邱潇 蒲勇 张亮 李明强

摘要：

大渡河中游流域广泛分布一套物质组成复杂、沉积环境多变且工程地质性质特殊的深厚砾石层，其渗透性是制约沿线基础建设活动的关键问题之一。通过野外颗分试验和室内外渗透试验，分别从渗透系数计算、水流流态、渗透性与沉积特征关系等方面对该地区深厚砾石层展开研究。研究结果表明：研究区域的砾石层主要由碎块石及角砾土组成，有效粒径和不均匀系数较大。试验中水在较小的水力坡降下以层流方式运移，符合达西定律；在较大水力坡降下渗透表现为层流-紊流过渡阶段，此阶段渗流速度与水力坡降成幂函数关系，两个阶段渗透系数均可采用提出的经验公式估算。研究成果可为研究区深厚砾石层渗透系数计算和渗透性强弱判定提供参考。

关 键 词：

砾石层； 渗透特性； 沉积特征； 渗透系数； 大渡河

中图法分类号： P531

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.022

0 引 言

大渡河中游流域（泸定县至汉源县）广泛分布一套厚度大、结构密实、物质组成复杂的砾石层。这类砾石层沉积特征与一般的残坡积物和冲洪积物有较大区别，主要表现为有较好的分层性、颗粒成分不均一性和多元性，砾石表面大多受过水流改造作用，其成因成为近年来研究关注的热点。大多学者认为是第四纪更新世古气候回暖，冰川融水搬运的产物［1-3］。20世纪末以来，随着西部大开发的进一步推进，该套砾石层成为许多重大基础设施建设活动（如硬梁包水电站、泸石高速）的地质背景，且其多分布于河谷两岸，电站蓄水运行期间部分将淹没于水下，其渗流稳定性问题给工程选址和建设活动带来巨大的挑战，因此查明其沉积特征和渗透特性具有重要意义。

自达西渗透定律提出后，国内外学者对土体的渗透特性做了大量研究，主要从土体类别［4-7］、试验手段［8-10］、微观特征［11-12］等方面入手取得了丰硕成果，但对大渡河中游流域这套成因复杂、工程地质特殊的深厚砾石层研究较少。本文通过实地调查和野外筛分试验对上述地层沉积特征和颗粒组成进行了详细分析，并结合室内外渗流试验成果，从渗透系数计算、水流运移方式、渗透特性与沉积特征关系等方面对研究区砾石层进行了深入研究。研究成果可为类似深厚砾石层渗透系数计算和涉及渗流问题工程项目选址提供参考。

1 区域地质概况

研究区位于四川省甘孜藏族自治州泸定县和雅安市汉源县。泸定县地处青藏高原东缘，经度为102°14′04″E，纬度为29°54′51″N，是进藏出川的要塞，地理位置重要，被誉为甘孜州的“东大门”。汉源县位于龙门山前缘构造带南部，经度为102°37′23″E，纬度为29°29′03″N，平均海拔1 400 m，地势呈四周高、中间低，向大渡河倾斜。区域内地层岩性复杂，多见出露闪长岩、花岗岩、角闪岩等。研究区水系分布密集，以大渡河为中心向四周扩散，支流较多，流域面积大于1 000 km2的有28条，其中一级支流有磨西河、田湾河、南桠河、流沙河等，分布如图1所示。大多支流处于高山峡谷之中，落差大，多用于开发中型水电站。

本次在泸定县和汉源县境内共选择6个点进行详细调查，分别位于泸定县马桑叶、乌支索村、长沙坝村、磨西镇和汉源县九襄镇及青杠咀，如表1所列，均处于大渡河中游流域内。

2 深厚砾石层沉积特征及颗粒组成

2.1 砾石层沉积特征

据研究，影响岩土体渗透性的因素主要有土颗粒的粒径、矿物成分，土体的结構和构造及孔隙比等，实地调查发现研究区深厚砾石层具有复杂的成因和多变的沉积特征。因此查明砾石层的沉积特征对分析研究区砾石层的渗透特性有重要意义。通过收集钻孔资料和现场踏勘，区域内砾石层具有以下特征。

