土工格柵加筋土石混合壩滲透穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

土工格柵加筋土石混合壩滲透穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

0壩上地區(qū)反濾層間關(guān)系黑河引水工程金盆水生植物位于大型工程中，水庫為心墻土石混合水庫，高133m。粘土心墻下游的水庫材料為反濾砂、混合反濾材料和水庫外殼砂卵石。反濾層的等級配置和層間關(guān)系是否滿足反濾要求，直接關(guān)系到水庫的安全運(yùn)行。為了為設(shè)計(jì)單位提供可參考的防洪工程材料的滲透穩(wěn)定性、抗洪工程的滲透性指標(biāo)和參數(shù)，并控制透流，必須研究建壩材料的滲透穩(wěn)定性。1試樣材料的密度試驗(yàn)按規(guī)程規(guī)定對試驗(yàn)用料的超粒徑部分用等重量代替法進(jìn)行代替后進(jìn)行試驗(yàn);反濾料采用的是渭河砂,混合反濾料和壩殼料用的是黑河下游的河床砂卵石;渭河砂、混合反濾料、壩殼料和壩基砂卵石的試驗(yàn)級配見圖1。根據(jù)黑河大壩的粗粒料的級配,計(jì)算了各種試料的不均勻系數(shù),并分別對渭河砂、混合反濾料、壩殼料和壩基砂卵石進(jìn)行了相對密度試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)時(shí)各試樣的制樣密度均采用相對密度Dr=0.8時(shí)的各種材料的設(shè)計(jì)干密度。試驗(yàn)用的心墻土料的土性指標(biāo)見表2。2試驗(yàn)方案和試驗(yàn)分類根據(jù)筑壩材料的物理性質(zhì),滲透變形的幾種形式及施加水壓力的方向,將試驗(yàn)分為:管涌(流土)試驗(yàn)、接觸流失試驗(yàn)、接觸沖刷試驗(yàn)和裂縫沖刷試驗(yàn)。2.1土層結(jié)構(gòu)的測定在滲流作用下,滲流水自下而上通過無粘性土層,在一定滲透力作用下無粘性土中的細(xì)顆粒從粗顆粒所形成的孔隙通道中連續(xù)移動和被帶出為管涌,若土體整體浮動則為流土。2.1.1壩體管涌試樣的試樣研究對于反濾砂渭河砂的管涌試驗(yàn)在Ф=10cm的管涌儀內(nèi)進(jìn)行,采用真空抽氣法飽和試樣;對于混合反濾料、壩殼料和壩基砂卵石的管涌試驗(yàn)在Ф=28cm的垂直滲透變形儀內(nèi)進(jìn)行,采用水頭飽和法飽和試樣;各試樣的管涌試驗(yàn)的水流都是以自下而上的方向流動,試驗(yàn)壓力分級施加,在每級壓力穩(wěn)定后測記三次流量,計(jì)算平均流速、滲透坡降及滲透系數(shù),直至試樣滲透破壞。各筑壩材料管涌試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖2。2.1.2管涌型砂流土臨界坡降計(jì)算由圖2可看出:在雙對數(shù)坐標(biāo)面上各試樣管涌試驗(yàn)的滲透流速與滲透坡降關(guān)系曲線幾乎都是以45°方向延伸,直到發(fā)生滲透破壞,各自的破壞形式與依斯托美娜根據(jù)不均勻系數(shù)判別無粘性土的滲透破壞形式(Cu<10為流土型破壞,10<Cu<20為過度型破壞,Cu>20為管涌型破壞)的結(jié)果相符。對于渭河砂來講,用太沙基的砂流土破壞的抗?jié)B強(qiáng)度公式:i=(Gs?1)(1?n)i=(Gs-1)(1-n)式中:Gs——土粒比重2.65;n——土體孔隙率。計(jì)算出三種級配砂的臨界坡降:細(xì)包線為1.27,平均線為1.099,粗包線為1.076。