0.   引言

千枚岩堆积体广泛分布于汶马高速公路沿线，主要由千枚岩碎块及坡残积成因的细颗粒组成。千枚岩属于低级变质岩，具有千枚状构造且外形呈现显著的扁平状特征。实地勘测发现汶马高速公路沿线的千枚岩堆积体中岩块厚度与直径的比值在1∶5~1∶15^[1]。堆积体中的扁平状千枚岩呈现明显的定向性（岩块具有定向性是指岩块倾向与堆积体边坡坡面倾向差值≤30°^[1]），如图 1所示，这与一般岩块在堆积体中的赋存状态有较大差异。千枚岩的定向特征使这类堆积体具有特殊的力学和渗透特性，致使其在降雨情况下比均质堆积体更易失稳。

图  1  千枚岩堆积体及定向岩块

Figure  1.  Phyllite talus with orientated fragments

下载: 全尺寸图片 幻灯片

迄今为止，考虑岩块定向性的堆积体渗透特性研定向岩块究较少，以往关于渗透特征的研究多针对一般的碎石土或土石混合体。Borgesson等^[2]在碎石混合体中混掺斑脱土，通过室内渗透试验研究斑脱土影响下的碎石混合体渗透性能。Lee等^[3]对土石混合体进行人工降雨模型试验，分析了其在降雨情况下的渗透规律。Ahmadi-Adli等^[4]对土石混合体进行了降雨模型试验、野外渗透试验及数值模拟，研究了土石混合体的渗透规律。周小军等^[5]通过渗透沉降综合测试设备进行室内渗透试验，研究了孔隙比、细颗粒含量对一处泥石流物源的宽级配砾石土体渗透系数的影响。蒋中明等^[6-7]通过大型渗透试验仪进行室内渗透试验，研究了细颗粒含量、黏粒含量以及应力状态对碎石土抗渗性能的影响。朱崇辉^[8]通过室内渗透试验研究了土石混合体干密度、不均匀系数以及曲率系数对渗透系数的影响。周中等^[9-10]采用室内渗透正交试验研究了含石率、孔隙比和颗粒形状对土石混合体渗透系数的影响。许建聪等^[11]利用数理统计分析方法研究了碎块石粒组的含量和以粉粒、黏粒为主要成分的细粒土粒组的含量对碎石土渗透特性的影响。徐文杰等^[12]通过渗流数值试验研究了含石量、粒度组成以及块体空间分布等因素对土石混合体宏观渗透系数的影响。徐扬等^[13]通过大尺度野外渗透试验研究了回填土石混合体渗透特性与平均粒径和非均匀度的关系。王鹏飞等^[14]通过GDS饱和–非饱和三轴试验研究了断层带含石率和围压对土石混合体渗透特性的影响。金磊等^[15]基于三维格子Boltzmann方法从孔隙尺度模拟了土石混合体中的渗流，分析了块石含量、相对密实度和块石粒径对土石混合体渗透率的影响。

可见国内外学者对堆积体渗透特性的研究，大多考虑颗粒级配、含石量、块石粒径、干密度和应力状态等因素的影响，较少考虑岩块定向。本文以汶（川）马（尔康）高速公路千枚岩堆积体为研究对象，利用自制的渗透仪进行渗透试验，研究岩块的定向特征对其渗透特性的影响。

1.   试验设计

1.1   试验仪器

目前有关粗粒土的试验多采用直径30 cm的铁质渗透仪。为了清晰地观察试验现象以及满足试验粒径的需求，本文根据《水电水利工程粗粒土试验规程：DL/T5356—2006》研制了大型渗透仪，其装填高度为40 cm，内径为40 cm，允许最大粒径为80 mm，如图 2所示。

图  2  渗透仪示意图

Figure  2.  Schematic diagram of permeameter

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   试验土石料的基本性质

千枚岩堆积体属于土石混合体。本文参考徐文杰等^[16-18]对于土石混合体的研究，通过土–石的阈值${d_{{\text{thr}}}}$对土石混合体的组成成分进行划分。${d_{{\text{thr}}}} = 0.05{L_{\text{c}}}$，${L_{\text{c}}}$为土石混合体的工程特征尺寸，且${L_{\text{c}}} = \sqrt A$，A为研究区断面面积（A=1256 cm²），结合标准试验筛得到此次试验土料粒径为$d$$\leqslant$10 mm。

