（岩土工程专业论文）堆石料渗透特性试验研究.pdf

a b s t r a c f 摘要 堆石料具有填筑密度大、压实性能好、透水性强、沉陷变形小、承载力高等优良工程 特性，已在堆石坝、铁路和公路路基等工程建设中得到了广泛的应用。本文结合江苏宜兴、 无锡马山、浙江仙居三处抽水蓄能电站筑坝堆石料的试验研究科研项目，利用粗粒土渗透 仪对堆石料进行了一系列的室内渗透及渗透变形试验，探讨了堆石料的渗透及渗透变形特 性。具体包括以下几方面的内容： 1 简要介绍了粗粒土渗透仪的装置、利用粗粒土渗透仪进行试验的步骤以及试验中 应注意的事项。 2 通过室内渗透试验，概括了堆石料渗透系数的范围。对试验数据进行分析，探讨 了饱和方式对堆石料渗透系数的影响；水平渗透和垂直渗透时堆石料渗透系数的差异；堆 石料的粒径特征，尤其是其中的细料含量与其渗透系数的关系；堆石料中泥岩含量对其渗 透系数的影响。分析了各因素对堆石料渗透性产生影响的机理。 3 通过渗透变形试验，概括了在渗流作用下堆石料的临界水力坡降和破坏水力坡降 的范围，描述了堆石料渗透变形的过程，简要分析了渗流方向和细料含量对临界坡降和破 坏坡降的影响及影响机理。 关键词：堆石料渗透渗透变形饱和方式渗透方向粒径特征泥岩含量 ， a b s t r a c l a b s t r a c t w i t h m a n ye n g i n e e r i n gp r o p e r t i e si n c l u d i n gh i 曲d e n s i t y , l o wc o m p r e s s i o n ，h i 曲 p e r m e a b i l i t y , s m a l ld e f o r m a t i o nu n d e rl o a d i n ga n df i n eb e a r i n gc a p a c i t y , r o c k f i l lh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nt h ec o n s t r u c t i o no fr o c k f i l ld a m ，r a i l w a ya n de x p r e s sh i g h w a y c o m b i n e dw i t h t h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t so ft h ep u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n si ny i x i n g ，m a s h a na n d x i a n j u ，s e e p a g ea n ds e e p a g ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e db yt h es e e p a g et e s t sa n dt h e s e e p a g ed e f o r m a t i o nt e s t si nt h el a b o r a t o r y s p e c i f i cc o n t e n t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h ep e r m e a m e t e rf o rc o a r s e g r a i n e ds o i li si n t r o d u c e d a n dt h es t e p sa n dm a t t e r sn e e d i n g a t t e n t i o nw h e nu s i n gt h ep e m e a m e t e ra r ea l s od e s c r i b e d 2 b yt h er e s u l t so fs e e p a g et e s t s ，t h es c o p eo ft h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fr