大、中、小粒径级配条件下的黄河中游段砂砾石体渗流试验研究

大、中、小粒径级配条件下的黄河中游段砂砾石体渗流试验研究

渗透系数是指饱和多孔介质单元水势梯度时的渗透量。它的大小是直接衡量多孔介质透水性强弱的一个重要的指标。影响渗透系数的因素很多,诸如介质的类型、级配、孔隙比等。自法国工程师达西(H.Darcy,1956)通过对无黏性粗粒土的渗透试验研究得出著名的达西定律以后,渗透系数K的研究倍受众多学者的关注。王万杰、朱崇辉、A.Shafiee等人对渗透系数与砂土颗粒级配间的关系以及河床沉积物渗透系数的计算进行了研究。邱贤德等人对堆石体的研究中发现堆石体的级配特征对其渗透特性有很大的影响,细颗粒对渗透系数的影响与其含量有关,渗透系数随着细颗粒含量的增加而减小。孔令伟、杨靖、魏进兵等人的研究结果表明渗透系数与土体的细粒含量和不均匀系数cu有着密切的联系,渗透系数总体上随细粒的增加而减小,不均匀系数越小,相应的渗透系数越大。由于我国降水资源的短缺,近几年北方地区傍河(例如:黄河)取水工程与日俱增。尽管采取的傍河取水工程的类型多变,但以工业供水和生活用水用户的供水工程,以开采河床地下水的过程为主,这是由于地下水质较好,不受水体含砂率和水文丰枯季、丰枯年的影响的缘故。但是,在开采河谷地下水工程建设中遇到的具体技术问题是:理论计算的渗流水量与实际工程取到的水量相差过大。面对这一生产实践的具体问题,针对河床堆积砂砾石在不同河段处级配不一样的特征,本研究试图以黄河滩地原状自然堆积砂砾石为研究对象,通过室内较大尺度物理模型试验,研究不同级配情况下大、中、小粒径砂砾石含量对渗透系数的影响及其与渗透系数间的关系,为傍河取用地下水提供理论支撑和技术参数。1材料和方法1.1数据分析和结果供试砂砾石采自山西省吕梁市柳林县段黄河滩。砂砾石磨圆程度一般,大粒径的砂砾石多呈棱角状和次棱状,小粒径的砂砾石磨圆度较好一些。采用筛分和比重计相结合的分析方法得到河床天然砂砾石级配如表1所示。天然砂砾石不均匀系数cu≈156,曲率系数cc≈4.33,级配不良,试验用砂砾石不均匀系数cu≈8.4,曲率系数cc≈1.67,级配良好。为达到在揭示不同级配情况下大、中、小粒径砂砾石含量对渗透系数的影响及其与渗透系数间的关系的同时,为傍河取用地下水提供较大渗透系数的双重目标,试验采用的砂砾石介质剔除了天然砂砾石中大于90mm的超大粒径漂石和小于0.1mm的特细颗粒,其级配详见表2。考虑分析的方便,将粒组为90~50mm和50~30mm的砂砾石划分为大粒径砂砾石,粒组30~10mm和10~6mm为中等粒径砂砾石,粒组6~3mm和3~0.1mm为小粒径砂砾石。1.2稳定水头的资源配置试验采用自制的渗流系统进行,试验装置主要由渗流装置、供水装置和测压装置组成,装置示意图如图1所示。渗流装置:渗流装置由钢制上水室、填料室和下水室三部分组成,通过法兰盘相连接。填料室外形为圆柱体,高130cm,沿柱体垂向布置三列孔,分别为测压孔、负压计孔和分层取料孔。上水室和下水室高度均为15cm,下水室固定在高30cm的混凝土底座上,上水室和下水室侧面十字方向分布有4个可控制的小孔,作用为进水或出水口,上水室顶部开有两个可控制的小孔,分别用于排气和灌浑水等。渗流装置一共有两套,高度和结构均相同,区别是内径不同,大渗流柱内径为60cm,小渗流柱内径为30cm。供水装置:供水系统是一个可调节供水水头的稳压溢流装置,结构如图1所示。通过放置高度和旋转螺旋杆调节供水水头高度。圆柱形稳压水箱由内外两层组成,内层顶部低于外层10cm。稳定水头供水装置的工作原理是:供水先从内箱进水孔进入内水箱,当水充满内水箱之后开始溢流到内、外箱环夹层中,通过与外环水箱底部连通的排水孔排出,渗流水从置于内箱底部的供水孔获取。