基于水動力學(xué)原理的粘土滲流特征提取

基于水動力學(xué)原理的粘土滲流特征提取

張忠東教授是中國第一個研究水位運(yùn)移規(guī)律的研究人物。他在1980年出版的遺著《關(guān)于結(jié)合水動力學(xué)問題》中,對結(jié)合水的基本運(yùn)動規(guī)律、粘性土中的滲流帶、含水帶、毛細(xì)帶作了全面精辟的論述。20世紀(jì)90年代,該課題列入國家自然科學(xué)基金資助項目。中國地質(zhì)大學(xué)的馮曉臘博士等做了一系列試驗,建立了結(jié)合水遷移的數(shù)學(xué)模型。原長春科技大學(xué)的宿青山教授等對結(jié)合水動力學(xué)理論在含水層越流補(bǔ)給問題的應(yīng)用作了闡述。但將該理論應(yīng)用于工程實際問題的評價尚不多見。在尼爾基水利樞紐右岸副壩下游浸沒研究中采用三維滲流電網(wǎng)絡(luò)程序?qū)π钏髩魏蟮叵滤贿M(jìn)行計算。同時,解決計算得出的地下水位與粘土層內(nèi)的含水帶(地下水位)之間的關(guān)系和室內(nèi)試驗所得的毛細(xì)上升高度與實際粘土層毛細(xì)上升高度之間的關(guān)系。上述兩個關(guān)系都與水在粘土中的滲流規(guī)律有關(guān)。因此,應(yīng)用結(jié)合水動力學(xué)原理,采用野外調(diào)查和室內(nèi)試驗相結(jié)合、宏觀研究與粘土微觀研究相結(jié)合的方法,對粘土層中的含水帶厚度及毛細(xì)上升高度進(jìn)行了研究,并確定粘土層的起始比降I0值和實際毛細(xì)上升高度,解決了尼爾基水利樞紐右岸副壩下游建庫后的浸沒評價問題。研究結(jié)果表明,粘土層的測壓水位與粘土含水帶水位、含水帶以上實際毛細(xì)上升高度與試驗室測定的毛管水上升高度有較大差別,而且含水帶以上土壤含水量隨深度變化曲線可以較好地反映毛管水上升帶的實際情況。1壩后白土山山地地形地貌右岸副壩座落于地形低矮、平緩的白土山臺地,臺面寬1000～1500m,高程一般為195～228m,上游側(cè)地形坡度較陡,直接與嫩江高漫灘相連。臺地下游依次為嫩江一級侵蝕堆積階地和高漫灘。沿壩軸線有兩處地形較低洼,分別稱為左、右埡口,其中左埡口地形最低點高程為210m,右埡口地形最低點高程為207m,高程低于庫水位216m的長度為764m。副壩壩基和壩后白土山臺地具二元結(jié)構(gòu)特征,其上部粘土層厚5～25m,屬極微透水層,局部分布有微透水的含碎石粘土、壤土、含礫或碎石壤土,下部為厚1～7m含泥砂礫石層,基巖為華力西期花崗巖和閃長巖等,全、強(qiáng)風(fēng)化帶厚5m,屬強(qiáng)透水或中等透水層。白土山臺地天然滲流場為與地表地形基本一致,受大氣降水補(bǔ)給,呈承壓狀態(tài),壓力水頭至地表距離一般為10～17m,水力坡降較陡為0.0113。2土壤水及地基土壤特性土粒表面具有游離化的原子和離子具有靜電引力,當(dāng)土粒表面的水分子在靜電引力作用下吸附于土粒表面形成結(jié)合水(強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水),強(qiáng)結(jié)合水的性質(zhì)接近固態(tài)。密度可達(dá)1.2～2.4g/cm3,弱結(jié)合水密度可達(dá)1.25g/cm3,溶解能力較弱,凍結(jié)溫度低于0℃。結(jié)合水的重要特征之一,是具有一定的抗剪強(qiáng)度,研究表明,結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度隨土粒表面距離的增加而遞減,服從如下規(guī)律:τ0=αeβλ。τ0=αeβλ。