取汶马高速公路沿线某千枚岩堆积体进行筛分试验，10 mm及以下土料的颗粒级配曲线如图 3所示。土料的不均匀系数C_u=17.78＞5，曲率系数C_c=0.71＜1，为不良级配砂土。本文试验土料用河沙代替堆积体中的细颗粒，每组试验均按图 3配置其级配，研究由岩块定向引起的渗透性变化。通过土工试验测得土料的最优含水率为8%，最大干密度为1.98 g/cm³，千枚岩岩块干密度为2.858 g/cm³。

图  3  千枚岩堆积体中土料的级配曲线

Figure  3.  Grain-size distribution curve of soil materials in phyllite talus

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.3   试验方案

千枚岩定向角（$\theta$，即扁平岩块的最大面积岩面与水平面的夹角）和定向率（Δ，即具有定向性岩块的质量占岩块总质量的比率）对千枚岩堆积体渗透特性影响的试验方案如下：①定向角影响试验：拟定0°，30°，60°和90°这4种不同定向角，控制定向率为100%；②定向率影响试验：拟定0%，20%，40%，60%，80%和100%这6种不同的定向率，控制定向角为30°。两组试验千枚岩粒径均为60~80 mm，千枚岩含量（即千枚岩质量占试样总质量的比率）均为35%。

试验参数设计依据：①野外调研表明，千枚岩堆积体中岩块的定向角在0°~90°。为了研究定向角对千枚岩堆积体渗透特性的影响，拟定此范围内4种不同的定向角。②由于千枚岩岩块多为沿坡向堆积，千枚岩堆积体边坡坡角为30°左右，所以定向率影响试验中岩块定向角取30°。③实地调研资料表明，堆积体中千枚岩岩块粒径多为60~80 mm，试验岩块粒径按此取值。④千枚岩堆积体中的岩块含量受风化程度的影响，风化程度越高，岩块含量越少。进行渗透试验时，相邻岩块之间必须夹有一定的土料才能使试样在低水头下不发生破坏，并且实际堆积体中的岩块亦赋存于土料中（见图 1）。经过前期预试验，千枚岩含量最大值为35%，所以试验中岩块含量取35%。

1.4   试验方法

（1）定向角影响试验方法

试验前，称取一定量的土料，将土料平均分成5份，按最优含水率加水拌制。按土石质量比为13∶6称取千枚岩，并分成5等分。

装填$\theta$=0°试样时，先在下透水板上铺一层土工布防止土料堵塞透水孔。将试样分5层进行装填，首先装填最底下的第5层，将岩块平铺一层在土工布上，再铺一份土料的一半，再铺一层岩块和土料，将此层厚度击实至8 cm。其他层位的装填方法与第5层的相同，相邻两层之间进行刨毛处理使层间能够充分结合。装填$\theta$=30°的试样时，先在渗透筒一侧铺土料，使土料形成与水平面呈30°夹角的斜坡，用量角器度量角度以保证其精确性，然后在坡上铺千枚岩，再次铺土料并使其产状与上次的斜坡一致，在斜坡上铺千枚岩。重复铺土料和岩块直至该层装填完毕，将其厚度击实至8 cm。$\theta$为60°和90°试样的装填方法与$\theta$=30°试样的相同。图 4为不同定向角试样的竖向剖面示意图，扁平状椭圆表示定向的千枚岩，虚线表示分层。图 5为装填效果图，图中方形盒子为量角器。

图  4  不同定向角试样竖向剖面示意图

Figure  4.  Schematic diagram of vertical cross-section of samples with different orientations

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  5  不同定向角试样装填效果

Figure  5.  Loading effects of samples with different orientation angles

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试样装填完成后，依据规范对试样进行饱和处理，之后再进行渗透试验。渗透系数k的计算方法如下式所示：

式中：v为渗透流速；i为水力梯度；Q为单位时间渗流量；A为过水断面面积；$({h_1} - {h_2})$为水流流经试样段后的水头损失，即所测试样段测压管水面间的高度差；L为试样段高度。

