压实后砂砾石料渗透特性试验研究

第 3 期水　利　水　运　工　程　学　报No. 3 2023 年 6 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Jun. 2023 DOI:10.12170/20220613004
邓成进，周恒，党发宁，等. 压实后砂砾石料渗透特性试验研究[J]. 水利水运工程学报，2023（3）：121-129. （DENG Chengjin, ZHOU Heng, DANG Faning, et al. Experimental study on permeability of sand gravel after compaction[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023（3）: 121-129. （in Chinese））
压实后砂砾石料渗透特性试验研究
邓成进1，周恒1，党发宁2，苗喆1
(1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065； 2. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西西
安 710048)
摘要: 砂砾石料细颗粒含量多、易于压实，在重型碾压机具作用下，压实后砂砾石料的孔隙结构和渗透特性可
能发生改变，将影响高混凝土面板砂砾石坝坝体渗流安全。

开展压实后砂砾石料渗透试验，分析砂砾石料特征
粒径与等效孔隙直径的关系，以及不同孔隙率对砂砾石料渗透特性的影响，并对常用的渗透系数经验计算式进
行验证。

研究表明：砂砾石料孔隙率的减小对其渗透特性影响较大，由于砂砾石料细颗粒含量较多，压实后颗粒
填充紧密，渗透试验得出的渗透系数比常规经验公式计算值小1~2个数量级，出现较大偏差；随着孔隙率减小
到一定程度，砂砾石料表现出黏性特性，内部无效孔隙增加、渗透系数大幅降低。

基于中国水科院公式引入有
效孔隙折减系数对公式进行修正，修正后公式计算得到的结果更加准确。

研究成果可为高混凝土面板砂砾石坝
坝体排水设计提供依据。

关　键　词：砂砾石料；渗透特性；孔隙率；有效孔隙折减系数
中图分类号：TU43 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)03-0121-09
砂砾石料开采方便，不仅大坝坝体主堆石区可直接利用天然砂砾石料，其他分区填筑料也可利用砂砾石料筛分获得。

天然砂砾石料细颗粒含量较多，易压实、抗变形能力较好，但颗粒磨圆度好、易冲蚀，其渗透稳定性相对较差。

砂砾石料渗透特性和高混凝土面板砂砾石坝渗透安全一直是国内学者研究的重点[1-2]。

砂砾石料的渗透特性与颗粒岩性、级配、形状、密实度等密切相关，国内外学者进行了大量相关研究[3-5]。

Hazen等[6-9]在试验基础上分别提出了经验公式；谢定松等[10]开展了覆盖层砂砾石料在不同密度、级配、应力条件下的渗透与渗透稳定试验，认为随着细颗粒含量的增加，砂砾石料的破坏型式从管涌型转向过渡型，破坏水力比降也增大；陈生水等[11]进行了砂砾石料缩尺效应、压实制样过程对其渗透特性影响的研究；邓铭江等[12]研究认为砂砾石料细颗粒含量多，在重型碾压机具作用下，砂砾石料更易于压实，密实度大幅提高。

目前，受室内压实设备功率的影响，开展室内高密实度条件下不同级配、不同孔隙率对其渗透特性影响规律的研究较少。

高混凝土面板堆石坝大多选择较高的填筑压实标准，压实后砂砾石料的孔隙结构和渗透特性可能发生改变，将影响高混凝土面板砂砾石坝的渗流安全。

砂砾石料在重型碾压机具作用下易填充密实，压实后砂砾石料的孔隙结构与常规粗粒土存在明显差异。

为研究压实后砂砾石料渗透特性，本文开展不同孔隙率和颗粒级配条件下砂砾石料渗透试验，分析孔隙率和级配对砂砾石料渗透特性的影响，对压实后砂砾石料渗透系数经验计算公式进行验证，以期为高混凝土面板砂砾石坝坝体排水设计提供依据。