测压装置:测压系统由带刻度的米格纸和测压管组成,分别与渗流柱上0号至12号测压孔通过皮管相连接,用于试验过程中观测渗流柱中各高度处的水位高度。1.3砂石的正交试验设计综合考虑黄河河槽天然堆积砂砾石级配情况,研究目标和试验工作量,将所选定的试验砂砾石分成6个粒级组,即大、中、小粒级各2组。设计最大粒级组分5个水平,其他粒级组设计4个水平。基于正交试验设计方法的试验设计,做适当调整,实际安排试验182组。试验填料比例见表3所示。1.4填料层厚结构配料和填料:按照设计配比,配好7种同一次试验所需的砂砾石。以每次10cm的填筑厚度分层填筑7层试料到设计干密度。顶层(11号孔至上法兰盘中心)和底层(1号孔至下法兰盘中心)2组层厚15cm;其它中间层厚20cm。试验每层填料的平均容重是1.34~2.25kg/m3。试验测试内容:流量、测压管水位和分层给水度。渗流流量待渗流稳定后,量筒测取三次测定值的平均值。分层给水度待渗流试验结束后,分层测定。根据各分层界面的测压管水头计算压力梯度,而后结合流量计算出渗透系数。2结果与分析2.1中、小粒径砂石的渗透系数dt0表4为两个对比组中各组砂砾石的级配情况及对应的d10和渗透系数试验结果,在每个对比组的五组不同级配砂砾石试样中,大粒径的砂砾石含量固定不变,小粒径砂砾石所占比例从大到小变化,对应的d10从小到大变化。d10表示粒径分布曲线上小于某粒径的介质含量为10%时所对应的粒径,也称有效粒径,从表4可知小粒径的两个粒组总含量变化范围在10%~35%之间,当小粒径组的任何一个粒组含量发生变化时小粒径所占含量即发生变化,但d10始终出现在小粒径组范围。因此,小粒径砂砾石的含量的变化决定着d10的变化。当大粒径砂砾石含量固定时,中等粒径砂砾石含量与小粒径砂砾石含量互为消长关系,因此,可以利用d10的这一特征粒径作为反映中、小粒径砂砾石含量的指标,分析其对渗透系数的影响及其关系。两个对比组渗透系数与d10的关系曲线如图4所示。由图2和表4可看出:1)渗透系数随d10的增大而增大。第一对比组中,d10从0.06cm增大到1.00cm时,对应的渗透系数k从0.03cm/s增大到5.63cm/s,第二对比组中,d10从0.07cm增大到0.60cm,对应的渗透系数k从0.03cm/s增大到2.10cm/s,渗透系数的变化幅度达到两个数量级,说明变化极大。由表4可以看出d10随着小粒径含量的减小而增大。因此,小粒径含量与渗透系数则呈反比关系。在大粒径砂砾石含量固定,且高达60%的条件下,中、小粒径砂砾石在其砂砾石混合体的构成中,仅起充填作用,对其骨架的形成不起作用。此时,中、小粒径砂砾石的全部体积填充于大粒径的空隙中。但是,中、小粒径的比例决定着骨架空隙中细小空隙的形状、尺度和连通性,随着小粒径含量的减小(中粒径含量的增大),d10的增大,中、小粒径砂砾石混合体的空隙尺度在增大,连通性也越来越好。因此,其渗透系数随d10的增大而增大,即随小粒径含量的减小而增大。2)砂砾石有效粒径d10与渗透系数k的关系可用二次多项式表示,拟合方程如下。90~50mm粒组,质量分数为40%:90~50mm粒组,质量分数为30%:式中:d10为有效粒径;k为渗透系数。由其拟合方程的相关系数可以看出,在大粒径含量固定时,渗透系数k与d10呈密切的二次多项式相关关系,相关性极高。2.2不均匀系数cu与渗透系数k、小粒径砂石的关系表5为两个对比组砂砾石试样各粒径组级配情况及其对应的不均匀系数cu和渗透系数试验结果,在每个对比组的五组不同级配砂砾石试样中,中等粒径含量固定不变,大粒径所占比例从大到小变化,小粒径所占比例随之增大,砂砾石混合体含量累积分别达到60%和10%的颗粒粒径均在减小,综合结果不均匀系数cu=d60/d10从小变大。