式中:τ0為結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度;λ為至土粒表面的距離;α、β為系數(shù)。由于結(jié)合水具有抗剪強(qiáng)度,因此,外力包括重力和靜水壓力必須首先克服結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度后才能起顯著作用,這是結(jié)合水與普通狀態(tài)水的本質(zhì)區(qū)別。粘土空隙直徑為D0=2λ,現(xiàn)考察在壓力為H0時水的運(yùn)動狀態(tài)(圖1)。由于無法克服強(qiáng)結(jié)合水層的抗剪強(qiáng)度,該部分水并不流動,實際水可流動的直徑(稱為滲孔直徑d0)小于孔隙直徑D0,即d0<D0,水在流動過程中要不斷克服沿程結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度,致使沿程各點壓力不斷下降,即H0>H1>H2>H3…,沿程各點的實際滲孔直徑也不斷減小,即d00>d01>d02>d03…,最后當(dāng)壓力被結(jié)合水抗剪強(qiáng)度完全抵消時,滲流終止,滲孔直徑為零。圖2表示了滲透試驗得出的孔隙水壓力曲線,由于粘性土中的結(jié)合水膜的影響,因此室內(nèi)多級滲透試驗所得的v—I曲線通常為微凸向I軸的曲線。為了便于表達(dá),將該曲線簡化為v=K(I?I0)。v=Κ(Ι-Ι0)。式中:v為滲透流速;K為滲透系數(shù);I為比降;I0為起始比降,即υ—I直線段延長在I軸線的截距。在粘土層上勘探中,出現(xiàn)如圖3所示的現(xiàn)象,即坑孔深達(dá)a點時見到穩(wěn)定地下水位,當(dāng)把坑孔分別加深L1、L2至b、c點時,水位分別上升了ΔH1、ΔH2,當(dāng)最終至d點鉆穿粘土層,地下水位上升ΔH3,距粘土層底板高度為H0,顯然,測壓水位H0是粘土層承受的靜水壓力,而含水帶T則是在該靜水壓力下實際出現(xiàn)的粘土層地下水位。經(jīng)驗證明:ΔH1/L1=ΔH2/L2=ΔH3/L3=(ΔH1+ΔH2+ΔH3)/(L1+L2+L3)=(H0?T)/T=I。ΔΗ1/L1=ΔΗ2/L2=ΔΗ3/L3=(ΔΗ1+ΔΗ2+ΔΗ3)/(L1+L2+L3)=(Η0-Τ)/Τ=Ι。由于各點水位是穩(wěn)定的、靜止的,故v=0,由此得出I=I0。故得含水帶厚度T的表達(dá)式為T=H0/(I0+1)。Τ=Η0/(Ι0+1)。當(dāng)粘土層厚度L相對于H0較小時應(yīng)采用T=H0?I0L。Τ=Η0-Ι0L。式中:T為含水帶厚度;H0為測壓水位高度;L為粘土層厚度;I0為粘土起始比降。毛細(xì)現(xiàn)象是由彎液面力引起的。試驗室內(nèi)進(jìn)行的毛管水上升高度試驗,對于粘性土而言,并非直接測定上升高度,而是測定毛管水彎液面所能支持的水柱重力,即彎液面力或毛細(xì)力(PK)。因此,正如上述測壓水位不等于含水帶水位一樣,毛細(xì)力也不等于毛細(xì)水上升高度(HK),兩者之間的關(guān)系應(yīng)為HK=PK/(I0+1)。ΗΚ=ΡΚ/(Ι0+1)。3粘土層高埋深正確評價尼爾基水利樞紐右岸副壩下游浸沒問題,必須確定測壓水位與粘土層內(nèi)含水帶水位、毛細(xì)力與毛細(xì)上升高度之間的關(guān)系,關(guān)鍵是研究粘土的滲流特性,確定粘土起始比降I0值。為此,筆者做了如下工作:野外調(diào)查實際勘探點8個,其調(diào)查成果見表1,實測地下水位以上的毛細(xì)上升高度,在野外肉眼觀測的同時,沿坑壁一定深度間距取樣測定其含水量和飽和度。以飽和度大于0.9為標(biāo)準(zhǔn)確定毛細(xì)水上升高度。室內(nèi)毛管水上升高度和滲透試驗成果見表2。