收稿日期：2022-06-13
基金项目：国家自然科学基金联合项目（U1965107）
作者简介：邓成进（1986—），男，湖北随州人，高级工程师，主要从事土石坝试验和数值模拟研究。

E-mail：********************
1 砂砾石料渗透试验
1.1　砂砾石料渗透试验取料及级配
渗透试验采用大石峡工程S3料场和茨哈峡工程J1料场的砂砾石料。

大石峡S3料场砂砾石料最大粒
径500 mm ，5 mm 以下颗粒质量分数为13%~37%，不均匀系数平均为162.6，曲率系数平均为6.3。

S3料场取料可作为坝体内主堆石料、垫层小区料、垫层料等，各坝料渗透试验试样干密度为2.20~2.28 g/cm 3。

茨哈峡J1料场砂砾石料最大粒径250 mm ，5 mm 以下颗粒质量分数为14%~29%，不均匀系数43.9~428.7，曲率系数4.1~35.1。

J1料场取料可作为坝体内主堆石料、垫层料、过渡料等，各坝料渗透试验试样干密度为2.20~2.26 g/cm 3。

大石峡S3料场和茨哈峡J1料场各坝料设计级配曲线见图1。

渗透试验试样尺寸为Φ300 mm×300 mm ，试样最大粒径为60 mm ，采用人工压实达到相应的干密度。

S3和J1料场的主堆石料，S3料场垫层料级配下包线，J1料场过渡料和垫层料的最大粒径均超过60 mm ，需
对设计级配曲线进行缩尺。

根据谢定松等[13]对渗透试验缩尺效应的研究成果，砂砾石料渗透试验采用等量代替法。

S3料场垫层料上包线和平均线级配、垫层小区料的最大粒径均小于60 mm ，可直接采用设计级配。

1.2　砂砾石料渗透试验
渗透试验过程分3步：（1）取样风干。

从已筛分的60~40、40~20、20~10、10~5、5~1、1~0 mm 共6种粒径范围称取砂砾石料，配制满足试验级配曲线要求的试样，将其自然风干。

（2）装样击实。

装样时在仪器壁内侧涂凡士林以避免沿仪器壁的集中渗漏，采用水头饱和法逐级进行饱和。

（3）计算渗透系数。

渗流方向为从下向上，在低水头时，测取一定时间内的排水量，按达西定律计算渗透系数。

各坝料试验干密度、孔隙率与渗透系数试验结果见表1。

由表1可知，垫层料、主堆石料、过渡料的渗透性基本在10−4、10−3、10−2 cm/s 级，整体上各坝料渗透系数随细颗粒含量增加而减小。

大石峡S3料场主
表 1 S3料场和J1料场各坝料渗透试验结果Tab. 1 Permeability test results of dam materials in S3 and J1stockyards
试样名称干密度/(g·cm −3)
孔隙率/%渗透系数/(cm·s −1)
S3-1垫层小区 2.200.209.18×10−5S3-2垫层料上包线 2.240.199.37×10−5S3-3垫层料平均线 2.260.18 1.92×10−4S3-4垫层料下包线 2.270.17 3.86×10−4S3-5上包线 2.280.17 2.50×10−4S3-6平均线 2.270.17 6.01×10−3S3-7下包线 2.220.197.73×10−2J1-1上包线 2.260.18 4.54×10−4J1-2平均线 2.260.18 3.34×10−3J1-3下包线 2.260.18 2.51×10−2J1-4上包线 2.200.207.87×10−4J1-5平均线 2.200.20 5.50×10−3J1-6下包线 2.200.20 4.21×10−2J1-7垫层料 2.250.18 1.23×10−4J1-8过渡料
2.25
0.18
3.18×10−3
小于某粒径的质量百分数/%
粒径/mm (a) S3 料场
小于某粒径的质量百分数/%
粒径/mm (b) J1 料场
图 1 S3和J1料场各坝料设计级配
Fig. 1 Test simulation grading in S3 and J1 stockyards
122
水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 6 月
堆石料小于5 mm 颗粒含量为13%~37%，渗透系数为2.5×10−4~7.73×10−2 cm/s ，最大值约为最小值的300倍。