試驗(yàn)結(jié)果雖然為破壞坡降,但抗?jié)B強(qiáng)度細(xì)包線稍大,粗包線稍小的規(guī)律,理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相同。對于混合反濾料、壩殼料及壩基砂卵石來說,它們都為砂卵石,以小于5mm的細(xì)粒含量為橫坐標(biāo),以破壞坡降為縱坐標(biāo),繪制細(xì)粒含量與破壞坡降關(guān)系曲線見圖2。從圖2可以看出:無論是混合反濾料、壩殼料,還是壩基砂卵石,它們各自的抗?jié)B強(qiáng)度與構(gòu)成的細(xì)粒含量有很大的關(guān)系,即就是隨著細(xì)粒含量的增加,試樣的抗?jié)B強(qiáng)度也增加,細(xì)粒含量越多,抗?jié)B強(qiáng)度越高,細(xì)粒含量越少則抗?jié)B強(qiáng)度越低。2.2接觸流失試驗(yàn)?zāi)M滲透水流方向垂直于兩種滲透系數(shù)相差較大的土層中的滲透水的流動,滲透水流將滲透系數(shù)較小的細(xì)顆粒帶入滲透系數(shù)較大的土層中的試驗(yàn)稱為接觸流失試驗(yàn)。2.2.1壩體接觸流失試樣的制備對土與砂組合的接觸流失試驗(yàn)采用Ф10cm垂直滲透變形儀,試樣上部為土樣,下部為砂樣,采用真空抽氣飽和法進(jìn)行飽和,在試樣淹沒條件下進(jìn)行試驗(yàn);對砂與混合反濾料、混合反濾料與壩殼料組合的接觸流失試驗(yàn)采用Ф28cm抗?jié)B透儀,采用水頭飽和法自下而上飽和試樣,采用分級自上而下高水頭進(jìn)行試驗(yàn);各種組合試驗(yàn)在每級水頭穩(wěn)定后,測量滲透流量,計(jì)算滲透坡降和流速,直至試樣滲透破壞。各組合材料的接觸流失試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖4～5。2.2.2滲透流速與坡降等速增長型從圖4可以看出,對于砂的細(xì)包線與混合反濾料粗包線來講,坡降在10.0以下試樣的滲透流速與滲透坡降幾乎是等速遞增,曲線沿45°方向發(fā)展;當(dāng)滲透坡降大于10.0以后,坡降的增加值大于流速的增加值,說明反濾砂中的細(xì)顆粒被滲透水流帶入混合反濾料內(nèi),一小部分滲流通道被細(xì)顆粒堵塞;當(dāng)滲透坡降大于42.4后,滲透流速迅速增加,曲線向小于45°方向偏轉(zhuǎn),試樣逐漸破壞。對于混合反濾料的細(xì)包線與壩殼料粗包線的接觸流失試驗(yàn)來講,從圖4可以看出,滲透流速與滲透坡降在3.0以下時(shí),其流速與坡降幾乎是等速增加;坡降在3.0～4.9之間時(shí),曲線幾乎是垂直上升,說明壩殼料內(nèi)的細(xì)顆粒被滲透水流帶入混合反濾料內(nèi),滲流通道被堵塞;滲透坡降在4.9～11.8之間時(shí),曲線又開始向45°方向發(fā)展,說明堵塞的滲流通道被水流沖開;坡降到11.8以后,滲透流速迅速增加,試樣逐漸破壞。對于土料與反濾砂的接觸流失試驗(yàn),從圖5可以看到,滲透坡降在260.0以下時(shí),流速與坡降等速遞增,各自的滲透系數(shù)基本維持不變,三條曲線均向45°方向沿展,當(dāng)坡降到260.0以后,三條曲線才各自沿著不同的方向發(fā)展,但其破壞坡降都相當(dāng)大;由于土與反濾砂的滲透系數(shù)相差萬倍以上,反濾砂排泄條件較好,其內(nèi)部滲透坡降很小,由此看來試樣滲透性幾乎與反濾砂無關(guān),主要決定于被保護(hù)土的滲透性。