據(jù)表1、表2,野外調(diào)查粘土起始比降(I0)為0.5～2.5,毛細(xì)上升高度觀測值為1.30～1.70m,試驗實測值為1.60～2.35m,室內(nèi)滲透試驗中SJ17-2和SJ18-2兩個試樣由于存在貫通性大孔隙,滲透系數(shù)偏大,顯然不能反映粘土的真實滲透性。起始比降(I0)一般為1～2,最大達(dá)5.37,室內(nèi)毛管水試驗所得毛管水上升高度為1.8～3.0m。不難看出室內(nèi)試驗成果受試件微觀結(jié)構(gòu)控制,且不可避免地具有局限性,而野外調(diào)查成果更能反映粘土層的宏觀、真實性態(tài)。據(jù)土工試驗成果,土的粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%～53%,塑性指數(shù)為15.5～18.3,化學(xué)成分比較穩(wěn)定,以SiO2為主,其次為Al2O3和Fe2O3,其它成分不多。粘土礦物成分以伊蒙混層為主,多呈細(xì)小的薄片狀,大致呈定向排列,團(tuán)聚體之間排列沒有定向性。據(jù)微觀結(jié)構(gòu)看出,各試樣在顆粒成分、團(tuán)聚體大小、排列情況和密實程度等方面均具非均質(zhì)性,這是其水理性質(zhì)變化的主要原因。根據(jù)上述結(jié)合水動力學(xué)原理和野外調(diào)查及室內(nèi)試驗取得的成果,確定尼爾基右岸副壩下游白土山臺地的浸沒臨界深度。研究成果表明,粘土層是非均質(zhì)的,各項參數(shù)包括I0值在內(nèi),都在較大范圍內(nèi)變化,室內(nèi)試驗成果易受到偶然的、微觀的因素影響,而野外調(diào)查結(jié)果更能反映粘土層的宏觀特性。另一方面,從工程安全角度出發(fā),評價中采用I0值最小值,選用I0=0.5。同理,毛細(xì)水上升高度Hk采用最大值,選用2.5m,由此確定的農(nóng)田和房屋區(qū)的浸沒地下水臨界埋深分別為3.0m和4.5m。粘土層內(nèi)含水帶埋深以三維滲流電網(wǎng)絡(luò)程序計算為基礎(chǔ),以網(wǎng)絡(luò)單元(剖面號和點號)節(jié)點地下水位作為測壓水位,仔細(xì)分析地質(zhì)資料,確定各節(jié)點地表粘土層底板高程和厚度,采用T=H0/(I0+1)(當(dāng)粘土層厚度相對較薄時采用T=H0-I0L)公式進(jìn)行計算。同時,進(jìn)行了兩種情況計算,即方案一(上游庫水位216.0m,基巖以上透水層進(jìn)行定噴處理,厚度0.2m,K=1×10-6cm/s)和方案二(上游庫水位216.0m,壩基不作任何處理),計算成果從略。計算結(jié)果表明,當(dāng)壩基不作任何處理時,左埡口的地下水埋深均大于4.5m,不存在任何問題,右埡口壩軸線下游50～150m范圍地下水普遍逸出地面,面積約8500m2,此外壩軸線下游400m范圍內(nèi)的局部地段,地下水埋深小于3.0m,總面積約40700m2。當(dāng)對壩基透水層進(jìn)行高噴處理時,情況大有改善,地下水逸出區(qū)消失,且地下水埋深小于3.0m,地段面積僅22500m2。如果該段壩下游作淺層排水,用明渠或暗涵排向下游沖溝,可有效地將地下水降至粘土層底板以下,可消除壩下游浸沒影響。4粘土層滲流對工程及工程的影響(1)尼爾基水利樞紐右岸副壩下游建庫后的浸沒評價問題,是興建該水利樞紐面臨的重大技術(shù)問題之一。多年來水利部東北勘測設(shè)計研究院勘測、設(shè)計和科研部門為此做了大量工作。而且應(yīng)用結(jié)合水動力學(xué)原理,對粘土層的滲流特征進(jìn)行了專門的野外調(diào)查和室內(nèi)試驗研究,在三維滲流電網(wǎng)絡(luò)計算的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了粘土層內(nèi)含水帶的埋