魏常琦

摘要：黏性土在水利工程建设中常被认为是不透水层或隔水层，其渗透性多为弱透水或微透水，若黏性土发育有较多管状孔隙，其土体结构将会发生变化，渗透性也会改变。含管状孔隙黏性土常发育在山前洪积扇的前缘。受目前钻孔内取土样设备所限，土样采取时对管状孔隙结构破坏严重，室內制环刀样时容易对管状孔隙造成破坏或堵塞，不能得到含管状孔隙黏性土真正的渗透系数。为正确认识含管状孔隙黏性土的渗透性，采取了多种室内和室外渗透试验手段，并经过反复对比分析，观察到其渗透性等级多为中等透水，明显大于一般意义上的黏性土，并且其渗透具有方向性，经抽水试验分析验证，在垂直方向的渗透性要远大于水平方向的渗透性。

关键词：管状孔隙：黏性土;渗透试验;渗透性能

中图分类号：TU4II;TU413

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.05.03l

1 研究背景及意义

黏性土层在水利工程建设中常被作为不透水层或隔水层，但若黏性土层中出现了较多管状孔隙，其渗透性会发生变化。近年来，在某些水利工程勘察及施工开挖后均发现了含管状孔隙黏性土，其不仅发育在浅表层土体当中，在深度达40 m的土体中仍见有管状孔隙发育。管状孔隙在土体中的分布范围之广，发育深度之大，已改变了工程场区的水文地质条件[1-3]。由于其渗透性的变化可能引起一系列的工程地质问题，若在前期的勘察设计阶段不能够很好地认识这类土的渗透性，且对这类土所引发的工程地质问题没有采取有效的处理措施，将会直接影响到工程施工的进度、费用，甚至影响到工程效益、工程安全，因此，找到含管状孔隙黏性土的分布规律，并确定工程场区含管状孔隙黏性土的渗透性质非常必要。

一般情况下，黏性土的渗透系数主要是通过现场钻孔内取原状土样，并进行室内渗透试验而得到。采取原状土样进行室内渗透试验时，用环刀切土样易对含管状孔隙黏性土中的管状孔隙造成破坏或堵塞，使测得的渗透系数与真实值相差很大，不能得到含管状孔隙黏性土真正的渗透系数。本文采用多种测试方法，分别对含管状孔隙黏性土的渗透性进行了试验，对其发育成因和渗透性质进行分析和研究。

2 管状孔隙发育成因分析

一般来说，土壤中孔隙的成因主要有生物因素及自然气候变化等。生物因素为动物孔隙和植物根孔，动物活动形成的孔隙直径一般较大，一般为1- 50mm，且导水性能强。植物根系孔径一般较小，一般为0.5 - 2.5 mm.约8%的孔径大于4.5 mm。另外，黄土的本质特征之一是具有孑L隙，根孔、虫洞和裂隙等是黄土中最常见的大孔隙类型。

近些年，在焦作、济源等地的某些水利工程施工开挖后，在黏性土层中均发现了管状孔隙。鉴于此，从地形地貌、地层结构的角度分析管状孔隙的成因，为研究管状孔隙的形成提供了一个思路。该类工程所在区域地貌上多为低山丘陵区与冲洪积平原的过渡地带。场区内的地质结构为上黏性土、下粗粒土二元结构，上部主要为第四系全新统及上更新统褐黄色、褐红色重粉质壤土，呈可塑一硬塑状，土体表面局部呈蜂窝状，多发育近垂直向管状孔隙，如图1所示，且层与层之间连通较好，该层厚约30 m;场区下部为第四系上更新统砂卵石，呈密实状，次圆一浑圆状，卵石含量约为60%，少量泥质充填，厚约Sm。

为查明某工程场区地下水位埋深以及壤土层与砂卵石层之间的水力联系，在场区内布置了水文试验钻孔，首先测得钻孔内①层重粉质壤土中水位埋深，然后钻至②层砂卵石后，在钻孔中采用分层止水的方法，测得砂卵石层中承压水位埋深，结果见表1，