（1） 磨西台地砾石层厚度大，部分出露剖面达70余米，宏观上分层现象明显，大致可划分为3～5层，层厚约5～30 m，大多由碎块石（＞60 mm）、砂土（0.007 5～2 mm）及角砾（2～60 mm）组成，超过总量7成以上。岩性主要为角闪岩、灰岩，含少量闪长岩、辉长岩，有一定磨圆，结构中密-密实。泥质胶结，分选性和韵律性均较差，如图2所示。

（2） 青杠咀砾石层主要由角砾、碎石土组成，岩性为花岗岩、角闪岩。磨圆一般，稍密-中密，泥钙质胶结。

（3） 马桑叶砾石层出露厚度约40 m，主要由角砾土、碎石土组成。以2～60 mm颗粒为主，偶见粒径大于800 mm巨颗粒。岩性以闪长岩和花岗岩为主，磨圆度较差，为次棱角状。密实度呈松散-稍密，局部中密，分选较好。

（4） 乌支索砾石层宏观上可划为4～5层，主要由碎块石土、角砾土、含块石角砾土等组成。岩性主要为辉长岩、角闪岩，含少量闪长岩和花岗岩，磨圆度差，呈次棱角状，泥质胶结，局部钙质胶结，中密-密实。

（5） 长沙坝硬梁包砾石层主要由块碎石土、角砾质碎石土等组成。岩性为辉长岩、花岗岩、闪长岩。砾石磨圆较差，呈棱角-次棱角状。分选性和韵律性均较差，结构中密-密实，泥质胶结。

（6） 九襄砾石层主要由砾石土、碎块石土等组成。岩性以花岗岩、灰岩、砂岩为主。磨圆一般，为次棱角-次磨圆状，结构稍密-中密，泥钙质胶结。

3.3 试验结果

根据砾石层室内渗流试验所得数据（见表4），对水力坡降与渗流速度进行拟合，如图6所示。结果表明：

（1） 磨西台地深厚砾石层在水力坡降较小时（小于0.34），渗流速度与水力坡降拟合曲线呈线性关系，基本满足达西定律。而当水力坡降超过0.34时，随着水力坡降增长，渗流速度呈非线性增长，此时渗流不满足达西定律，说明水在试样中不是以层流方式运移。雷诺系数（Re）也表明当水力坡降较大时，其值均大于5且小于200，根据Nagy等的研究成果，说明随着水力坡降增大，水流进入层流-紊流过渡状态［13］。整个试验过程水力坡降与渗流速度的函数关系可分为两个阶段来表示：v=0.024 3i（层流状态），v=0.017 1i0.623（层流-紊流过渡状态）。

（2） 青杠咀砾石层的渗透特性与磨西台地砾石层类似，当水力坡降小于0.36时，水流在试样中的运移方式更趋向于层流，且满足达西渗流规律，当水力坡降超过0.36时，水力坡降与渗流速度曲线逐渐偏离直线，呈上凸形非线性增长，且雷诺系数也大于5，为层流-紊流过渡状态。渗流过程也可用两个阶段来表示：v=0.013 3i（层流状态），v=0.009 7i0.542（层流-紊流过渡状态）。

（3） 马桑叶砾石层在水力坡降不超过0.25时，水力坡降与渗流速度关系曲线更趋向于线性关系，而当水力坡降较大时，关系曲线呈非线性增长，计算所得的雷诺系数在整个试验过程中均大于5。渗流阶段可用v=0.013 5i（层流状态），v=0.009 2i0.718（层流-紊流过渡状态）来表示。

（4） 乌支索砾石层水力坡降与渗流速度曲线趋向于线性关系，说明在试验的整个过程中，水在试验中以层流方式运移，满足达西定律，渗透系数为0.000 728 cm/s。

（5） 长沙坝砾石层在水力坡降小于0.52时，水力坡降与渗流速度曲线呈非线性关系，随着水力坡降的增大，曲线逐渐偏离线性增长，但偏移幅度小。通过公式计算得到的雷诺系数均小于5，这说明水流的运移方式符合层流状态。分析认为，可能是因为长沙坝砾石层中细颗粒含量较多，且有效粒径d10较小，为0.53 mm，使粗细颗粒之间有较好的填充效应，导致流场中黏滞力大于水流惯性力，流速受影响而衰减，即使水力坡降与渗流速度曲线逐渐偏离直线关系，但整体水流速度缓慢，依然呈层流状态运移。可以预见的是当水力坡降继续增加，水流惯性力占主导时，水流流态将往层流-紊流过渡状态转移。