o c k f i l li s s u m m e du p a n dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n ts a t u r a t i o nw a y s ，s e e p a g ed i r e c t i o n s ，p a r t i c l es i z ea n d m u d s t o n ec o n t e n to nt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fr o c k f i l la r ee x p l o r e d a l lm e c h a n i c so f d i f f e r e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e d 3 t h es c o p e so ft h ec r i t i c a lh y d r a u l i cg r a d i e n ta n dt h ef a i l u r eh y d r a u l i cg r a d i e n to fr o c k f i l l a r es u m m e du pb yt h er e s u l t so fs e e p a g ed e f o r m a t i o nt e s t s t h ep r o c e s so fs e e p a g ed e f o r m a t i o n o fr o c k f i l li sd e s c r i b e d t h ee f f e c t so fs e e p a g ed i r e c t i o n sa n dt h ec o n t e n to ff i n es t u f fo nt h e c r i t i c a lh y d r a u l i cg r a d i e n ta n dt h ef a i l u r eh y d r a u l i cg r a d i e n ta r ee x p l o r e d a n dt h em e c h a n i c so f t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e db r i e f l y k e yw o r d s ：r o c k f i l l ，s e e p a g e ，s e e p a g ed e f o r m a t i o n ，s a t u r a t i o nw a y s ，s e e p a g ed i r e c t i o n s ，p a r t i c l e s i z e ，m u d s t o n ec o n t e n t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：l l 印易年；月衫日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 主垂础多月哆日 坷海大学坝士论文 第一章绪论 1 1引言 堆石料通常是指岩体丌采所得岩块经粉碎而得到的岩石碎块类集合体。其在自然界中 分布广泛、储量丰富，且具有琐筑密度大、压实性能好、透水性强、沉陷变形小、承载力 高等优良工程特性，加上近年来人型土石方施工机械发展迅速，使得碾压式高土石坝、堆 石坝、混凝土面扳堆石坝发展很快。 中困晟早的堆石坝是1 9 5 7 年建成的狮子滩混凝土重力墙式的抛填堆石坝，最早的面 板堆石坝是1 9 6 6 年建成的贵州百花水电站大坝l l l 。以现i 弋技术建设面板堆石坝始于1 9 8 5 年，距今已有2 0 年了。据不完全统计，到2 0 0 4 年底中国已建和在建的混凝土面板雄石坝 已经超过1 5 0 座，其中坝高超过1 0 0 m 的有3 7 座，已建的最商的混凝面板堆石坝有天生 桥一缴和洪家渡大坝，在建的有三板溪和睦界上最高的水布垭大坝( 高2 3 3 m ) 口j 。