从表1中可以看出，各钻孔内①层重粉质壤土中的稳定水位与采取分层止水后测得套管内②层砂卵石中的承压水位埋深基本一致，说明重粉质壤土中的地下水主要受下部砂卵石层中的承压水垂直向补给。考虑到工程场区位于山前洪积扇的前缘，为地下水的排泄区，地质结构为上部含管状孔隙的重粉质壤土和下部砂卵石的二元结构，下部砂卵石层中地下水具有承压性，对上部重粉质壤土不断产生顶托补给作用，随着水压力的持续增加，上部黏性土土体结构发生变化，将在土体中产生排泄通道，释放承压水头，排泄通道即形成重粉质壤土中的竖向管状孔隙。结合现场调查发现，在水利工程开挖的基坑边缘排水沟内出现了地下水沿重粉质壤土层中管状孔隙自流溢出的现象，在场区附近低洼处的河沟及水井内有较多呈点状涌出的小泉眼，均是承压水沿着重粉质壤土中的管状孔隙渗流溢出的结果。

3 土体的渗透性试验及评价

为进一步研究该类含管状孔隙黏性土的渗透性，根据相关技术规范要求，分别对其进行了室内渗透试验和现场注水、抽水试验。其中对浅部包气带土层进行现场单环注水试验和大型试坑渗水试验，对深部土体进行钻孔注水及抽水试验，经统计计算分别获得了这种土的渗透系数[4-9]。

3.1 室内渗透试验及结果分析

3.1.1 常规室内渗透试验

根据场区内布置水文地质试验孔揭露的地质情况，在黏性土层中均发现有管状孔隙发育，对钻孑L内不同深度取得的简装样，均严格依据《土工试验规程》（ SL 237-1999）的规定进行了土样制备和渗透试验，并根据公式计算其渗透系数，试验结果见表2。

3.1.2 改进制样方法的室内渗透试验

为了对比常规室内渗透试验的结果，在场区内开挖竖井取I级土样，对竖井内含管状孔隙黏性土层（2-6 m深度范围）采样，共采集6块方块样，边长均为20 cm。室内制样过程中对渗透试验环刀两端先预留1 cm厚土，然后用修土刀垂直下切薄层（小于5mm）剥离，局部采用钢针进行了挑毛，后清理表层土屑，尽可能保持土样原有管状孔隙的通透性，见图2，并对环刀侧壁扰动的土样进行处理，对数据进行修正。各土样垂向渗透试验结果见表3。

3.1.3 室内试验结果对比分析

根据两次室内试验的结果对比，改进试验方法后，所取I级方块样测得垂向渗透系数约为钻孔岩芯土样渗透系数的100倍，渗透性等级由弱透水变为中等透水。经进一步分析，常规渗透试验渗透系数结果偏小的原因主要有两方面：一是受目前钻孔岩芯取土设备所限，土样在钻孔内采取时，其受挤压扰動较大，对管状孔隙结构破坏严重;另一方面《土工试验规程》规定切土时削土刀与环刀平面呈300角，切土过程中有涂抹现象，堵塞了环刀试样上下表面分布的管状孔隙，从而导致了含管状孔隙黏性土渗透性受到极大的影响。

3.2 现场单环注水试验

考虑到场区内含管状孔隙黏性土渗透系数偏大，根据工程区内不同的地貌单元，在地下水位以上的重粉质壤土中选取了6个试坑单环注水试验点。单环直径为35.7 cm，面积0.1 m²，单环注水试验严格按照《水利水电工程注水试验规程》（ SL 345-2007）要求进行[10-11]，并在圆形试坑开挖过程中，充分保护试坑底部管状孔隙不被堵塞和涂抹。从所挖试坑断面上看，管状孔隙比较发育，孔径多为0.05 - 0.50 cm，分布间距0.5 -3.0 cm，见图3。

在注水试验过程中，可以明显看出单环内水流沿着坑底管状孔隙不断渗入，在一些大的管状孔隙上还形成有小旋涡，注水试验结果见表4。

3.3 现场钻孔注水试验

为进一步查明场区地下水位以下的深部土体孔隙发育情况和渗透性等级，根据《水利水电工程注水试验规程》，在6个水文地质试验孔不同深度范围内分别进行了钻孔常水头注水试验。根据钻孔揭露情况可见，在深部重粉质壤土层中管状孔隙仍较为发育，见图4。

根据《水利水电工程注水试验规程》计算试验段土层的渗透系数（结果见表5）。式中：k为试验岩土层渗透系数，cm/s;Q为注人流量，L/min;H为试验水头，cm，等于试验水位与地下水位之差;A为形状系数，cm。

3.4 现场钻孔抽水试验

根据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》（SL320-2005），在水文地质钻孔中进行3个降深的单孔抽水试验，并对砂卵石与重粉质壤土中的地下水位进行了分层观测。根据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》潜水非完整孔的公式计算渗透系数（结果见表6）。