（2）定向率影响试验方法

不同定向率试样竖向剖面示意图如图 6所示，具有定向排列岩块为定向层，空白处为不定向层。定向层的装填方法与$\theta$=30°试样的一致。装填不定向层时，使岩块定向角为30°，并使其倾向位于定向岩块倾向的±30°范围之外且杂乱无序，如图 7所示。试样装填完成后，按照定向角影响试验中的方法进行渗透试验及后期数据处理。

图  6  不同定向率试样竖向剖面示意图

Figure  6.  Schematic diagram of vertical section of samples with different orientation rates

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  7  不定向层装填效果

Figure  7.  Filling effects of non-orientational layer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   试验结果及分析

2.1   定向角影响试验结果及分析

（1）试验现象

试验起始阶段，水头较低，试样出逸面水流清澈透明。提升水头高度，流量逐渐增大。当水头达到某个节点时，试样表面出现细颗粒跳动和带出现象，水面轻度浑浊。保持水头不变，此现象逐渐停止，水面重新变澄清。随着水头继续增大，水流明显浑浊，细颗粒的跳动和带出现象加剧，并且跳动的范围扩大。当水头达到某一特定值，试样出逸面大片区域变得极其浑浊，流量骤然增大，大量细颗粒在此时涌现和堆积，试样已无抗渗能力，水头突然降低，试样发生管涌破坏。

不同试样的试验现象相似，$\theta$越大，试样越容易发生细颗粒跳动和带出现象，$\theta$=0°时最不易产生管涌破坏，然后依次是60°，90°和30°。

图 8为试验结束后试样表面堆积物，箭头的方向为岩块倾向方向。$\theta$为30°和60°时，细颗粒堆积在与岩块倾向相反的渗透筒边壁处，而当$\theta$为0°和90°时，堆积物不再聚集于此处，说明定向的岩块会控制水流的流向，使水流沿岩块定向方向流动。

图  8  不同定向角试样的表面堆积物

Figure  8.  Surface accumulation with different orientation angles

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）渗透性演变过程

定向角影响试验的4组试样渗透系数变化情况如图 9所示。结合图 9和试验现象，将试样的渗透性演变过程划分为4个阶段，以$\theta$=0°试样为例。

图  9  不同定向角试样的渗透系数随水力梯度的变化曲线

Figure  9.  Variation of permeability coefficient with hydraulic gradient for samples with different orientation angles

下载: 全尺寸图片 幻灯片

第一阶段为渗流初始阶段（AB段），即试样表面水面清澈阶段，k随i的增大而减小。此时渗透力较小，试样内部的细小颗粒在渗透力的作用下发生翻滚或者微小移动使初始孔隙发生阻塞，使得k逐渐减小。第二阶段为渗流过渡阶段（BC段），即试样表面开始出现细颗粒跳动和带出现象、水流轻微浑浊到渗透水流明显浑浊阶段，随着i的增大，k减小。在此阶段中，渗透力增大，水流能带动相对较大的细颗粒并使其在试样内部翻滚或移动，部分孔隙产生淤堵致使k进一步减小。与此同时，试样上部渗透力已能带动表面微小颗粒随水流流出，并能使相对较大细颗粒产生跳动现象。第三阶段为渗流发展阶段（CD段），即渗透水流明显浑浊到发生管涌破坏之前的阶段，k随i的增大而增大。这一阶段渗透力较大，渗透水流开始冲破淤堵的孔隙，并且更多的细颗粒被带出试样，导致k增大。渗透力的增大致使试样表面细颗粒跳动的范围扩大。第四阶段为渗流破坏阶段（DE段），即发生管涌破坏阶段，此时i由最大值瞬间减小，k骤然增大。当i达到极限值时，试样内部部分细颗粒被渗透水流冲开，试样中出现上下贯通的管涌通道，使得k骤增。

（3）渗透系数

渗透系数是描述土样渗透性能的综合性指标，一般用渗流初始阶段的渗透系数进行衡量。将此阶段的渗透流速与水力梯度进行线性拟合得到试样的整体渗透系数，此渗透系数与千枚岩定向角经过线性拟合得到定向角与试样整体渗透系数（用符号${k_\theta }$表示）的关系式。如图 10所示，${k_\theta }$=0.2736$\theta$+19.44，相关性系数R² = 0.97。${k_\theta }$随$\theta$的增大而增大，这与徐文杰等^[12]的研究结果相符。