2.3土粒流失情況接觸沖刷試驗(yàn)其目的也是測定試料的抗?jié)B性能的一種手段,與接觸流失試驗(yàn)不同,接觸流失試驗(yàn)主要反映被保護(hù)樣在保護(hù)樣的保護(hù)下,在水流沿其垂直界面流動時(shí)土粒流失情況;而接觸沖刷試驗(yàn)?zāi)M滲透水流沿平行于兩種不同土層的接觸面方向流動時(shí),兩種試料接觸面上被滲透水流沖刷的情況。大壩滲流場計(jì)算表明,水滲出心墻后,主要沿土砂接觸面方向而流動;為了了解土料的抗沖刷強(qiáng)度應(yīng)進(jìn)行土與砂接觸沖刷試驗(yàn),為設(shè)計(jì)單位提供參考數(shù)據(jù)。2.3.1試樣高度和滲透溫度接觸沖刷試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器采用箱型水平滲透變形儀,試樣長30cm,寬30cm,土、砂高各15cm,采用水頭飽和法,每次緩慢升高2～3cm水頭飽和試樣,直到試樣頂;在試樣進(jìn)出口段和中部各裝有測壓管,用以量測試樣上下游及中部的壓力變化;試驗(yàn)時(shí)水流沿接觸面自上而下通過試樣,分級施加壓力,每級壓力下穩(wěn)定后測記2～3次滲流量,計(jì)算滲透流速和滲透坡降;現(xiàn)以其中一組比較典型的試驗(yàn)為例,繪制滲透流速與滲透坡降的關(guān)系曲線對其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,見圖6。2.3.2滲透坡降試驗(yàn)結(jié)果由于土和砂的滲透系數(shù)相差萬倍,滲流部位主要集中在砂內(nèi)部,圖6曲線反映了滲透水流沿接觸面流動時(shí)砂樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及抗?jié)B強(qiáng)度的變化規(guī)律。從圖6可以看出,進(jìn)口段在很小的坡降(約為0.3左右)下滲透水流就會使細(xì)小顆粒移動堵塞滲流通道,使?jié)B透性逐漸變小;滲透坡降在0.3～1.0之間,坡降的遞增值大于流速的遞增值,甚至流速出現(xiàn)負(fù)增長,曲線以接近垂直方向上升,說明試樣內(nèi)部滲流通道被堵塞;當(dāng)坡降增至1.0～2.0之間時(shí),坡降的遞增值小于流速的遞增值,曲線向小于45°的方向發(fā)展,說明原堵塞的滲流通道又被水流沖開;當(dāng)坡降繼續(xù)增加至2.0～12之間時(shí),流速的遞增值稍小于坡降的遞增值,曲線又向大于45°的方向發(fā)展,說明試樣的進(jìn)口段又有滲流通道被逐漸堵塞;全程段坡降增至7.6以后,出口段的iv曲線與進(jìn)口段的iv曲線一致,滲透流速增大,曲線末端向大于45°的方向發(fā)展,說明試樣內(nèi)部的細(xì)顆粒被滲透水流帶走。從上面的分析可以看出:雖然砂能夠保護(hù)土料不發(fā)生流失、沖刷,但砂樣本身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在極小的滲透坡降下顆粒會發(fā)生移動,使砂樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和滲透性發(fā)生變化。3土料與反濾砂的接觸流失試驗(yàn),對于基(1)混合反濾料、壩殼料及壩基砂卵石的自身抗?jié)B強(qiáng)度與各自的細(xì)粒含量有密切的關(guān)系,即就是隨著細(xì)粒含量的增加,試樣的抗?jié)B強(qiáng)度也增加,細(xì)粒含量越多,抗?jié)B強(qiáng)度越高,細(xì)粒含量越少則抗?jié)B強(qiáng)度越低。(2)