3.5 现场大型试坑渗水试验

根据《土工试验规程》，试坑法渗水试验是野外测定包气带非饱和（岩）土层渗透系数的简易方法。为模拟工程开挖后含管状孔隙黏性土的渗透性，在场区内挖3处试坑，坑底均高出潜水位3-5 m，然后向试坑内均匀注水，使试坑中的水位始终高出坑底一定高度，并在坑内设置标尺，以观测坑内水位变化情况，测定单位时间内注入试坑的水量Q，近似计算试验土层的渗透系数。

当试坑坑壁四周无防渗措施时

F=（L+2z）（B+2z）

（4）式中：F为试坑渗透面积，cm²;L为试坑长度，cm;B为试坑宽度，cm;z为试验水深，cm。

平均渗透速度v=Q/F，当坑内水位保持不变时，可以认为水力梯度近于1，因而渗透系数k=v。这种求解方法因为受侧向渗透的影响较大，所以所测综合渗透系数精度稍差。当试坑足够大时，侧渗影响可忽略不计，测得的渗透系数可认为是垂向渗透系数。

本次共设置3个大型试坑，见表7，其中：1#、2#试坑规模较小，坑内水深稍浅，3#试坑尺寸和试验水深均远大于前两个试坑。

3#超大型试坑渗水试验能较好地模拟实际工程的渗漏条件，所获得数据接近试验土层的综合渗透系数。本次试验对根孔、虫孔发育的上部土壤层均未作为测试土层，以排除试验数据的离散性，各试坑渗水试验测试时间为8h，试验结果见表7。

3.6 渗透试验结果汇总分析

汇总以上几种试验的结果，见表8。对黏性土进行常规取样和室内试验时，没有考虑其具有管状孔隙结构，在取样时岩芯常受到机械挤压扰动，管状孔隙结构多被破坏。现场技术人员由于没有引起足够的重视，或仅把它当成普通的针状孔隙来考虑，因此在进行室内渗透试验时，制作环刀样也就没有考虑管状孔隙的因素。制样的过程中所产生的“抹涂”效应堵塞了部分管状孔隙，使所测得的渗透系数和一般的黏性土没有很大差别，其渗透性等级常为弱透水。而现场采取的方块样和钻孔内注水、抽水试验避免了对土体管状孔隙结构的破坏，土体扰动较小，渗透性等级多为中等透水性[12]。现场单环注水试验受试验装置影响，试验环外用黏土填实可能不够挤密，部分渗透性等级为强透水性。现场大型试坑渗水试验受施工机械影响，坑底及侧壁管状孔隙被扰动破坏，渗透系数略小。

4 管状孔隙发育方向性研究

为进一步查明含管状孔隙黏性土体在水平方向上孔隙的发育情况，在现场基坑内选取了3个管井进行抽水试验[13-15]。管井深约12 m，内径38 cm，外径50cm，整个井身均位于含管状孔隙的重粉质壤土层中。在这3个管井周围平行和垂直于地下水水流方向分别布置2个观测井，图5为J4管井与观测井（J4PI -J4P4）的平面位置示意图。

在试验过程中，当管井抽水流量稳定至2.5 xl0^-3m²/s时，持续一段时间后分别对抽水管井和观测井内地下水位进行测量。当抽水管井水位降深8m，而距抽水管井2m的观测孔降深仅为1m时，其水位降深曲线见图6，另外两个管井及观测井水位降深曲线与图6相似。

根据之前的现场注水试验结果，含管状孔隙黏性土的渗透性相当于粉细砂的渗透性，而粉细砂的影响半径R经验值为50-75 m，按50 m考虑，抽水井抽水量达到2.5xl0^-3m³/s时，水位降深为8m，距其2m的观测井水位降深应达到5-6 m。而根据这次管井抽水试验数据，距其2m的观测井实际降深仅为1 m。说明黏性土中的管状孔隙发育具有一定的方向性，其垂直方向上孔隙发育要远大于水平方向的，因此使得这类土的渗透性也同样具方向性，垂直方向渗透性能远远大于水平方向的渗透性能。

5 结语

通过对含管状孔隙黏性土进行室内渗透试验，并在室外对浅部包气带土层进行现场单环注水试验和大型试坑渗水试验，对深部土体进行钻孔注水及抽水等试验，基本掌握了该类土的发育规律和渗透性能。其渗透性等级多为中等透水性，并且渗透具方向性，垂直方向渗透性能远远大于水平方向的渗透性能。

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【责任编辑张帅】