北疆供水工程白砂岩地基的渗透性研究.pdf

2023年7月收稿日期：20230220基金项目：国家自然科学基金项目：四维同化框架下荒漠河岸林蒸散与地下水互制机理解耦建模（U2003105）作者简介：王永鹏（1993），男，研究生在读，主要研究方向为水文及水资源。通信作者：杨鹏年（1966），男，教授，博士生导师，主要研究方向为干旱区地下水资源利用。DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.023北疆供水工程白砂岩地基的渗透性研究王永鹏1，2，刘洪强1，杨志勇1，杨鹏年2，冯思阳2（1.新疆水利发展投资集团，新疆乌鲁木齐830000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052）摘要：北疆供水工程的地基土层以含局部泥岩夹层的白砂岩地基为主，其水力特性关乎工程病害的形成与发育。以倒虹吸段白砂岩地基土为研究对象，分别取白砂岩和夹层泥岩土样，通过室内试验确定其渗透系数；并通过现场原位竖管试验测定白砂岩地基垂向与水平渗透系数对比。结果显示，室内试验确定的白砂岩与泥岩的工程分类分别为粉土质沙和低液限黏土，渗透系数分别为1.0410-5和5.8710-7m/s；现场竖管试验测定的白砂岩地基垂向渗透系数为5.4010-7m/s，水平为1.4510-5m/s，水平渗透系数是垂向的26.85倍；白砂岩地基垂向渗透系数取决于泥岩夹层，水平方向取决于白砂岩主层；白砂岩地基垂向渗透系数在数值上与泥岩十分接近，水平方向略大于白砂岩。白砂岩、泥岩中过高的细颗粒含量和较高的密实度使得白砂岩地基整体具有较差的渗透性，白砂岩地基沉积层的各向异性导致其不同方向渗透系数差异悬殊。关键词：白砂岩地基；粒径分析；竖管试验；各向异性；渗透系数中图分类号：TV223.1文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）07-0086-04Permeability of White Sandstone Foundation in North XinjiangWater Supply ProjectWANG Yong-peng1，2，LIU Hong-qiang1，YANG Zhi-yong1，YANG Peng-nian2，FENG Si-yang2（1.Xinjiang Water Development Investment Group，Urumqi 830000，China；2.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）Abstract：The foundation soil layers in North Xinjiang Water Supply Project mainly consist of white sandstone withlocalized interbedded mudstone，and their hydraulic characteristics are crucial to the formation and development ofengineering diseases.Taking the white sandstone foundation soil in the inverted siphon section as the research object，laboratory tests are conducted to determine the permeability coefficients of the white sandstone and interbedded mudstonesamples.In-situ vertical tube tests were also carried out to compare the vertical and horizontal permeability coefficients ofthe white sandstone foundation.The results reveal that the engineering classification of the white sandstone and mudstonedetermined from the laboratory tests are silt-like sand and low liquid limit clay，with permeability coefficients of 1.0410-5m/s and 5.8710-7m/s，respectively.The in-situ vertical tube test determines a vertical permeability coefficient of 5.4010-7m/s and a horizontal permeability coefficient of 1.4510-5m/s for the white sandstone