（6） 九襄地区砾石层在水力坡降小于0.7时，水力坡降与渗流速度曲线趋向于线性关系，而当水力坡降增大时，关系曲线逐渐下凹，渗流速度随水力坡降增大速度放缓，说明试样中水流状态发生了改变，雷诺系数也表明，水的运移方式由层流向紊流状态过渡。其渗流过程可用两个函数表示：v=0.003 84i（层流状态），v=0.003 16i0.715（层流-紊流过渡状态）。

由于现场试验条件限制，仅对磨西台地、乌支索、长沙坝和九襄4个地区砾石层进行野外单环试验，計算出渗透系数分别为0.020 52，0.000 69，0.001 57 cm/s和0.008 7 cm/s，此结果与室内渗透试验层流段渗透系数较为一致，说明室内所测渗透数据较为准确。

4 讨 论

4.1 深厚砾石层渗透规律分析

渗透系数是代表土体渗透性强弱的重要指标，一般认为土体中渗流状态为层流时，可采用达西定律来确定其渗透系数。本文对大渡河中游流域深厚砾石层进行渗流试验分析，发现其大部分试样在较大的水力坡降下，其水力坡降与渗流速度曲线及雷诺系数均显示水在试样中的运移方式并非层流。而目前对于粗粒土在层流-紊流过渡状态下的渗透系数求解方法还存在较大争议。Nagy 等人提出，土体中流态处于过渡状态时，可利用K=v/i0.74来计算渗透系数，而根据图6，研究区大多砾石层水力坡降和渗流速度拟合曲线也为幂函数关系，但其指数略有变化，分布在0.542～0.718 范围内。将层流-紊流过渡状态拟合结果与公式计算结果进行对比（见表5），发现其数值较为接近，因此研究区砾石层层流-紊流过渡状态下的渗透系数可根据试验中水力坡降与渗流速度拟合而得，拟合公式为v=Kim，若拟合曲线与试验数据有较好的相关性，K即为渗透系数。

4.2 深厚砾石层沉积特征与渗透特性的关系

研究区砾石层具有复杂的物质组成和多变的沉积特征，其成因大多与第四纪以来古气候的变化有关，沉积历史距今久远，砾石层经过长时间固结作用，大多具有密实度好、孔隙比小、颗粒间胶结程度好等特点。上述因素使其渗透系数比一般的松散堆积体小，一般在10-4～10-2 cm/s之间，属中等透水土。但其渗透性又比部分密实的残、坡积土强，可能是因为研究区砾石层多为冰水沉积物，具有一定磨圆度，在冰川融水的作用下，部分细颗粒被水流搬运至它处，而沉积下来的颗粒往往较粗，使有效粒径d10和不均匀系数均较大。在渗透试验过程中，水力坡降增大，颗粒间黏滞阻力小于水流惯性力，水在试样中呈层流-紊流过渡状态。

5 结 论

（1） 大渡河中游流域深厚砾石层主要由碎块石土和角砾土组成，超过总量7成以上，颗粒呈次棱角-次磨圆状，密实度较好，分选性和韵律性较差。砾石层颗粒粒径一般分布范围广，从小于0.075 mm细颗粒至大于200 mm巨颗粒均有分布，不均匀系数和曲率系数分布在0.47～6.08和21.23～88.84之间，大多属级配良好土。

（2） 试验结果表明，研究区砾石层在水力坡降较小时，渗透速度与水力坡降拟合曲线呈线性关系，水在试样中以层流方式运移。当水力坡降较大时，流场中黏滞阻力小于水流惯性力，曲线呈非线性关系，水流表现为层流-紊流过渡状态。

（3） 采用幂函数v=Kim对研究区砾石层层流-紊流过渡状态下的渗透系数进行拟合，数据点表现出较好的相关性，K即为砾石层的渗透系数。根据本文试验数据，若室内外试验无法进行时，层流和层流-紊流过渡状态渗透系数均可采用经验公式 K=αCcCue2估算，修正系数α在0.13～3.86之间，估算误差在一个数量级内。

