2.3　试验方案

2.3.1　粗粒石渗流试验方案

从粗粒石的渗透特征来看，影响粗粒石渗透性能的因素主要有粒径、厚度、压实性能以及容重等。此外，考虑到实际应用，粗粒石承压水头也是影响其渗流量的主要因素，因此，在基于多个承压水头作用的基础上，就粗粒石的粒径、铺设厚度、压实性能以及容重这些因素来进行粗粒石渗透性能的探讨，具体试验方案如下：

承压水头：3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m。

粗粒石粒径：5mm、20mm、60mm。

粗粒石厚度：30cm、50cm、70cm、90cm。

粗粒石容重：18.62N/cm3、21.23N/cm3、23.19N/cm3、24.50N/cm3、25.15N/cm3。

压实方法：松填、分层木槌夯实、人工重锤夯实与高压水头共同作用。

1.试验总体设计

由于试验的研究对象、研究内容和研究目的的不同，试验按照不同的类型分阶段进行。试验的总体设计如下：

（1）测定三种不同粒径粗粒石在自然堆积状态下的孔隙率。该试验组的主要目的在于对三种粗粒石在自然堆积状态下的孔隙率有定量的把握，也作为探讨粗粒石压实性能的初始条件。

（2）测定三种粗粒石的最小干密度、人工夯实干密度以及最大干密度。该试验组的主要目的在于探讨三种粗粒石的压实性能以及压实性能对单位渗流量的影响。

（3）测定不同水头作用下，单一参数变化对粗粒石渗流量的影响。该试验组主要探讨单一参数（粒径、厚度、容重）变化对粗粒石渗流量的影响，通过相关分析及曲线拟合，定性得出其相关关系，为实际应用提供理论依据。

2.粗粒石初始孔隙率测定

对于三种不同粒径的粗粒石，测定其自然堆积状态下的孔隙率即是试验箱内松填时的孔隙率，也可作为粗粒石压实性能的初始条件。

粗粒石自然状态下（松填）孔隙率的测定方法如下：

（1）取一定量的粗粒石，置于清水池中，将粗粒石表层粉尘及泥沙冲洗干净后，自然风干。

（2）将样品置于2000mL量筒内（松填），水平放置后，使其表层与某一刻度线齐平，该读数即为样品的表观体积V。

（3）另取2000mL的量筒，量取自来水V1，缓慢注入样品量筒中，使得液面与粗粒石表层刚好齐平。

（4）读取剩余水量V2，则粗粒石孔隙所占体积V3=V1-V2

（5）求得粗粒石孔隙率n=V3/V×100%

3.粗粒石的压实性对渗流特性影响的试验方案

本试验组按《土工试验规程》（SL237—1999）进行，粗粒石的人工夯实密度采用分层木槌夯实法测定，最小干密度采用松填法测定，最大干密度通过重锤夯实以及高压水流冲击以达到体积不再发生变化而得到。充分风干粒径d为5mm、20mm、60mm三种粗粒石，进行压实性能测定。

（1）最小干密度测定。采用人工松填灌注法将试样桶装后倒入试验箱（试验箱尺寸为：长a=0.6m；宽b=0.5m；高c=1.2m），每桶试样在倒入之前，分别称其重量并记录。松填时，保持粗粒石自由下落的距离为2～5cm之间，当填筑高度距试验箱口70cm左右时，停止加料，用平铲将试样刮平后，采用钢直尺测量试样顶部距箱口的距离并记录，测量时，以“田”字形方格中选取至少4个点进行测量，然后取其平均值作为c1，则人工松填高度L1=c-c1。此时，试样装填总质量为ms，最小干密度：ρdmin=ms/Vc=ms/（abL1）。

（2）人工夯实干密度测定。取质量ms的粗粒石试样进行分层装填，每层装填厚度大约为10cm，试验人员用木槌进行夯实后，再进行下一层，每层夯实大约5分钟，直至质量ms的粗粒石试样完全夯实，此时粗粒石试样已基本密实，不再有下沉变化，用平铲将试样刮平后，采用钢直尺测量试样顶部距箱口的距离并记录。测量时，以“田”字形方格中选取至少4个点进行测量，然后取其平均值作为c2，则人工夯实高度L2=c-c2。此时，试样装填总质量为ms，人工夯实干密度：ρd0=ms/Vt=ms/（abL2）。