foundation.The horizontalpermeability coefficient is approximately 26.85 times greater than the vertical coefficient.The vertical permeabilitycoefficient of the white sandstone foundation is controlled by the mudstone interbeds，while the horizontal direction wasinfluenced by the main white sandstone layer.The vertical permeability coefficient of the white sandstone foundation isnumerically close to that of the mudstone，while the horizontal direction shows slightly higher permeability than the whitesandstone.The high content of fine particles and compactness in both the white sandstone and mudstone contributes to theoverall poor permeability of the white sandstone foundation.The anisotropy of the sedimentary layers in the white sandstonefoundation results in significant differences in permeability coefficients in different directions.Key words：white sandstone foundation；particle size analysis；vertical pipe test；anisotropy；permeability coefficient渗透性是地基土层的重要工程性质之一，综合反映了水在土体孔隙内流动的难易程度，是分析土中动水压力和土工结构物在降雨及水位变化作用下稳定性所必需的参数1，对研究土体渗流、沉降变形以及结构稳定等问题有重要意义2。海河水利862023.No.7北疆地区修建的众多输水渠道、公路及铁路等重大工程均穿越含泥岩、白砂岩地基3，北疆供水工程主体明渠段与倒虹吸段地基以白砂岩为主4。由于采取间歇性输水模式，停水期间明渠基土内的水若不能及时排出，易引发底部和边坡预制板拱起、鼓胀和渗透破坏等问题；同时，若倒虹吸等建筑物地基排水不畅，将造成建筑物基础长期浸泡于地下水中，导致基础混凝土腐蚀破坏以及强度下降等后果。鉴于以上问题，白砂岩地基渗透性的研究对北疆供水工程安全运行尤为重要。影响土层渗透性的因素很多，对于砂质土，其渗透性主要取决于土颗粒粒径特性、土体密实度、流体性质等1；而对于黏性土而言，其塑性指数在一定程度上综合反映了土颗粒的大小和矿物组成，塑性指数与孔隙率是影响渗透性的 2 个最重要影响因素5。Darcy通过对均质砂滤床进行大量渗透试验，建立了研究土体渗流理论基础，揭示了流速与能量损失之间的关系5。太沙基、哈臣等认为粗粒土渗透性主要取决于有效渗透粒径，提出了用特征粒径来计算渗透系数的经验公式5，6。周葆春等7通过对膨胀土渗透系数与干密度的关系研究，指出渗透系数与干密度为单调关系，表明膨胀土渗透性与孔隙比息息相关。党发宁等8考虑结合水膜对黏性土渗透特性的影响，定义黏性土的有效孔隙比，得出同时适用粗粒土与黏性土的渗透系数经验公式。竖管试验是基于变水头达西定律、利用实时观测的时间与水位序列数据计算渗透系数的方法，其可根据需求改变埋设于土体中测管的角度实现任意角度渗透系数的测定，试验方法简单易行。室内试验配合经验公式研究渗透系数方法较为简便、易操作，但选择适用的经验公式尤为重要；现场原位试验历时长，选择具有代表性的位置和减少操作误差是关键。基于此，通过白砂岩地基土样室内试验，在确定其物理力学性能和工程分类的基础上，针对白砂岩与泥岩分别遴选出适合的经验公式，计算其渗透系数；并通过现场竖管试验对比验证，综合分析白砂岩地基的渗透性能。1方法与数据处理1.1室内试验确定渗透系数的方法与过程1.1.1渗透系数确定方法（1）粗颗粒土的渗透系数。对于粗颗粒土，由于粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒填充，粒径大小与级配对渗透系数影响最为显著，采用通过确定有效粒径9的方法计算其渗透系数，计算方法如下。k=C d2e（1）式中：k为渗透系数（m/s）；C为经验系数，取40；de为有效粒径（mm），一般取质量含量累计 10%对应的粒径。（2）细颗粒土的渗透系数。就细颗粒土而言，其渗透性除与粒径大小有关外，主要取决于其孔隙比与矿物成分。