茨哈峡J1料场主堆石料小于5mm 颗粒含量为14%~29%，当试验干密度为2.26 g/cm 3时，渗透系数为4.54×10−4~2.51×10−2 cm/s ；当试验干密度为2.20 g/cm 3时，渗透系数为7.87×10−4~4.21×10−2 cm/s ，砂砾石料渗透系数与颗粒级配、孔隙率密切相关。

2 经验渗透系数计算公式验证
2.1　渗透系数常用计算公式
土体渗透系数反映了颗粒粒径大小、紧密程度、结构孔隙等特性，国内外学者在理论研究、室内试验测
定基础上，提出了诸多经验公式：
k （1）太沙基公式。

Hazen [6]提出了有效粒径d 10与渗透系数的关系，太沙基于1955年考虑土体孔隙比的影响，提出公式：
k d 10e n 式中：为达西渗透系数（cm/s ）；为坝料的等效粒径，为级配曲线上累计质量占总质量10%的粒径（mm ）；
为孔隙比；为孔隙率。

k （2）斯托克斯公式。

小直径毛细管中水的层流由毛细管中层流理论泊苏叶（Poiseuille ）公式表达，用土体有效孔隙直径代替毛细管直径，达西渗透系数可表达为：
g D 0n ηα式中：为重力加速度（cm 2/s ）；为土体内有效孔隙直径（cm ）；为孔隙率；为自由水的动力黏滞系数（cm 2/s ）；为毛细管形状及长度修正系数。

（3
）中国水科院公式。

Sherard 等[7]研究土的等效粒径，发现土体内有效孔隙直径与堆石料的等效粒径d s 和孔隙率n 有关，确定土体内有效孔隙直径为：
式（3）代入式（2）简化为下列公式：
d 20式中：为坝料的等效粒径，为级配曲线上累计质量占总质量20%的粒径（cm ）；c 为拟合参数，与土颗粒的浑圆度和压实度相关。

当土颗粒为天然砂砾石和砾石土（有一定压实功能）时，c 取234。

渗透系数与土体的特征粒径、孔隙率密切相关，若按毛细管中层流理论公式进行统一表示，各式中土体有效孔隙直径的表达有所不同。

各式适用范围也不同，太沙基公式适应的土料范围较广，但细料含量在15%~25%时误差较大[9]；中国水科院公式适用于无黏性土，人工碎石土的系数c 取106，天然砂砾石和砾石土的系数c 取234。

2.2　常用经验公式验证
采用本文砂砾石料渗透试验对常用的中国水科院计算公式和太沙基公式进行验证，将太沙基公式及本次试验k 与d 10的关系列入图2中，将中国水科院公式及试验k 与d 20的关系列入图3中。

由图2和图3可知，砂砾石料渗透系数k 与颗粒等效粒径d 10、d 20相关性均较好，渗透系数随等效粒径增大而增大，但砂砾石料渗透试验结果远小于太沙基计算公式和中国水科院计算得到的渗透系数，相差1~2个数量级。

第 3 期
邓成进，等：压实后砂砾石料渗透特性试验研究123
若采用S3料场和J1料场砂砾石料渗透试验成果对式（1）重新修正拟合，拟合公式可以表达为：
若采用S3料场和J1
料场砂砾石料渗透试验数据对式（4）重新修正拟合，拟合参数c 调整为8.23，上、下限为2.19和21.78，拟合式可以表达为：
拟合式（5）和（6）计算渗透系数的最大值与最小值相差约1个数量级，偏离程度较小，且大石峡S3和茨哈峡J1料场渗透试验大部分数据在拟合式附近，这表明两个料场砂砾石料渗透特性与颗粒级配、孔隙率密切相关，受母岩岩性、颗粒形状的影响较小。

2.3　误差原因分析
大石峡S3料场和茨哈峡J1料场砂砾石料压实后渗透试验成果均小于太沙基公式和中国水科院公式计算值，而文献[14]沟后坝砂砾石料渗透试验结果与中国水科院公式计算结果较为吻合。

