摘要: 应用结合水动力学原理,采用野外调查和室内试验研究相结合、宏观研究和粘土微观研究相结合的方法,对粘土层的渗流特征进行了专门研究,确定粘土起始比降I0值,以确定测压水位与粘土含水带水位、毛细力与毛管水上升高度之间的关系.在三维渗流电网络计算的基础上,代写硕士论文进一步进行了粘土层内含水带的埋深计算,并重新选定毛管水上升高度值和浸没临界深度.研究结果表明,副坝下游浸没范围和程度大大减轻,只要进行适当的工程处理,下游浸没影响当可消除,建筑物安全也是有保证的.
　　关键词: 结合水;毛细上升高度; 浸没
　　国内最早研究水在粘土层中的运移规律课题的是张忠胤教授[1].他在1980年出版的遗著《关于结合水动力学问题》中,对结合水的基本运动规律、粘性土中的渗流带、含水带、毛细带作了全面精辟的论述.20世纪90年代,该课题列入国家自然科学基金资助项目.中国地质大学的冯晓腊[2]博士等做了一系列试验,建立了结合水迁移的数学模型.原长春科技大学的宿青山[3]教授等对结合水动力学理论在含水层越流补给问题的应用作了阐述.但将该理论应用于工程实际问题的评价尚不多见.
　　在尼尔基水利枢纽右岸副坝下游浸没研究中采用三维渗流电网络程序对蓄水后坝后地下水位进行计算.同时,解决计算得出的地下水位与粘土层内的含水带(地下水位)之间的关系和室内试验所得的毛细上升高度与实际粘土层毛细上升高度之间的关系.上述两个关系都与水在粘土中的渗流规律有关.因此,应用结合水动力学原理,采用野外调查和室内试验相结合、宏观研究与粘土微观研究相结合的方法,对粘土层中的含水带厚度及毛细上升高度进行了研究  ,并确定粘土层的起始比降I0值和实际毛细上升高度,解决了尼尔基水利枢纽右岸副坝下游建库后的浸没评价问题.研究结果表明,粘土层的测压水位与粘土含水带水位、含水带以上实际毛细上升高度与试验室测定的毛管水上升高度有较大差别,而且含水带以上土壤含水量随深度变化曲线可以较好地反映毛管水上升带的实际情况.
　　1. 地质背景
　　右岸副坝座落于地形低矮、平缓的白土山台地,台面宽1 000~1 500 m,高程一般为195~228 m,上游侧地形坡度较陡,直接与嫩江高漫滩相连.台地下游依次为嫩江一级侵蚀堆积阶地和高漫滩.沿坝轴线有两处地形较低洼,分别称为左、右垭口,其中左垭口地形最低点高程为210 m,右垭口地形最低点高程为207 m,高程低于库水位216 m的长度为764 m.
　　副坝坝基和坝后白土山台地具二元结构特征,其上部粘土层厚5~25 m,属极微透水层,局部分布有微透水的含碎石粘土、壤土、含砾或碎石壤土,下部为厚1~7 m含泥砂砾石层,基岩为华力西期花岗岩和闪长岩等,全、强风化带厚5 m,属强透水或中等透水层.白土山台地天然渗流场为与地表地形基本一致,受大气降水补给,呈承压状态,压力水头至地表距离一般为10~17 m,水力坡降较陡为0.011 3.
　　2. 结合水动力学基本原理
　　土粒表面具有游离化的原子和离子具有静电引力,当土粒表面的水分子在静电引力作用下吸附于土粒表面形成结合水(强结合水和弱结合水),强结合水的性质接近固态.密度可达1.2~2.4 g/cm3,弱结合水密度可达1.25 g/cm3,溶解能力较弱,冻结温度低于0℃.结合水的重要特征之一,是具有一定的抗剪强度,研究表明,结合水的抗剪强度随土粒表面距离的增加而递减.
　　3. 实验研究与浸没评价
　　正确评价尼尔基水利枢纽右岸副坝下游浸没问题,必须确定测压水位与粘土层内含水带水位、毛细力与毛细上升高度之间的关系,关键是研究粘土的渗流特性,确定粘土起始比降I0值.为此,笔者做了如下工作:
　　野外调查实际勘探点8个,实测地下水位以上的毛细上升高度,在野外肉眼观测的同时,沿坑壁一定深度间距取样测定其含水量和饱和度.以饱和度大于0.9为标准确定毛细水上升高度.室内毛管水上升高度和渗透试验成果见表2.据表1、表2,野外调查粘土起始比降(I0)为0.5~2.5,毛细上升高度观测值为1.30~1.70 m,试验实测值为1.60~2.35 m,室内渗透试验中SJ17-2和SJ18-2两个试样由于存在贯通性大孔隙,渗透系数偏大,显然不能反映粘土的真实渗透性.起始比降(I0)一般为1~2,最大达5.37,室内毛管水试验所得毛管水上升高度为1.8~3.0 m.不难看出室内试验成果受试件微观结构控制,且不可避免地具有局限性,而野外调查成果更能反映粘土层的宏观、真实性态.