图  10  千枚岩定向角与试样渗透系数的线性拟合关系

Figure  10.  Linear fitting relationship between orientation angle of phyllite and permeability coefficient of sample

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 10显示定向角$\theta$对千枚岩堆积体渗透系数${k_\theta }$有较大影响，$\theta$=90°时的${k_\theta }$为0°时的2.4倍。可能的原因是$\theta$为0°时，由于岩块对渗透水流的阻滞作用，一方面，水流需绕过岩块才能继续往上流动，增大了实际渗流路径，另一方面渗透水流向上流动的过程中遇到横向岩块的阻挡导致渗流速度变慢，流量变小。在这些因素的影响下使得0°试样的${k_\theta }$最小。$\theta$越大，岩块对水流的此类作用越弱，进而导致${k_\theta }$越大。

（4）临界水力梯度与破坏水力梯度

临界水力梯度是指使渗流出逸面开始发生流土或管涌（即土体即将发生渗透破坏）时的水力梯度。本试验以试样表面开始出现细颗粒跳动和带出、水流轻微浑浊时的水力梯度与试验前一级水力梯度的平均值，或者不同水力梯度下渗透流速变化曲线斜率出现明显变化时的水力梯度与试验前一级水力梯度的平均值作为临界水力梯度。破坏水力梯度是指土体发生流土和管涌（即土体完全失去抗渗性能）时的水力梯度。本试验以试样出现贯通的管涌通道时的水力梯度与试验前一级水力梯度的平均值作为破坏水力梯度。临界和破坏水力梯度越大，土体的渗透性越弱。

试验得出不同定向角$\theta$时的临界和破坏水力梯度如图 11。由图 11可知，临界水力梯度随$\theta$的增加而减小，当$\theta$＜30°时尤为明显。出现这种结果的原因可能是$\theta$越大，岩块对于水流的阻滞作用越小，水流的实际渗流路径越短，导致渗流出逸面处的细颗粒在i值较小时就会发生跳动和带出现象，因此更易产生临界破坏。破坏水力梯度随着$\theta$的增大，先减小后增大，再小幅减小，在$\theta$=30°试样处取得最小值。出现这种结果的原因可能是在层厚、岩块含量、粒径和土料孔隙率等因素都相同的情况下，$\theta$=30°试样中每层几乎都含两层岩块，而$\theta$为60°和90°时每层有且仅有一层岩块，导致$\theta$=30°试样岩块间所夹土料比60°和90°时的更厚（见图 5）。土料更厚时更易形成贯通的管涌渗流通道，使得$\theta$=30°试样更易发生管涌破坏。

图  11  千枚岩定向角与临界和破坏水力梯度的关系曲线

Figure  11.  Relationship among critical hydraulic gradient, failure hydraulic gradient and orientation angle of phyllite

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   定向率影响试验结果及分析

（1）试验现象

定向率影响试验中的现象与定向角影响试验类似。千枚岩定向率Δ越大，试样越易发生细颗粒跳动和带出现象，也越易发生管涌破坏。图 12为试验结束后试样表面堆积物形态，箭头的方向为岩块倾向方向。当Δ≥60%时，细颗粒堆积在与岩块倾向相反的渗透筒边壁处，而当Δ≤40%时，堆积物不再聚集于此处，说明当Δ≥60%时，定向的岩块会控制水流的流向，使水流沿岩块定向方向流动。

图  12  不同定向率试样的表面堆积物

Figure  12.  Surface accumulation with different orientation rates

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（2）渗透性演变过程

6组不同千枚岩定向率试样的渗透系数变化情况如图 13。结合图 13和试验现象，将Δ≤80%试样的渗透性演变过程划分为3个阶段，以Δ=40%试样为例，第一阶段为渗流初始阶段（AB段），即试样表面水面清澈阶段。第二阶段为渗流过渡阶段（BC段），即试样表面出现细颗粒跳动和带出现象、水流轻微浑浊到发生管涌破坏之前的阶段。第三阶段为渗流破坏阶段（CD段），即发生管涌破坏阶段。