中国的 混凝土面板堆石坝遍布全国，覆盖了各种不利的气候、地形、地质条件，在数量、坝高、 规模、难度等方面均居世界前列。至于其他各种不同类型的土石坝的数目更是高达7 万多 座【3 】。 在取得这些成绩的同时也存在着一定的隐患。中国各类土石坝的数日虽居世界之首， 但是这些土石坝中病坝险坝又占有相当的比例，主要都是渗透问题。由渗透破坏引起的跨 坝事件也时有发生。如1 9 6 1 年3 月6 曰湖南的柘溪水库蓄水引发1 6 5 万方的含粘士夹层 的板岩沿底面和软弱夹层平面滑动，2 0 m 高波浪漫过坝顶，夺去了正在溢洪道上工作的7 0 多人的生命【3 j 。建于1 9 8 9 年的青海沟后水库混凝土面板砂砾石坝，由于防浪墙与坝体接触 处漏水而使库水大量渗流，坝体的侵润线很高，坝体失稳，在1 9 9 3 年8 月7 日溃坝，造 成3 0 0 多人死亡i “。国外也常有此类事件发生，如美国的第顿坝( t e t o nd a m ) 在1 9 7 6 年 6 月5 同由于渗透引起溃坝造成2 6 亿美元经济损失和1 4 人死亡p 】。 因此，对作为土石坝、堆石坝、混凝土面板堆石坝的主要筑坝材料堆石料的渗透 及渗透稳定性研究就显得很有必要。 1 2 国内外研究现状 水在土体中渗透时，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方而将引起土体内 部应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，甚至还会酿成破坏事故。因 此，对土体渗透性的研究也是从两方面着手的：一是对土体渗透系数及其影响因素的研究； 二是对士体的渗透稳定性及其影响因素的研究。 1 2 1 土体渗透系数的研究现状 早在1 8 5 2 年1 8 5 5 年著名的法国科学家达西( d a r c y ) 1 4 对非粘性、颗粒组成均匀 但偏粗的砂进行了大量的试验研究，发现水在土中的渗透速度与试样两端面问的水位差成 f 比，而与渗径度成反比。于是，他把渗透速度表示为 f 比，而与渗径长度成反比。于是，他把渗透速度表示为 第一章绪论 v ：k 鱼：k i( 1 1 ) l 或渗流量为 q = v a k a ( 1 2 ) 这就是著名的达西渗透定律。 式中v 渗流速度； k 渗透系数； h 试样两端的水位差： l 渗径长度； i ；h l 水力坡降； q 渗流量； 彳试样截面积。 在达西提出他的关系式之后两年，杜布依( d u p u i t ) 【5 】利用管流和明槽流的相似性， 从明槽均匀流的公式出发，考虑土中渗流速度一般很小，可以将二次项略去不计，得到和 达西定律相似的形式。 鉴于自然界土类十分复杂，而达西定律是通过对砂土的试验，用归纳方法得出的渗透 平均流速和渗透坡降的线性关系，因此也应该和其他经验公式一样，有一定的适用范围。 雷诺( r e y n o l d ) t g 用试验研究了这个问题，得到管道中水流速度和摩擦水头损失的 关系，按v f 关系可分为三区： 一是层流区：在小流速时，v f 呈直线关系，且水力坡降增加和减小时v f 线重合： 二是过渡区：v f 线波动不定，水力坡降增加和减小时v f 线也不重合：三是紊流区： 大流速时，v f 有固定关系，但与小流速时的关系不同。 在层流区，流速较小，水流的摩擦水头损失以粘滞力为主，由惯性力引起的水头损失 可略去不计。这时，流体服从牛顿粘滞定律，即剪应力和剪应变速率成直线关系，渗流服 从达西定律。在过渡区的前段，虽仍属层流，但由于流速增加，惯性力己不容忽略，v i 也偏离直线关系，即达西定律已不适用。所以达西定律适用的上限，即为层流区和过渡区 的分界点。 在细粒土的小孔隙内，水和固体颗粒表面之间有较强的相互作用力，使流体的流变方 程偏离牛顿定律，从而使渗流偏离达西定律，尤其是小流速、低水力坡降时更甚。这是达 西定律适用的下限。细颗粒在土的大孑l 隙中自由移动，或堵塞通道，然后又被冲开，或被 渗透水流带走，也往往使v i 关系偏离直线。 夏迪格( s c h e i d e g g e r ) f 7 l 总结他对高流速、大雷诺数区域渗流运动的讨论时指出，相 应于流动分区的极限雷诺数有两个，第一个相应于层流区内由粘滞力为主转变为惯性力不 可忽视，第二个相应于转变为惯性力为主的紊流区，但它们都不能得出通用值。 