这表明上述常用的经验公式有一定的适用范围，计算压实后砂砾石料的渗透系数存在较大误差。

这种误差可能是由砂砾石料试验干密度不同所造成。

沟后砂砾石料试验干密度大多为2.01~2.13 g/cm 3，孔隙率n 为20.5%~25.0%；早期砂砾石料渗透试验试样压实相对密度较低，经验公式基本适用。

而本次大石峡和茨哈峡砂砾石料试验干密度大多为2.20~2.28 g/cm 3，孔隙率n 为17%~20%。

随着砂砾石料压实度的提高，采用常规经验公式计算误差较大。

因此，试样压实度差异较大是造成误差的主要原因。

综上所述，目前常用的计算公式与压实后砂砾石料渗透试验数据有较大差异。

压实后砂砾石料颗粒填充紧密、孔隙率较小，改变了孔隙的结构特征，常规粗粒土的渗透系数经验公式不能反映压实度相对较高条件下砂砾石料渗透特性。

x 10−10−10−10−10−10−10k /(c m ·s −1)(ed 10)2/mm 2
图 2 砂砾石料渗透系数与太沙基公式的关系
Fig. 2 Relationship between permeability coefficient of sand gravel and the Terzaghi Formula
x 21.0 × 10−2.0 × 10−4.0 × 10−8.0 × 10−1.6 × 10−(k /n )/(c m ·s −1)
(d 20n )/cm
图 3 砂砾石料渗透系数与中国水科院公式的关系
Fig. 3 Relationship between permeability coefficient of sand gravel and the formula of
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
124
水 利 水 运 工 程 学 报
2023 年 6 月
3 砂砾石料渗透特性分析
3.1　压实后砂砾石料孔隙结构特征分析
从砂砾石料细颗粒含量及组成看，各坝料粒径小于0.5 mm 颗粒的质量分数为5%~21%，粒径小于0.075 mm 颗粒的质量分数为4%~10%，黏性颗粒含量相对较多，但整体上为无黏性土。

由于砂砾石料细颗粒含量较多，在重型碾压作用下颗粒间填充紧密，且具有一定含量的黏粒，碾压密实后会表现出一定程度的黏性土特征。

黏性土颗粒表部与孔隙水发生物理化学作用，部分孔隙被结合水膜占据，结合水处于黏滞状态，孔隙导水能力下降，形成无效孔隙 [15-16]。

压实后砂砾石料渗透试验结果显示，由于砂砾石料局部土体具有一定程度的黏性特征，当砂砾石料孔隙率减小到一定程度后，土体内无效孔隙增加，导致得到的渗透系数与常规的粗粒土渗透系数计算经验公式存在较大差异。

βn ′=βn n n ′为分析无效孔隙对砂砾石料渗透特性的影响，引入有效孔隙率折减系数，则压实后砂砾石料有效孔隙率可表示为。

将中国水科院公式和太沙基公式中孔隙率用有效孔隙率代替，并与拟合式（5）和（6）进行对比可得折减系数的取值（见表2）。

ββ由表2可知，采用中国水科院公式引入有效孔隙率折减系数平均值为0.333，采用太沙基引入有效孔隙率折减系数为0.315~0.361。

这表明压实后砂砾石料孔隙率减小，其有效孔隙也大幅减少，无效孔隙约占2/3。

3.2　颗粒级配对渗透特性的影响
对于无黏性土而言，孔隙结构主要受颗粒级配和孔隙结构大小的影响，颗粒级配一般采用等效粒径表达，哈增法、扎乌叶布列法、巴甫契奇公式和刘杰公式中采用的特征粒径分别为d 10、d 17、d 20、d 50等。