采用以往学者提出的黏性土渗透系数室内测定方法5，计算方法如下：k=10(e-)（2）式中：e为土体孔隙比；、均为常数，取决于黏性土的塑性指数IP（%），可分别表示为=10，=0.01IP+0.05。1.1.2室内试验过程新疆准葛尔盆地腹地内洼地的北疆供水工程管基土层以灰白色的白砂岩为主，竖向剖面上含局部红褐色泥夹层。通过明挖，在纵向剖面上分别采集管基表层、管基以下1、2 m处的3组白砂岩土样以及管基以下0.3、1.7 m处的2组泥岩夹层土样。土样颗粒级配根据 土工试验规程 的分类标准，采用筛分法结合密度计法对土样进行粒径分级。对试验土样用比重瓶法测定其比重GS，环刀法测定其密度，烘干法确定其含水率，搓条法确定其塑限，液限仪测定其液限，而孔隙比 e 通过土样含水率、密度和颗粒比重3项换算得到。1.2现场渗透试验布置与数据处理方法1.2.1实验原理及现场原位实验装置本次白砂岩管基渗透系数基于变水头达西定律，通过现场竖管试验测得，计算公式如下：k=Lt2-t1 lnH1H2（3）式中：k为渗透系数（m/s）；L为竖管内沉积物长度（m）；t1、t2分别为2次观测间隔时间（s）；H1、H2分别为t1、t2时刻竖管内液面高度（m）。竖管采用直径 100 mm、长 1 800 mm 带刻度的亚克力透明管，分别测定白砂岩地基垂向和水平渗透系数，试验装置如图1所示。图1竖管试验装置示意白砂岩地基竖管内液面H2H1H0H0H1H2LL王永鹏，刘洪强，杨志勇，等：北疆供水工程白砂岩地基的渗透性研究872023年7月1.2.2竖管试验数据处理方法本次对达西公式做变形改进处理，先做移项处理，见式（4）；再改变计算周期，即每一次测定时，将初始时间和初始水位分别定义为上一时刻与水头值，将式（4）中上一时刻H1、t1更换为初始值H0、t0（t0时刻为0），将H2、t2更换为实时数据H、t，改进后见式（5）。如此，通过绘制ln(H0L/H)-t曲线，其斜率则代表了测定土层的渗透系数；通过延长t1、t2时刻及H1、H2水头的时间尺度，有效地消除了因测定时间间隔不同、读数不精确等导致的人为误差和累计误差。lnH1LH2=k(t2-t1)（4）lnH0LH=k t（5）2结果与分析2.1白砂岩与泥岩的工程分类及其渗透系数确定2.1.1白砂岩与泥岩工程分类根据 土工试验规程 分类标准对白砂岩、泥岩粒径进行分级，结果详见表1。通过室内试验，测定的白砂岩与泥岩比重、密度、含水率、塑限、液限、孔隙比等物理力学性能指标详见表2。白砂岩、泥岩粒径分布显示：3组白砂岩砾粒含量均为0，细颗粒含量（黏粒与粉粒）均值为28.44%（15%Pd0.07510），液限为31.90%（L50），液性指数仅为0.04（0IL0.25），将其定义为硬塑状态低液限黏土。2.1.2白砂岩、泥岩渗透系数室内试验测定白砂岩主要成分为粉土质沙，故采用确定沙质土渗透系数的有效粒径法计算其渗透系数。已有研究表明d10是粗粒土渗透性的有效粒径9，依据粒径分析结果，绘制白砂岩颗分曲线如图2所示。颗分曲线显示：白砂岩有效粒径d10为0.051 mm，经计算确定其渗透系数为1.0410-5m/s。泥岩主要成分为低液限黏土，塑性指数在一定程度上综合反映了土颗粒的大小和矿物组成，故采用基于塑性指数和孔隙比计算低液限黏性土渗透系数的方法确定泥岩的渗透系数；室内试验测定的泥岩塑性指数为17.38，孔隙比为0.84，经计算确定泥岩渗透系数为5.8710-7m/s。泥岩渗透性极低，近乎为不透水层；白砂岩渗透系数尽管也很小，但相较于泥岩，其渗透系数是泥岩的17.71倍，具有一定的渗透性。2.2白砂岩地基垂向与水平方向渗透系数计算本次试验过程中，每间隔510 min测定1次水位落差，经长时间、多次测定后，计算白砂岩地基渗透系数，结果详见表3。经整理，绘制白砂岩地基渗透性试验ln(H0L/H)-t过程曲线，如图3所示。曲线显示：垂向和水平向相关系数分别高达0.946和0.985，整体线性拟合趋势良好，其拟合曲线斜率可有效地表达白砂岩地基的渗透系数。由图3可知，白砂岩地基垂向渗透系数为5.40107m/s，水平向渗透系数为1.45105m/s；渗透性在不同方向上相差悬殊，水平向渗透系数是垂向的26.85倍。表1白砂岩、泥岩粒径分布粒组统称砂砾含量/%粉粒含量/%黏粒含量/%粒径区间/mm2110.50.50.250.250.0750.0750.050.050.0050.0050.001白砂岩取样点至管基以下深度/m01.000.640.4370.5618.246.083.0410.030.180.1767.3521.517.173.5921.083.320.7869.1417.135.712.85泥岩0.35.3955.8638.751.714.3749.0436.59表2白砂岩、泥岩物理力学性能指标项目颗粒比重含水率/%天然密度/（gcm-3）塑限/%液限/%塑性指数/%液性指数孔隙比/%白砂岩2.709.841.680.77泥岩2.7215.211.7014.5231.9017.380.040.84图2白砂岩颗分曲线小于某粒径质量百分数/%100908070605040302010010.50.10.050.01粒径/mm颗粒累计曲线颗粒分布曲线海河水利882023.No.72.3白砂岩地基渗透性各向异性及其原因分析通过明挖发现，白砂岩地基整体密实度较大，开挖难度高；通过环刀法测得的白砂岩天然密度为1.68 g/cm3，泥岩为1.70 g/cm3；其较高的密实度影响了白砂岩地基整体渗透性。