费舍尔( f i s h e l ) i s 在极低水头下，用福斯特凯斯维尔( f o s tc a s w e l l ) 砂做试验，证 2 河海大学硕上论文 明在极低水力坡降下，v i 仍遵守直线关系，达西定律仍适用。 对于达西定律是否适用于具有较粗孔隙的堆石、砾石等粗粒料，中外学者也进行了大 量的研究。 福希海默( f o r c h h e i m e r ) 【9 】考虑到粗颗粒料与堆石料的渗透速度比较大，提出了以下 一元二次非线性关系式 f = 口p + b v 2( 1 3 ) 为了完善此关系式，后来有人通过试验，在( 1 3 ) 式的右端又补充了一个三次项，即 i ：a v + 6 y 2 + c v 3 ( 1 4 ) 式中a 、b 、c 试验常数； 其他符号意义同前。 1 9 6 9 年沃尔克( v o l k e r ) 1 9 采用( 1 3 ) 式建立了求解渗流问题的数学模型，并将有限 元计算结果与试验结果进行了比较，发现二者是比较接近的。 同时，还有人提出如下的指数关系式【9 】 f = a v “( 1 5 ) 式中a 渗流系数； m 渗流指数，m = 1 2 ； 其他符号意义同前。 近年来，郭庆国【9 1 根据几个工程粗粒土试验资料提出，当土中的粗粒料( d 5 r a m ) 含 量小于6 5 7 5 时，m 一1 ；当粗粒料含量大于6 5 7 5 时，l ms 2 。 1 9 5 2 年波鲁巴里诺娃一柯琴娜 9 1 发现粗粒土的渗透水力坡降不仅与流速有关，而且和 加速度有关，即 i ；d v + b v 2 + c 旦!( 1 6 ) 甜 后来艾尔梅( i r m a y ) 1 1 0 】对建立在试验基础上的( 1 6 ) 式中的试验参数口、b 、c ，用 一种简单理想化模型具体化，用不忽略惯性项的n a v i e r - - s t o k e s 方程求均值，导出了如下 理论计算公式 f ；鼍蝼v + 一唑v z + 土一a v ( 1 7 ) g d 2 ( 厅一n o ) 3g d ( ，l 一 o ) 2占( h 一甩o ) o t 式中乜、口颗粒形状系数； h 均匀各向同性介质的孔隙率； h 。无效孔隙率； 其他符号意义同前。 近几十年来，不少人对具有大孔隙的卵石或碎石中的渗流情况进行了研究【n 1 【1 5 】，如 第一章绪论 w e i s s ( 1 9 5 1 年) 、e s c a n d s ( 1 9 5 3 年) 、w i l k e n s ( 1 9 5 6 年) 、w i l k e n s ( 1 9 6 3 年) 、c o h e nd e l a z a ( 1 9 5 6 年) 、s a n d i e ( 1 9 6 1 年) 、p a r k i n ( 1 9 6 3 年) 、p a r k i n ( 1 9 6 6 年) 、o l i n e r ( 1 9 6 7 年) 、l e p s ( 1 9 7 3 年) 等，这些研究结果的基本公式为： v = c “4 m 6 i “( 1 8 ) 式中v 渗透平均流速： c 形状系数； “水的粘滞系数； m 岩石孔隙的水力平均半径： 口、b 、n 经验常数； i 的意义同前。 当颗粒体积一定时： m 皇塑器，或m ；皇垡堡襄铲a w i l k e n s 通过室内试验，将( 1 8 ) 式变为： v ：3 2 9 m o5 i 0 5 4( 1 9 ) l a p s 于1 9 7 1 年将( 1 9 ) 式修正为： v ；w m o o ”( 1 1 0 ) 式中试验常数，和岩石块的形状、粗糙度及水的粘滞系数等因素有关。 徐天有、韩群柱等【1 7 1 通过试验研究认为：水流通过多孔介质的运动规律并不是仅和 流速、水力坡降有关，而且同时受到颗粒的形状、紧密程度、颗粒的大小和排列等多种因 素的影响，并且根据因次分析理论和动力平衡方法，推导出多孔介质的渗透规律为 f ；土兰v + _ 三一v 2 ( 1 _ 1 1 ) k g q k 其中t = 蒜一c - 嘉w ，j 等，= 詈，詈，巳= 等 式中“水的动力粘滞系数； r 水的比重： a 颗粒的面积形状系数； 口颗粒的体积形状系数； 线性渗透规律时颗粒与颗粒间的影响系数； 凡紊流渗透时颗粒与颗粒间的影响系数； 河海人学硕士论文 c 。