由表5可以看出,cu的变化趋势很好地反映出大、小粒径的变化。不均匀系数cu可在一定程度上反映土的颗粒级配状况,是评定其渗透性能的重要指标之一。因此,借助不均匀系数cu的这个特征对大、小粒径砂砾石含量对渗透系数的影响进行分析。两个对比组渗透系数k与cu的关系曲线如图3所示。由图3和表5可看出:1)渗透系数伴随着不均匀系数cu的增大而减小。第一对比组中,cu从8.33增大到57.14,渗透系数则从3.69cm/s减小到0.15cm/s;第二对比组中,cu从8.33增大到30.71,渗透系数则从1.92cm/s减小到0.08cm/s。渗透系数最大值是最小值的20倍,变化幅度较大。在中粒含量固定的砂砾料混合体中,大粒径在其混合体中含量的减小,意味着其骨架体大空隙数量的相对减小;小粒径含量的增大,意味骨架体空隙填充度的增大,细小空隙尺度的减小和流通性的变差。因此,其渗透系数随大粒径含量的减小和小粒径含量的增大,即cu值的增大而减小。2)砂砾石的不均匀系数cu与渗透系数k的关系可用对数表示,拟合方程如下:60~10mm粒组,质量分数为20%式中:cu为不均匀系数;k为渗透系数。可见,在中等粒径砂砾石含量不变的情况下,渗透系数与不均匀系数成对数相关关系,而且相关性较高。2.3砂石的限制粒径d60与渗透系数k表6为两个对比组砂砾石试样各粒径组级配情况及其对应的限制粒径d60和渗透系数试验结果,在不同级配砂砾石试样中,小粒径的砂砾石含量固定不变,大粒径所占比例从大到小变化,对应的d60从大到小变化。限制粒径d60表示粒径分布曲线上小于某粒径的土粒含量为60%时所对应的粒径。从表3可知小粒径的两个粒组总含量固定在30%,无论大、中粒径的个粒组比例如何变化,d60始终位于大、中粒径组范围内。因此,以d60的变化代表大中粒径相对含量的变化。用d60的这一限制粒径作为反映大、中粒径砂砾石含量的指标,分析其对渗透系数的影响及其关系。两个对比组渗透系数与d60的关系曲线如图4所示,由图4和表6可看出:1)渗透系数伴随d60的增大而增大的趋势。第一对比组中,d60从5.00减小到1.66,渗透系数从0.14cm/s减小到0.01cm/s;第二对比组中,d60从5.00减小到2.11,渗透系数从1.67cm/s减小到0.27cm/s。渗透系数变化幅度为1~2个数量级,变化较大。在小粒径含量固定的砂砾石混合体中,大、中粒径相对比例的变化,即d60的变化必然引起砂砾石骨架所构成的大孔隙的数量和大孔隙的充填度的变化。d60的增大,即大粒径含量的增大,标志着骨架所构成的大孔隙的数量的增加,孔隙尺度的增大和大孔隙充填度的减小。在小粒径含量固定的条件下,空隙尺度增大,连通性好。因此,其渗透系数随d60的增大而增大,即随大粒径含量的增大,中粒径含量的减小增大。2)砂砾石的限制粒径d60与渗透系数k的关系也很好地符合二次多项式,拟合方程如下。6~0.1mm小粒组,质量分数为35%:6~0.1mm粒组,质量分数为25%:式中:d60为限制粒径;k为渗透系数。可见,在小粒径的砂砾石含量固定时,渗透系数与d60成二次多项式相关关系,而且相关性极高。3砂料混合体二次多项式相关关系1)在大粒径砂砾石含量固定,且高达60%的条件下,渗透系数随d10的增大而增大,且增大幅度极大,d10随着小粒径含量的减小而增大,因此,小粒径含量与渗透系数则呈反比关系。此时,渗透系数与d10呈密切的二次多项式相关关系,拟合方程为:式中,x为有效粒径d10;y为渗透系数k;a0,a2为回归系数。2)在中粒含量固定的砂砾料混合体中