(dá)式后加一個(gè)二次項(xiàng)，相關(guān)性更好。

在單一粉質(zhì)黏土試驗(yàn)過程中，頂部測壓管處有土顆粒隨著流出，經(jīng)觀察分析由于該位置處于液體與土介質(zhì)臨界面所致。

圖7給出了粉質(zhì)黏土地層的滲透試驗(yàn)結(jié)果中滲流速度與水力梯度的關(guān)系曲線，并與鄧英爾和劉慈群的低滲透非線性滲流規(guī)律的3參數(shù)連續(xù)函數(shù)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，從圖7可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與3參數(shù)連續(xù)函數(shù)模型計(jì)算結(jié)果較好吻合。

3.2復(fù)合地層試驗(yàn)結(jié)果與水頭損失計(jì)算

在達(dá)西定律Q=K× A× （h2-h1）÷L基礎(chǔ)上，分析模型試驗(yàn)不同復(fù)合土層滲流速度與水頭損失間的變化規(guī)律。

假設(shè)地層分為如圖8所示的層1、層2、層3，共3層。

根據(jù)達(dá)西定律水力坡降（i）的物理意義為單位滲流長度上的水

頭損失，其可表示為：

i=ΔhL（1）

式中：Δh為水頭損失；L為滲徑，也就是使水頭損失為Δh的滲流長度。

根據(jù)水流連續(xù)原理，流經(jīng)各地層的流速與流經(jīng)等效土層的流速相同，推導(dǎo)可得，總水頭差（Δh總）與滲流速度每一地層的滲徑及每一層的滲透系數(shù)之間的關(guān)系：

Δh總=Δh1+Δh2+Δh3 （2）

使水頭損失為Δh總的滲流長度L總：

Δh總=v（L1k1+L2k2+L3k3）（3）

圖9～圖11分別為復(fù)合地層S1、S2、S3的水頭壓力隨滲流路徑變化關(guān)系，3組試驗(yàn)均為大粒徑土層向小粒徑土層滲流的順序。

從圖9～圖11可以看出，整個(gè)滲流過程中經(jīng)過卵石土層水頭損失較緩，復(fù)合地層S1中底部的細(xì)砂層水頭損失最快，復(fù)合地層S2中底部的粉質(zhì)黏土層水頭損失最快。整體上隨著水頭壓力的增大，水頭損失更加顯著，在復(fù)合地層S3中水頭壓力增大到310 cm時(shí)，水頭損失隨滲流路徑整體呈現(xiàn)線性變化趨勢，其原因在于試驗(yàn)過程中粗砂層中細(xì)顆粒發(fā)生遷移滾動(dòng)現(xiàn)象，在底部的粉質(zhì)黏土層也伴隨黏土顆粒遷移到濾水層中，試樣達(dá)到臨界水力梯度值，滲流通道貫通，試樣發(fā)生破壞。

圖12、圖13為S2、S3復(fù)合地層試驗(yàn)滲透系數(shù)與理論公式計(jì)算滲透系數(shù)相關(guān)性關(guān)系。

從圖12、圖13可以看出，復(fù)合地層水頭損失和經(jīng)過理論推導(dǎo)式（2）得到的地層水頭損失變化趨勢一致。即若地層由上向下滲透系數(shù)逐漸變小的自然復(fù)合地層，通過勘察獲取各層滲透系數(shù)，可按照式（2）進(jìn)行水頭簡化計(jì)算，較為簡便的滿足工程建設(shè)需求。

4結(jié)語

（1）復(fù)合地層中土層組合分布順序會(huì)對(duì)滲流過程的連續(xù)性產(chǎn)生顯著的影響，粗粒土地層由大粒徑土層向小粒徑土層滲流，即按照滲透系數(shù)較大的土層向滲透系數(shù)較小的土層方向滲流，該滲流過程完全連續(xù)，其總的水頭損失按理論公式Δh總=v（L1k1+L2k2+L3k3）簡化計(jì)算求取，較為便捷且基本滿足工程建設(shè)需要;

（2）工程實(shí)踐中常將大厚度的粉質(zhì)黏土層可考慮為隔水層，其下若為飽水地層，其水補(bǔ)給考慮為水平向遠(yuǎn)端補(bǔ)給，水頭損失可從臨界面以下土層進(jìn)行重新簡化計(jì)算，以滿足工程建設(shè)需求;

（3）復(fù)合地層穩(wěn)態(tài)滲流過程水頭損失簡化計(jì)算模型試驗(yàn)結(jié)果初步揭示了其水頭損失變化規(guī)律，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

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