、c 。修正系数； 其他符号意义同前。 对于土体的渗透系数，一般可用试验确定，但也有一些公式可供使用。 些学者总结的适用于计算租粒土渗透系数的半理论半经验的公式。 1 哈增( h a z e n ) 公式【9 l ： k ；甜未 式中k 渗透系数； d ，。哈增有效粒径，即颗粒级配曲线累计含量为1 0 1 对的粒径； c 系数，其值为1 0 0 1 5 0 。 2 扎乌叶布列公式【9 】： k 1 8 = c n 3 0 一h ) 2 式中c 系数，其值为1 3 5 3 5 0 ； h 孔隙率： 哦，有效粒径，累计含量为1 7 时的粒径； k l 。温度1 8 时的渗透系数。 3 康德拉捷夫公式吼 k 。b = 1 0 如( 叩口k ) 2 叩2 去 式中见累计含量占，l 时的颗粒粒径； d l 。累计含量占0 0 0 n ) 时颗粒粒径； d 5 。中间粒径，即累计含量占5 0 时的颗粒粒径； 其他符号意义同前。 4 刘杰公式【9 【1 8 】： k l o = 2 3 4 n 3 d ：o 式中 温度为1 0 时的渗透系数； d ：。等效粒径，累计含量为2 0 时的颗粒粒径； n 的意义同前。 以下列举了一 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 第一章绪论 5 b c 伊斯托明娜公式1 9 1 式中 g 重力加速度； 孔隙的平均直径 n 土的有效孔隙率； ；盟 9 6 , u 水的粘滞系数； k 的意义同前。 6 柯森( k o z e n y ) 公式【9 】【”1 ： k 1 8 - 7 8 。南霹 式中 k ，。温度1 8 。c 时的渗透系数： d 。等效粒径，西按下式计算： 小蓦等专等 式中d 。第i 级粒径的平均粒径： ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) 衄，相应d ，粒径级的颗粒重量。 1 2 2 土体渗透稳定性的研究现状 对土体渗透稳定性的研究主要是对土体破坏型式的判别和对土体临界渗透破坏条件 的判别。土体渗透破坏型式主要有流土和管涌。对于砾石料、堆石料等粗粒料，渗透破坏 型式一般为管涌。 南京水利科学研究院吴良骥【2 0 】在分析作用于单个颗粒和单位土体渗流力的基础上，考 虑了管涌时流失的颗粒粒径，又考虑了水流作用于颗粒上的摩擦力和水流作用于颗粒上的 动水力，并根据大量试验资料得到了临界水头的计算公式。 中国水力水电研究院刘杰【1 8 【2 1 】和南京水利科学研究院沙金煊【2 l 】【2 2 1 根据土颗粒的自 重、静水浮力和渗流力相平衡的原则分别得出计算临界水头的公式。 刘忠玉 2 1 运用k o v a c s 模型描述骨架孔隙，利用h a p p e l - - b r e n n e r 理论来分析可动颗粒 在骨架孔隙中的运动，研究了管涌发展过程中渗流速度随水力坡降的变化情况，同时得到 了管涌发生的临界水力坡降。 曹敦侣【2 3 】提出了渗流管涌的随机模型。认为地层的抗渗强度各处不同，同时孔隙的 河海大学硕士论文 大小不一，分布也不均匀。他考虑了孔隙介质渗透特性的随机性，模拟了管涌发展的形象， 同时可求出在一定条件下渗流管涌导致管涌破坏的几率。 林志【硐通过模型试验和有限元的结合得到了管涌发展程度和水头差之间的关系，求出 使管涌通道达到平衡时的最大水头差，认为管涌通道的最大平衡长度等于渗径的4 0 5 0 。并对堤后不透水覆盖层中有局部缺失的情况和堤身与堤基同为透水层情况进行了模 拟。 太沙基( t e r z a g h i ) 【2 q 通过模型试验观察到了导致管涌的两个过程表层下的侵蚀 和体积的隆起。建议必须对这种现象进行安全验证。 巴克利( b u c k l e y ) 2 7 】认为是否会发生管涌破坏只与渗流路径的长度有关，提出了蠕 变系数的概念，并且首先提出了总水力坡降方法。总水力坡降定义为每单位长度的水头损 失。蠕变系数的倒数就是总水力坡降。 布莱( b l i g h ) 2 s 】基于大量的管涌破坏的现场研究，提出了抵抗管涌破坏临界水力坡降 的经验公式。