图  13  不同定向率试样的渗透系数随水力梯度的变化曲线

Figure  13.  Variation of permeability coefficient with hydraulic gradient of samples with different orientation rates

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（3）渗透系数

千枚岩定向率Δ与试样整体渗透系数（用符号$k_\mathit{\Delta}$表示）的线性拟合关系如图 14所示，$k_\mathit{\Delta}$=0.1444Δ+ 17.1154，相关性系数R² =0.95。$k_\mathit{\Delta}$随Δ的增大而增大，其最大值为最小值的1.75倍，说明Δ对$k_\mathit{\Delta}$产生了显著的影响。可能的原因是当千枚岩定向时，所有岩块产状一致，水流沿着岩块之间的土料有规律的上升，渗透路径顺畅。当岩块不定向时，各岩块的产状不一致，土料的分布毫无规律，水流在上升时的渗透路径相比岩块定向时更不通畅，产生了更多水头损失，导致$k_\mathit{\Delta}$随Δ的减小而减小。

图  14  千枚岩定向率与试样渗透系数的线性拟合关系

Figure  14.  Linear fitting relationship between orientation rate of phyllite and permeability coefficient of samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

（4）临界水力梯度与破坏水力梯度

千枚岩定向率Δ与临界和破坏水力梯度的关系曲线如图 15所示。从图 15可以看出，临界水力梯度随Δ的增大呈现明显减小的趋势，说明Δ对临界水力梯度的影响显著。破坏水力梯度随Δ的增加也呈现减小的趋势，变化的幅度相对更小，说明Δ对破坏水力梯度有一定的影响。出现这一现象可能的原因是Δ越大，试样渗透性越强，导致其更易出现细颗粒出流与跳动现象，并且试样内部也更易形成贯通的管涌通道致其失去抗渗性能。

图  15  千枚岩定向率与临界和破坏水力梯度的关系曲线

Figure  15.  Relationship among phyllite orientation rate, critical hydraulic gradient and failure hydraulic gradient

下载: 全尺寸图片 幻灯片

通过上述分析，千枚岩堆积体的渗透系数k与定向角$\theta$（扁平岩块的最大面积岩面与水平面的夹角）、定向率Δ（具有定向性岩块的质量占岩块总质量的比率）均有明显的线性相关关系，且相关程度均较高。以$\theta$和Δ为自变量，k为因变量进行回归分析，得到k随$\theta$和Δ变化的关系式，给与此相关的工程实践提供考虑两者共同影响下的千枚岩堆积体或碎石类土的渗透性。回归分析结果为

式中：k的单位为m/d，$\theta$的单位为度（°），Δ的单位为%。适用范围是0° < $\theta$≤90°，0% < Δ≤100%，岩块含量大约为35%，土料为砂土（如本试验孔隙率为40.77%）。$\theta$=0°时，Δ的变化不会改变此类堆积体的渗透性，此时k=18.14 m/d；Δ=0%时，$\theta$的变化对其渗透性无影响，此时k=17.28 m/d。

3.   结论

（1）千枚岩堆积体中定向的扁平岩块会控制水流的方向，水流的方向与其在均质堆积体中明显不同，将沿岩块的定向方向流动，从而改变渗流路径。

（2）千枚岩堆积体的渗透系数${k_\theta }$与扁平岩块的最大面积岩面与水平面的夹角（定向角$\theta$）呈现线性正相关关系，即${k_\theta }$=0.2736$\theta$+19.44。$\theta$越大，堆积体越易发生渗透破坏。随着$\theta$的增大，临界水力梯度呈现减小的趋势，破坏水力梯度先减小后增大，再小幅减小。

（3）千枚岩堆积体的渗透系数${k_\mathit{\Delta} }$与具有定向性岩块的质量占岩块总质量的比率（定向率Δ）呈线性正相关关系，即${k_\mathit{\Delta} }$=0.1444Δ+17.1154。Δ越大，堆积体越易产生渗透破坏。随着Δ的增大，临界水力梯度和破坏水力梯度均呈现减小趋势。

（4）通过线性回归分析，在类似本文试验条件下，定向角$\theta$和定向率Δ共同影响下的千枚岩堆积体经验性渗透系数k可采用k=0.2578$\theta$+0.1105Δ+10.2856进行计算。