张国栋等[17-18]对碎石土渗透特性试验研究，认为等效粒径d 20对渗透系数影响较大。

为分析颗粒级配对砂砾石料渗透特性的影响，对J1料场和S3料场具有相同孔隙率的试样分2组进行分析，第1组为J1-1、J1-2、J1-3、S3-3，孔隙率为18%，干密度为2.26 g/cm 3
；第2组为J1-4、J1-5、J1-6、S3-1，孔隙率为20%，干密度为2.20 g/cm 3。

根据式（2）计算各坝料等效的孔隙直径D 0，并将特征粒径（d 10、d 20、d 30、d 40）一并列入表3。

由表3可知，土的渗透系数等效孔隙直径为19.5×10−3~0.88 cm ，土的特征粒径为0.10~50.00 mm 。

本文采用拟合公式对等效孔隙直径D 0及特征粒径d s 的关系进行分析，线性拟合公式见图4。

表 2 压实后砂砾石料有效孔隙率折减系数
Tab. 2 Reduction coefficient of effective porosity of sand gravel after compaction
计算式名称常规经验公式
压实后公式
含有效孔隙率折减系数β
β取值中国水科院公式k =234n 3(d 20)2
k =234β3n 3(d 20)2
0.333太沙基公式
k =2d 210
(n 1−n )2
k =2d 210
(βn 1−βn
)2
0.315~0.361
表 3 砂砾石料等效孔隙直径与特征粒径分析Tab. 3 Analysis of equivalent pore diameter and characteristic particle size of sand gravel
试样D 0/10−3 cm
d 10/mm d 20/mm d 30/mm d 40/mm S3-30.880.250.90 2.00 4.10J1-1上包线 2.590.100.65 5.0012.00J1-2平均线 6.840.25 4.0012.0023.00J1-3下包线19.50 1.0010.2029.0050.00S3-1 1.350.200.60 1.20 2.00J1-4上包线 2.080.100.65 5.0012.00J1-5平均线 5.640.25 4.0012.0023.00J1-6下包线
15.50
1.00
10.20
29.00
50.00
第 3 期
邓成进，等：压实后砂砾石料渗透特性试验研究125
由图4可知，在不同孔隙条件下，砂砾石料等效孔隙直径D 0与各特征粒径d s 之间均呈线性关系。

根据线性拟合相关程度可知，等效孔隙直径D 0与特征粒径d 30和d 20相关度最好，特征粒径d 40次之，特征粒径
d 10相关度相对较差。

3.3　常用经验计算公式修正
β中国水科院公式是常用的粗粒土渗透系数计算公式，且以d 20为特征粒径，本次试验也表明压实后砂砾石料等效孔隙直径与特征粒径d 30和d 20相关度最好。

因此，为分析压实后无效孔隙对砂砾石料渗透系数的影响，本文基于中国水科院公式，引入有
效孔隙折减系数，将压实后砂砾石料渗透系数计算公式修正为：
β砂砾石料细颗粒含量较多，压实后以颗粒填充为主，各工程砂砾石料的母岩岩性、颗粒形状对渗透
特性影响较小，为了分析砂砾石料孔隙率对折减系数的影响，对文中J1料场、S3料场和沟后砂砾石料[14]中具有相同孔隙率的试样进行分组分析。

第1组为J1-1、J1-2、J1-3、J1-7、J1-8、S3-3，试样孔隙率为18%，干密度为2.25~2.26 g/cm 3；第2组为J1-4、J1-5、J1-6、S3-1，试样孔隙率为20%，干密度为2.20 g/cm 3；第3组试样孔隙率为23%，取沟后砂砾石料3个干密度为2.06 g/cm 3的试样进行分析。