并根据地基土的类型不同，给出了经验值。 莱思( l a n e ) 【2 9 】考虑了流线的垂直运动和孔隙介质的各向异性，发展了巴克利和布莱 的计算模型，分析了2 0 0 多个构造物，建立了经验公式确定蠕变系数，并给出了经验值。 彼得( p e t e r ) 1 3 0 】 3 1 】提出管涌的随机特性。他的数据来自于多瑙河堤防的2 0 0 0 多个侵 蚀形成的管道。提出管涌发生的频率与距离堤角的距离大致成指数递减的结论。 班特( b a n t ) 3 2 l 在模型试验中测量了土颗粒的位移。他得出结论，每个土颗粒的不可 逆的位移都对应一个临界水力坡降。在宏观上的反映就是土开始塑性变形。 斯开普顿( s k e m p t o n ) 和布罗根( b r o g a n ) 3 3 1 对两种内部不稳定土进行试验模拟了管 涌发生的现象。在水力坡降较小时，渗流速度与水力坡降成正比，符合达西渗流定律。这 个阶段细小颗粒没有任何移动；随着水力坡降和渗流速度的增大，细小颗粒开始起动，并 被冲出土体，这时土的透水性增强，渗流速度迅速增大，同时渗流速度的增大使较大的颗 粒起动，从而土体的透水性增强。即达到临界坡降以后，土颗粒完全重新调整。这种调整 通常导致孔隙率增大，渗透性提高。因此，水土的相互作用贯穿了管涌发生发展的全过程。 伊斯托明娜【3 4 】认为，土料的不均匀系数g ，( d 。d 。) 是判别流土与管涌的指标，提 出e 。 2 0 时是管涌。 康德拉捷夫认为，沿颗分曲线各点取其微分画出微分曲线，若出现双峰，就是缺乏中 间粒径的土，属于管涌土，并又区别为发展的危险性管涌与非发展的非危险性管涌，若是 连续级配土，其微分曲线是单峰型，则属流土或非危险性管涌f 1 8 】1 3 5 j 。 鲁包契可夫根据细粒在粗粒骨架孔隙中被渗流冲动流失的管涌定义，首先把土料划分 为管涌土和非管涌土两大类，如果骨架孔隙都被一级一级的相对细粒所填满，自然不会发 生内部管涌，因此，他认为完全可以从颗分级配曲线这一几何特性来研究管涌土和非管涌 土，从而引导出各种颗粒形体排列的理论非管涌土计算公式及其上下限的相对粒径颗分曲 线【3 6 】【州。 7 第一章绪论 1 , 2 3 工程实践 由于堆石、砂砾石等粗粒料的优良工程特性，使得近年来堆石坝、面板堆石坝、砂砾 石坝发展很快，这也给堆石、砾石等粗粒料的渗透特性研究带来了活力。 邱贤德、阎宗岭等【3 8 1 1 3 9 l 【4 0 】通过对涪陵城区移民迁建防护工程的研究，结合堆石体颗粒 的概率统计分布模型，建立了堆石体颗粒含量与渗透系数之间的经验关系式 唧卜志r 吾e x p ( 1 h a 一。l n 吐) 他) 2 一矿4 o 2 善o n a 。一1 n 以) 2 善镌 d d 】 ( 1 2 0 ) 把渗透系数、几何平均粒径和粒径分布函数的标准差联系起来。 风家骥、傅志安【4 1 】 4 2 】认为用于填筑面板坝的砾石，其中的细料含量对工程性质起着重 要的作用。细料在砾石料中含量较低时，它仅存在于大于5 m m 的颗粒所组成的骨架孔隙 中，砾石料的工程性质主要由粗颗粒控制。当其含量达到一定程度时，细料将对粗颗粒产 生隔离作用，使局部粗颗粒料相互脱离接触，与粗颗粒共同参与骨架作用，砾石料的工程 性质将由粗细颗粒共同决定。当细料含量达到足够大时，坝料中的粗颗粒将悬浮于细料之 中，此时，砾石料的性质就更多地取决于细料及其组构情况。郭爱国【4 3 1 在此理论的基础之 上，结合乌鲁瓦提砂砾石坝工程，通过试验研究得出：处于骨架颗粒孔隙中的细颗粒在水 流的作用下极易产生移位和流失，而使砾石料的整体渗透性发生变化；细颗粒的移位及流 失不会使骨架颗粒产生有影响的变位。 屈智炯、吴剑明【删结合匹q ) e l 省内江、绵阳、乐山、南充、涪陵、宜宾、成都、自贡等 地二十多个石渣坝工程的试验，对石渣料的渗透变形进行系统的试验研究，认为石渣料的 渗透变形主要是流土和管涌；影响石渣料渗透变形的主要因素有细料的含量、不均匀系数、 容重以及渗流方向。 吕衡 4 5 】对太平驿水电站闸基覆盖层进行原位试验，并与室内试验值进行比较，发现原 位试验时临界坡降值是室内扰动土样试验值的7 8 倍。