（3）最大干密度测定。采用上述方法，在对粗粒石试样人工夯实的基础上，使试验箱在高压水流条件下再度密实，待试样体积已无变化时，采用钢直尺测量试样顶部距箱口的距离并记录。测量时，以“田”字形方格中选取至少4个点进行测量，然后取其平均值作为c3，则高度L3=c-c3。此时，试样装填总质量为ms，最大干密度：ρdmax=ms/Vs=ms/（abL3）。

（4）相对密度计算。

式中：ρd0为人工夯实干密度；ρdmin为最小干密度；ρdmax为最大干密度。

（5）渗流量计算。在承压水头H=7.38m条件下，分别对三种粗粒石在松填和人工夯实情况下作渗透试验，待压力表读数保持稳定不变时，读取直角三角堰测针读数，计算出水流量。

4.粗粒石容重对渗流特性影响的试验方案

该试验组所采用的不同容重，是以恒定的铺设厚度和渗透断面为条件，因此，所取的不同容重可以通过多次振捣、加量，以质量的变化表征粗粒石容重的变化。考虑到三种粒径粗粒石的压实性能，该试验组选取d=5mm粗粒石作为研究对象，选定厚度50cm，顶部设有防冲层。通过调节供水阀门，使封闭试验箱体达到指定水头3m，待出水流量稳定且压力表读数保持不变时，读取直角三角堰测针读数，计算出水流量。同理，得4m、5m、…、10m水头对应的出水流量。

试验完毕后，打开箱体，移除防冲板，测量粗粒石层沉降量，并加以振捣，然后加料至50cm，放入防冲层，封箱，重复上述试验。

多次振捣加料，依次得到5组不同容重的5mm粗粒石在3m、4m、5m、…、10m水头对应的出水流量，如图2.5所示。

5.粗粒石粒径对渗流特性影响的试验方案

该试验组分别以相同厚度的粒径为5mm、20mm、60mm的粗粒石对箱体填充，顶部设有防冲板。通过调节供水阀门，使封闭试验箱体达到指定水头3m，待出水流量稳定且压力表读数保持稳定不变时，读取直角三角堰测针读数，计算出水流量。同理，得4m、5m、…、10m水头对应的出水流量，如图2.6所示。

6.粗粒石厚度对渗流特性影响的试验方案

该试验组取同一粒径粗粒石，分别以30cm、50cm、70cm、90cm对箱体进行填充，顶部设有防冲层。通过调节供水阀门，使封闭试验箱体达到指定水头3m，待出水流量及压力表读数保持稳定不变时，读取直角三角堰测针读数，计算出水流量。同理，得4m、5m、…、10m水头对应的出水流量，如图2.7所示。

7.试验过程

试验过程分为试验准备阶段、试验阶段和试验结束三个阶段。

（1）试验准备阶段。试验准备阶段的工作主要是：①对试验用料进行冲洗、风干，防止携带的粉尘或泥沙造成孔隙淤堵，影响试验结果；②填料，填料过程中保证粗粒石的均匀性及平整性；③试验开始之前，要注意检查试验系统是否有漏水现象。

（2）试验阶段。试验阶段过程包括来水流量的调节与控制，直角三角堰读数记录以及箱体内部压力稳定后，承压水头的读取等。试验开始后，缓慢调大流量阀，使来水充满试验箱，保证气体排空，也使粗粒石达到饱和状态。三角堰读数基本稳定后，调节流量阀使压力表达到指定水头，记录三角堰读数。每次填料进行6～10个供水水头的试验，每个供水水头下的测试内容基本一致。

（3）结束阶段。试验结束后，打开排气阀，等待系统中水流完全流出后，使用工具开卸试验箱进行卸料工作，每次试验结束后，对粗粒石进行风干，重新填料。