不同孔隙率条件下渗透系数拟合见图5。

βββ由图5可知，不同孔隙率条件下砂砾石料渗透系数与特征粒径的拟合程度均较高，并可通过拟合系数计算相应的有效孔隙率折减系数。

当孔隙率为18%、20%、23%时，有效孔隙折减系数分别为0.263、0.278、0.811。

这表明孔隙率对砂砾石料的有效孔隙影响较大，当砂砾石料压实到一定密实度后，孔隙率越小，有效孔隙越少，渗透系数也越小。

压实后砂砾石料孔隙率n 和1/的关系见图6。

n ββn 由图6可知，孔隙率与折减系数倒数1/基本呈线性关系。

砂砾石料有效孔隙折减系数与孔隙率之间的关系可表示为：
x x x x d s /c m D 0/cm (a) 孔隙率 18%
d s /c m D 0/cm (b) 孔隙率 20%
图 4 试样孔隙直径D 0与特征粒径d s 的关系
Fig. 4 Relationship between pore diameter D 0 and characteristic particle size d s of sample
(k /n )/(c m ·s −1)
(nd 20)2/cm 2
(a) 孔隙率
18%
(k /n )/(c m ·s −1)
(nd 20)2/cm 2
(b) 孔隙率
20%
(k /n )/(c m ·s −1)
(nd 20)2/cm 2(c) 孔隙率 23%
图 5 不同孔隙率条件下砂砾石料渗透系数与特征粒径
d 20的关系
Fig. 5 Relationship between permeability coefficient and
characteristic particle size d 20 under different porosity conditions
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水 利 水 运 工 程 学 报
2023 年 6 月
将式（8）代入式（
7），砂砾石料（孔隙率小于将本文J1料场、S3料场及沟后砂砾石料试验
数据与式（9）列于图7中。

由图7可知，考虑压实后砂砾石料孔隙率的影
响，对渗透系数计算公式进行修正后，与试验数据的
吻合度较好。

压实后砂砾石料颗粒填充、挤压紧密，孔隙率较小，从而改变砂砾石料的孔隙结构特征；且砂砾石料细颗粒含量较多，具有一定黏性土特性，导
致压实后颗粒之间无效孔隙增加，从而改变了砂砾石料的渗透特性，采用修正后公式能较好地反映砂砾石料的渗透特性。

根据修正后公式分别推算J1料场、S3料场主堆石料平均线的渗透系数随孔隙率变化规律（图8）。

由图8可见，当J1料场主堆石料的孔隙率由20%降低至16%，S3料场主堆石料的孔隙率由21%降低至18%时，其渗透系数由10−2
cm/s 降低至10−3
cm/s ，
降低约1个量级，这表明砂砾石料孔隙率对渗透性影响较大，重型碾压后砂砾石料的干密度大幅提高，
利于大坝变形控制，但也大幅降低其渗透性，高混凝土面板砂砾石坝应加强坝体排水设计，为确保坝体渗透安全，应在砂砾石坝体内设置竖向排水体，并与水平排水体连接。

由于室内渗透试验试样尺寸较小和试样压实手段有限，试验干密度很难达到现场重型碾压后的干密度，无法模拟现场重型碾压后砂砾石料渗透特性，故修正后计算公式是否适用现场重型碾压后更高密实度的砂砾石料仍需要进一步验证。

4 结　语
本文通过渗透试验分析了特征粒径和孔隙率对砂砾石料渗透特性的影响，对压实后砂砾石料渗透系数
经验计算公式进行验证，得出以下结论：
（1）压实后砂砾石料渗透系数试验值比经验公式计算值小1~2个数量级，出现较大偏差，现有经验公式不能反映密实度较高条件下砂砾石料的渗透特征。

（2）压实后砂砾石料的等效孔隙直径与砂砾石料的特征粒径可采用线性关系拟合，特征粒径d 30和d 20与渗透系数的相关度最好，特征粒径d 10相关度相对较差。

（3
）砂砾石料细颗粒含量较多，压实后颗粒填充紧密，并具有一定含量的黏粒，对砂砾石料有效孔隙影响较大；压实后砂砾石料的孔隙率减小到一定程度，内部无效孔隙增加，导致渗透系数大幅减少。