　　据土工试验成果,土的粘粒质量分数为38%~53%,塑性指数为15.5~18.3,化学成分比较稳定,以SiO2为主,其次为Al2O3和Fe2O3,其它成分不多.粘土矿物成分以伊蒙混层为主,多呈细小的薄片状,大致呈定向排列,团聚体之间排列没有定向性.据微观结构看出,各试样在颗粒成分、团聚体大小、排列情况和密实程度等方面均具非均质性,这是其水理性质变化的主要原因.
　　根据上述结合水动力学原理和野外调查及室内试验取得的成果,确定尼尔基右岸副坝下游白土山台地的浸没临界深度.研究成果表明,粘土层是非均质的,各项参数包括I0值在内,都在较大范围内变化,室内试验成果易受到偶然的、微观的因素影响,而野外调查结果更能反映粘土层的宏观特性.另一方面,从工程安全角度出发,评价中采用I0值最小值,选用I0=0.5.同理,毛细水上升高度Hk采用最大值,选用2.5 m,由此确定的农田和房屋区的浸没地下水临界埋深分别为3.0 m和4.5 m.
　　粘土层内含水带埋深以三维渗流电网络程序计算为基础,以网络单元(剖面号和点号)节点地下水位作为测压水位,仔细分析地质资料,确定各节点地表粘土层底板高程和厚度,采用T=H0/(I0+1)(当粘土层厚度相对较薄时采用T=H0-I0L)公式进行计算.同时,进行了两种情况计算,即方案一(上游库水位216.0 m,基岩以上透水层进行定喷处理,厚度0.2 m,K=1×10-6cm/s)和方案二(上游库水位216.0 m,坝基不作任何处理),计算成果从略.
　　计算结果表明,当坝基不作任何处理时,左垭口的地下水埋深均大于4.5 m,不存在任何问题,右垭口坝轴线下游50~150 m范围地下水普遍逸出地面,面积约8500 m2,此外坝轴线下游400 m范围内的局部地段,地下水埋深小于3.0 m,总面积约40 700 m2.当对坝基透水层进行高喷处理时,情况大有改善,地下水逸出区消失,且地下水埋深小于3.0 m,地段面积仅22 500 m2.如果该段坝下游作浅层排水,用明渠或暗涵排向下游冲沟,可有效地将地下水降至粘土层底板以下,可消除坝下游浸没影响.
　　4. 结论
　　(1)尼尔基水利枢纽右岸副坝下游建库后的浸没评价问题,是兴建该水利枢纽面临的重大技术问题之一.多年来水利部东北勘测设计研究院勘测、设计和科研部门为此做了大量工作.而且应用结合水动力学原理,对粘土层的渗流特征进行了专门的野外调查和室内试验研究,在三维渗流电网络计算的基础上,进行了粘土层内含水带的埋深计算,并重新选定毛管水上升高度值.结果表明,下游浸没范围和程度大大减轻,只要进行适当的工程处理,下游浸没影响当可消除,建筑物安全也是有保证的.
　　(2)结合水动力学在国内有很好的研究成果,但将该理论应用于工程实际问题的评价尚不多见,具有广泛的推广应用价值,而且据渗透试验得出的空隙水压力曲线,水头损失在进口段大,在出口段则小得多.因此,粘土层内结合水的运移规律在理论上仍有进一步研究的必要.
　　参考文献:
　　[1] 张忠胤.关于结合水动力学问题[M].北京:地质出版社,1980.
　　Zhang Zhongyin. Relevant to the problems of bond water dynamics[M].Beijing: Geological Publishing House, 1980.
　　[2] 冯晓腊.饱和粘土中结合水运移机制及其在水文工程地质中的应用[A].第四届全国工程地质大会论文选集(二)[C].北京:海洋出版社, 1992.
　　Feng X . Moving mechanism of bond water in saturated clay and its application in other hydrological engineering geology[A]. Symposium of the fourth national engineering geology[C]. Beijing:Ocean Publishing House,1992.
　　[3] 宿青山.现代水文地质学[M].长春:吉林科技出版社,1991.
　　Su Qingshan. Modern hydrogeology[M]. Changchun: Jilin Science&Technology Publishing House, 1991.
　　[4] 吴凤彩.粘性土的吸附结合水量测和渗流的某些特点[J].岩土工程学报,1984,6:84 88.
　　Wu Fengcai. Measuring and seepage characteristics of bond water in clay layer[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1984,6:84 88.