土工格柵加筋土石混合壩滲透穩(wěn)定性試驗研究

土工格柵加筋土石混合壩滲透穩(wěn)定性試驗研究

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)系到水庫的安全運行。為了為設(shè)計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按規(guī)程規(guī)定對試驗用料的超粒徑部分用等重量代替法進行代替后進行試驗;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級配見圖1。根據(jù)黑河大壩的粗粒料的級配,計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行了相對密度試驗,其試驗結(jié)果見表1。試驗時各試樣的制樣密度均采用相對密度Dr=0.8時的各種材料的設(shè)計干密度。試驗用的心墻土料的土性指標見表2。2試驗方案和試驗分類根據(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,將試驗分為:管涌(流土)試驗、接觸流失試驗、接觸沖刷試驗和裂縫沖刷試驗。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在Ф=10cm的管涌儀內(nèi)進行,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在Ф=28cm的垂直滲透變形儀內(nèi)進行,采用水頭飽和法飽和試樣;各試樣的管涌試驗的水流都是以自下而上的方向流動,試驗壓力分級施加,在每級壓力穩(wěn)定后測記三次流量,計算平均流速、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結(jié)果見表3、圖2。2.1.2管涌型砂流土臨界坡降計算由圖2可看出:在雙對數(shù)坐標面上各試樣管涌試驗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。計算出三種級配砂的臨界坡降:細包線為1.27,平均線為1.099,粗包線為1.076。試驗結(jié)果雖然為破壞坡降,但抗?jié)B強度細包線稍大,粗包線稍小的規(guī)律,理論計算與試驗結(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的細粒含量為橫坐標,以破壞坡降為縱坐標,繪制細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強度與構(gòu)成的細粒含量有很大的關(guān)系,即就是隨著細粒含量的增加,試樣的抗?jié)B強度也增加,細粒含量越多,抗?jié)B強度越高,細粒含量越少則抗?jié)B強度越低。2.2接觸流失試驗?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)較小的細顆粒帶入滲透系數(shù)較大的土層中的試驗稱為接觸流失試驗。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行飽和,在試樣淹沒條件下進行試驗;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行試驗;各種組合試驗在每級水頭穩(wěn)定后,測量滲透流量,計算滲透坡降和流速,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顆粒堵塞;當滲透坡降大于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包線與壩殼料粗包線的接觸流失試驗來講,從圖4可以看出,滲透流速與滲透坡降在3.0以下時,其流速與坡降幾乎是等速增加;坡降在3.0～4.9之間時,曲線幾乎是垂直上升,說明壩殼料內(nèi)的細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,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,從圖5可以看到,滲透坡降在260.0以下時,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),主要決定于被保護土的滲透性。2.3土粒流失情況接觸沖刷試驗其目的也是測定試料的抗?jié)B性能的一種手段,與接觸流失試驗不同,接觸流失試驗主要反映被保護樣在保護樣的保護下,在水流沿其垂直界面流動時土粒流失情況;而接觸沖刷試驗?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,兩種試料接觸面上被滲透水流沖刷的情況。大壩滲流場計算表明,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度應(yīng)進行土與砂接觸沖刷試驗,為設(shè)計單位提供參考數(shù)據(jù)。2.3.1試樣高度和滲透溫度接觸沖刷試驗的試驗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;試驗時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,計算滲透流速和滲透坡降;現(xiàn)以其中一組比較典型的試驗為例,繪制滲透流速與滲透坡降的關(guān)系曲線對其試驗結(jié)果進行分析,見圖6。2.3.2滲透坡降試驗結(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砂樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及抗?jié)B強度的變化規(guī)律。從圖6可以看出,進口段在很小的坡降(約為0.3左右)下滲透水流就會使細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;當坡降增至1.0～2.0之間時,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;當坡降繼續(xù)增加至2.0～12之間時,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,對于基(1)混合反濾料、壩殼料及壩基砂卵石的自身抗?jié)B強度與各自的細粒含量有密切的關(guān)系,即就是隨著細粒含量的增加,試樣的抗?jié)B強度也增加,細粒含量越多,抗?jié)B強度越高,細粒含量越少則抗?jié)B強度越低。(2)