β（4）基于中国水科院公式，考虑孔隙率对砂砾石料渗透特性的影响，引入有效孔隙折减系数，对计算公
n
1/β
图 6 压实后各坝料的孔隙率n 和1/β的关系
Fig. 6 Relationship between porosity n and 1/β
1.0 × 10
−5
1.0 × 10−3
1.0 × 10−1
101.0 × 103
k /(c m ·s −1)
(βn )3
D 02/(cm·s −1)
图 7 修正后砂砾石料渗透系数计算公式与实测结果对比Fig. 7 Comparison between the modified calculation formula
of permeability coefficient of sand gravel and the
measured results 1.0 × 10−4
1.0 × 10−31.0 × 10−21.0 × 10−11.00.16
0.18
0.20
0.22
0.24
0.26k /(c m ·s −1)
n
J1 平均线S3 平均线
图 8 砂砾石料渗透系数随孔隙率变化规律
Fig. 8 Variation law of permeability coefficient of sand gravel
with porosity 第 3 期
邓成进，等：压实后砂砾石料渗透特性试验研究127
128水　利　水　运　工　程　学　报2023 年 6 月
式进行修正，修正后计算公式得到的结果更加准确。

由于室内渗透试验试样尺寸限制，修正公式是否适用于更高密实度条件下砂砾石料渗透特性，仍需大型原级配渗透试验进行验证。

参　考　文　献：
傅华, 凌华, 蔡正银. 砂砾石料渗透特性试验研究[J]. 水利与建筑工程学报，2010，8(4)：69-71. （FU Hua, LING Hua, CAI [1]
Zhengyin. Experimental study on seepage properties of sandy gravel[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2010, 8(4): 69-71. （in Chinese））
郭爱国, 凤家骥, 汪洋, 等. 砂砾石坝料渗透特性试验研究[J]. 武汉水利电力大学学报，1999，32(3)：93-97. （GUO Aiguo, [2]
FENG Jiaji, WANG Yang, et al. Experimental research on permeability of sandy gravel for dam mass[J]. Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering, 1999, 32(3): 93-97. （in Chinese））
SATO M, KUWANO R. Suffusion and clogging by one-dimensional seepage tests on cohesive soil[J]. Soils and Foundations, [3]
2015, 55(6): 1427-1440.
SEGHIR A, BENAMAR A, WANG H Q. Effects of fine particles on the suffusion of cohesionless soils. Experiments and [4]
modeling[J]. Transport in Porous Media, 2014, 103(2): 233-247.
TICKELL F G, HIATF W N. Effect of angularity of grain on porosity and permeability of unconsolidated sands: geological [5]
notes[J]. AAPG Bulletin, 1938, 22(9): 1272-1274.
HAZEN A. Some physical properties of sands and gravels, with special reference to their use in filtration[C]∥24th Annual [6]
Report Public Document No. 34. England: Harvard University Press, 1892：232-248.
SHERARD J L, DUNNIGAN L P, TALBOT J R. Basic properties of sand and gravel filters[J]. Journal of Geotechnical [7]
Engineering, 1984, 110(6): 684-700.
INDRARATNA B, VAFAI F, DILEMA E L G. An experimental study of the infiltration of a lateritic clay slurry by sand [8]
filters[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1996, 33(8): A355.
刘杰. 土的渗透破坏及控制研究[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2014. （LIU Jie. Piping and seepage control of soil[M].
[9]
Beijing: China Water Power Press, 2014. （in Chinese））
谢定松, 蔡红, 魏迎奇, 等. 覆盖层不良级配砂砾石料渗透稳定特性及影响因素探讨[J]. 水利学报，2014，45(增刊2)：77-82.
[10]
（XIE Dingsong, CAI Hong, WEI Yingqi, et al. Discussion of seepage stability characteristic of bad graded sand and gravel overlay[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(Suppl2): 77-82. （in Chinese））
陈生水, 凌华, 米占宽, 等. 大石峡砂砾石坝料渗透特性及其影响因素研究[J]. 岩土工程学报，2019，41(1)：26-31. （CHEN [11]
Shengshui, LING Hua, MI Zhankuan, et al. Experimental study on permeability and its influencing factors for sandy gravel of Dashixia Dam[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(1): 26-31. （in Chinese））
邓铭江. 严寒、高震、深覆盖层混凝土面板坝关键技术研究综述[J]. 岩土工程学报，2012，34(6)：985-996. （DENG [12]
Mingjiang. Advances in key technology for concrete face dams with deep overburden layers under cold and seismic conditions[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(6): 985-996. （in Chinese））
谢定松, 蔡红, 魏迎奇, 等. 粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨[J]. 岩土工程学报，2015，37(2)：369-373. （XIE Dingsong, [13]