就土体类别和土层结构而言，白砂岩土质较为单一，竖向剖面含局部泥岩夹层，整体以白砂岩为主；地层呈明显多层土结构，沉积结构明显，呈明显的各向异性特征。由于多层土结构，垂向有效渗透系数取决于渗透系数较小的土层10；说明白砂岩地基中泥岩夹层尽管很薄，但其极小渗透性严重阻碍了地表明水的垂向渗漏，使得垂向渗透性显著下降，这也是白砂岩地基垂向渗透系数在数值上与室内试验测定的泥岩渗透系数较为接近的原因。而就水平向有效渗透系数而言，其大小则主要取决于较厚层的渗透性10，表明白砂岩地基水平向渗透性取决于主层的白砂岩；白砂岩为粉土质沙，其具有一定的渗透性；同时，由于白砂岩地基土层整体呈现明显的多层沉积结构，沉积层间的间隙在一定程度上也提高了白砂岩地基的水平渗透性，致使白砂岩地基水平渗透系数在数值上略大于白砂岩。3结论与展望北疆供水工程白砂岩地基的主成分白砂岩为粉土质沙，其渗透系数为1.0410-5m/s；局部的泥岩为低液限黏土，渗透系数为5.8710-7m/s。通过现场竖管试验发现白砂岩地基整体渗透性很弱，垂向渗透系数为5.4010-7m/s，水平向为1.4510-5m/s；垂向渗透系数与泥岩十分接近，水平向与白砂岩接近。这表明白砂岩地基垂向有效渗透系数取决于透水性极小的薄泥岩夹层，水平向取决于大厚度的白砂岩层。白砂岩地基密实度高，其主成分白砂岩细颗粒含量高达28.44%，泥岩细颗粒含量更是达到100%；较大的密实度和过高的细颗粒含量，致使白砂岩地基整体渗透性较差；竖直剖面上，存在的渗透性极小的局部泥岩夹层阻碍了地表明水的垂向渗透，加剧了白砂岩地基渗透性下降。谭志翔等4采用室内试验方法测定的北疆灌区白砂岩渗透系数为7.2310-7m/s，崔子宴等11采用太沙基固结理论确定的北疆供水工程白砂岩地基的渗透系数数量级为10-610-8m/s；较上述研究，针对白砂岩地基的各向异性特征，本文提出了白砂岩地基不同方向的渗透系数，确定的白砂岩地基垂向渗透系数与前述研究结果接近，而水平向渗透系数较前述研究大12个数量级。造成这一现象的原因在于白砂岩地基沉积层的各向异性；同时，由于沉积层间间隙的存在，一定程度上提高了水平向的渗透性，从而加剧了白砂岩地基不同方向渗透性差异，这也是白砂岩地基不同方向渗透性差异悬殊、水平向渗透系数比垂向高26.85倍的原因。参考文献1 苏立君，张宜健，王铁行.不同粒径级砂土渗透特性试验研究J.岩土力学，2014，35（5）：1289-1294.2 卢宁.非饱和土力学M.北京：高等教育出版社，2012.3 罗文灵，张恒，余勇，等.“白砂岩”在大型渠道高填方工程实践中的成功应用J.水利建设与管理，2002，22（6）：43-44，47.4 谭志翔，王正中，葛建锐，等.北疆白砂岩与泥岩的土水特征曲线及渗透曲线实验研究J.岩土工程学报，2020，42（S1）：229-233.5 李广信.土力学M.北京：清华大学出版社，2004.6 叶火炎.工程地质与土力学M.北京：中国水利水电出版社，2005.7 周葆春，孔令伟，郭爱国.荆门弱膨胀土的胀缩与渗透特性试验研究J.岩土力学，2011，32（S2）：424-429，436.8 党发宁，刘海伟，王学武，等.基于有效孔隙比的黏性土渗透系数经验公式研究J.岩石力学与工程学报，2015，34（9）：1909-1917.9 白识英.渗透率和粒径的相关性J.水文地质工程地质译丛，1991（2）：5.10 蒋辉.地下水动力学M.北京：地质出版社，2009.11 崔子晏，张凌凯.北疆某工程膨胀土的力学特性及微观机制试验研究J.水利水运工程学报，2022（6）：103-112.表3白砂岩地基竖管试验水头变化过程时间/min05111828415266748090102118测管内沉积物长度/cm450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00450.00实时水头/cm135.00134.92134.82134.70134.53134.33134.29134.18134.10134.05134.00133.85133.70测管内沉积物长度/cm300.00300.00300.00300.00300.00300.00300.00300.00300.00300.00300.00300.00300.00实时水头/cm180.00176.95173.76170.20165.65158.79154.68145.48144.02142.27139.45135.92129.90图3竖管试验ln（H0L/H）-t过程曲线水平向垂向109876543210ln（H0L/H）/10-2y=1.4510-5x+805.84R2=0.985y=5.4010-7x+8 938.72R2=0.94601 0002 0003 0004 0005 0006 000t/s王永鹏，刘洪强，杨志勇，等：北疆供水工程白砂岩地基的渗透性研究89