（4） 研究区砾石层的渗透系数分布在10-4～10-2 cm/s之间，属中等透水土，其渗透性可能与砾石层的成因有关，表现为：砾石层大多为第四纪以来的冰水沉积物，固结历史长，结构密实，但受强水动力的搬运作用，细颗粒可能被搬运至它处，沉积下来的颗粒通常较粗，有效粒径往往较大，使其渗透特性大多呈层流和层流-紊流过渡两种状态。

参考文献：

［1］ 鄭本兴.贡嘎山东麓第四纪冰川作用与磨西台地成因探讨［J］.冰川冻土，2001（3）：283-291.

［2］ 王杰，潘保田，张国梁，等.贡嘎山东坡中更新世晚期以来冰川作用年代学研究［J］.中国科学：地球科学，2012，42（12）：1889-1900.

［3］ 涂国祥，黄润秋，邓辉.典型冰水堆积体浪蚀作用下变形破坏机制研究［J］.工程地质学报，2008（5）：598-604.

［4］ 张国栋，廖爱明，李泯蒂，等.碎石土渗透特性试验研究［J］.水利水运工程学报，2016（5）：91-95.

［5］ 邹锡云，许强，赵宽耀，等.浸水作用下黑方台黄土渗透特性变化微观研究［J］.人民长江，2020，51（6）：166-171.

［6］ 宋林辉，黄强，闫迪，等.水力梯度对黏土渗透性影响的试验研究［J］.岩土工程学报，2018，40（9）：1635-1641.

［7］ 王双，李小春，王少泉，等.碎石土级配特征对渗透系数的影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2015，34（增2）：4394-4402.

［8］ 张改玲，王雅敬.高围压下砂土的渗透特性试验研究［J］.岩土力学，2014，35（10）：2748-2754，2786.

［9］ 张天军，尚宏波，李树刚，等.分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析［J］.煤炭学报，2016，41（5）：1129-1136.

［10］ 徐卫卫，石北啸.冻融及上覆荷载作用下堆石料渗透性试验研究［J］.人民长江，2021，52（3）：188-192.

［11］ 冯晓腊，沈孝宇.饱和粘性土的渗透固结特性及其微观机制的研究［J］.水文地质工程地质，1991（1）：6-12.

［12］ 冷挺，唐朝生，徐丹，等.膨胀土工程地质特性研究进展［J］.工程地质学报，2018，26（1）：112-128.

［13］ 李广信.高等土力学［M］.北京：清华大学出社，2004：222-223.

［14］ 太沙基，帕克.工程实用土力学［M］.蒋彭年，译.北京：水利电力出版社，1960.

［15］ 米切尔 J K.岩土工程土性分析原理［M］.南京：南京工学院出版社，1988.

［16］ POLLARD W S，POULOS S J，SANGREYDWIGHT A.Air diffusion through membranes in triaxial test［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，1977，103（10）：1169－1173.

［17］ 刘杰.土的渗透稳定与渗流控制［M］.北京：水利电力出版社，1992.

（编辑：郑 毅）

Abstract：

In the midstream basin of the Dadu River，a set of deep and thick gravel layer is widely distributed，which is characterized as complex composition，varied sedimentary environment and special engineering properties.The permeability of this gravel layer is one of the key problems restricting the infrastructure activities along the area.We deeply research this gravel layer from the aspects of permeability coefficient calculation，state of flow，relationship between the permeability and the sedimentary characteristics through the in-situ particle size distribution analysis and the indoor-outdoor permeability test.The results show that this set of gravel layer mainly consists of fractured stones and breccia soils，whose effective particle size and non-uniformity coefficient are larger.In the test，the water migrates in a laminar flow way under a small hydraulic gradient meeting the Darcy′s Law，while it displays laminar-turbulent transition under a large hydraulic gradient，during which the flow velocity and the hydraulic gradient satisfies the power function relation.A proposed empirical formula could be applied to estimate the permeability coefficients of the two stages.This conclusion can provide references for the permeability coefficient calculation and the permeability strength evaluation of the deep and thick gravel layer in the research area.

Key words：

gravel layer；permeability characteristics；sedimentary characteristics；permeability coefficient；Dadu River