CAI Hong, WEI Yingqi, et al. Scaling principle and method in seepage tests on coarse materials[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(2): 369-373. （in Chinese））
李雷, 盛金保. 沟后坝砂砾料的工程特性[J]. 水利水运科学研究，2000(3)：27-32. （LI Lei, SHENG Jinbao. Engineering [14]
behavior of gravel materials of Gouhou Dam[J]. Journal of Nanjing Hydraulic Research Institute, 2000(3): 27-32. （in Chinese））
蒋中明, 王为, 冯树荣, 等. 应力状态下含黏粗粒土渗透变形特性试验研究[J]. 岩土工程学报，2014，36(1)：98-104.
[15]
（JIANG Zhongming, WANG Wei, FENG Shurong, et al. Experimental study on influence of stress state on seepage failure characteristics of coarse grained soil with cohesive particles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(1): 98-104. （in Chinese））
党发宁, 刘海伟, 王学武, 等. 基于有效孔隙比的黏性土渗透系数经验公式研究[J]. 岩石力学与工程学报，2015，34(9)：[16]
第 3 期邓成进，等：压实后砂砾石料渗透特性试验研究129
1909-1917. （DANG Faning, LIU Haiwei, WANG Xuewu, et al. Empirical formulas of permeability of clay based on effective pore ratio[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(9): 1909-1917. （in Chinese））
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. （ZHANG Guodong, LIAO [17]
Aiming, LI Mindi, et al. Model test studies on permeability of gravel soil[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(5): 91-
95. （in Chinese））
王俊杰, 卢孝志, 邱珍锋, 等. 粗粒土渗透系数影响因素试验研究[J]. 水利水运工程学报，2013(6)：16-20. （WANG Junjie, [18]
LU Xiaozhi, QIU Zhenfeng, et al. Experimental studies on influence factors of permeability coefficients of coarse-grained soil[J]. Hydro-Science and Engineering, 2013(6): 16-20. （in Chinese））
Experimental study on permeability of sand gravel after compaction
DENG Chengjin1, ZHOU Heng1, DANG Faning2, MIAO Zhe1
(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi’an 710065, China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)
Abstract: The sand gravel has more fine particles and is easy to be compacted. Especially under the action of heavy roller, the pore structure and permeability characteristics of the sand gravel may change after compaction, which will affect the seepage safety of the high concrete face gravel dam. In this research, the permeability test of sand gravel after compaction was carried out to analyze the relationship between the characteristic particle size and the equivalent pore diameter of sand gravel, as well as the influence of different porosities on the permeability of sand gravel, and verify the commonly used empirical calculation formula of permeability coefficient. The research shows that the reduction of the porosity of the sand gravel has a great impact on its permeability characteristics. Due to the large content of fine particles in the sand gravel, and to the fact that the particles are tightly packed after compaction, the permeability coefficient of the sand gravel obtained from the permeability test is 1~2 orders of magnitude smaller than the calculated value of the conventional empirical formula, resulting in a large deviation. As the porosity decreases to a certain extent, the sand gravel shows certain viscous characteristics, the internal void increases, and the permeability coefficient decreases significantly. Based on the formula of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, the effective pore reduction coefficient is introduced to modify the formula, and the results calculated from the modified formula are more accurate. This study can provide a basis for the drainage design of high concrete face gravel dams. Key words: sand gravel; permeability characteristics; porosity; effective pore reduction coefficient。