证明室内重塑样的渗透变形试验 很难再现试样在天然状态下原状土体的天然结构情况及天然裂隙和过水通道性质，更难再 现天然地基土的非均匀性和各向异性的特性。 温彦锋、边京红m 1 1 4 1 1 结合水布垭心墙堆石坝的设计，对强风化岩作为心墙防渗土料的 渗透性能进行了室内试验研究，认为影响风化岩渗透性能的因素包括：制样击实功能、土 料制样控制含水量、细料含量以及上覆荷载等。 张文慧、张福海【4 8 】通过对宜兴抽水蓄能电站面板堆石坝坝料的渗透性及渗透稳定性的 试验研究，认为粗粒土属于强透水材料，渗透系数受细粒含量和级配控制；临界水力坡降 有两个：个是出现管涌的临界水力坡降，另一个是出现流土的临界水力坡降。 1 3 本文的主要工作 中外学者对堆石料、砾石料等粗粒土的渗透特性作了大量的研究，取得了显著的进展， 河海大学预十论文 以上仅列出了一些主要成果。但是对粗粒土渗透特性的研究远未成熟，仍有不少问题亟待 解决： 1 到目前为止，对于诸如堆石料之类的粗粒料，依然没有统一规范的室内渗透试验仪 器。对于粗粒料渗透特性的室内试验研究多数采用根据常水头法自行设计的渗透仪。 2 渗透系数的计算公式虽多，但是大多数公式较繁琐，有些参数难以获得，很难在工 程中推广应用。 3 对于粗粒料垂直方向的渗透特性研究比较充分，而对于其水平方向的渗透特性研究 较少，只是在少数文献【1 5 j 【4 4 】【4 9 l 中提到水平方向的渗流量比垂直方向的渗流量要大得多。 4 对于母岩岩性单一的粗粒料的渗透特性研究较多，而对于掺合了泥岩等软弱岩石的 粗粒料渗透特性研究较少。 本文结合江苏宜兴、无锡马山、浙江仙居三处抽水蓄能电站筑坝堆石料的试验研究科 研项目，进行了一系列的室内渗透和渗透变形试验，完成了以下三方面的工作： 1 对河海大学根据土工试验规程【”】中的原理图自行设计并委托加工的粗粒土渗透仪 作了介绍，同时简略介绍了渗透试验和渗透变形试验的操作步骤。 2 概括了堆石料渗透系数的范围；对堆石料渗透系数的影响因素饱和方式、渗透 方向、粒径特征、泥岩含量逐一进行了试验分析，得出了一些定性和定量的规律，并探讨 了各因素对渗透系数产生影响的机理。 3 通过对过渡料、垫层料、冲洪积层、反滤料的渗透变形试验，概括了堆石料临界坡 降和破坏坡降的范围；描述了堆石料渗透变形的三个阶段；简要分析了堆石料渗透变形性 质的影响因素。 9 第二章堆石料渗透及渗透变形试验简介 第二章堆石料渗透及渗透变形试验简介 2 1 概述 渗透是指水透过土体孔隙的现象，土体透水性的强弱用渗透系数来表示。渗透变形又 称渗透破坏。土体抵抗渗透破坏的能力称为土的抗渗强度，通常用临界水力坡降，即土体 濒临破坏时的水力坡降来表示。 试验室内测定土的渗透系数的仪器很多，但其原理不外乎两种，常水头试验和变水头 试验。前者适用于渗透系数较大的无粘性土，后者适用于渗透系数较小的粘性土。 图2 1 和图2 2 分别为试验室中常见的7 0 型常水头渗透仪和南5 5 型变水头渗透仪。 9 7 6 3 4 图2 1 常水头渗透仪装置图2 2 变水头渗透仪装置 l 一封底金属圆筒；2 一金属孔板；3 一测压孔；1 一变水头管；2 一渗透容器；3 一供水 4 一玻璃测压管；5 一溢水孔；6 一渗水孔：7 一 瓶；4 一接水源管；5 一进水管夹；6 一 调节管；8 一滑动支架；9 一容量为5 0 0 0 m l 的供排气管；7 一山水管 水瓶；1 0 一供水管；1 1 一止水夹；1 2 一容量为 5 0 0 m l 的簧筒；1 3 一温度计：1 4 一试样：1 5 一 砾 i 层 1 0 河海大学砸上论文 常水头试验是指试验过程中水头保持不变。设试样的厚度为l ，试样的截面积为a ， 试验时上下游水位差为h 。试验时只需要用量筒和秒表测出一定的时间f 内下游出水口的 出水量q ，通过( 2 1 ) 式确定试样的渗透系数。 k - = 笔 ( 2 ，) 变水头试验主要是针对渗透系数较小的，难以准确量测的粘性土。如图2 2 所示，设 变水头管内截面积为a 。试样厚度为，截面积为a 。试验中只要测出时刻 和t ，所对应 的水位鬼和h ，就可通过( 2 2 ) 式求出试样的渗透系数。 坼：2 3 _ 竺_ 1 9 7 吩- ( 2 2 ) 月( f 2 一t 1 ) h 2 堆石料属于典型的多孔介质1 5 1 n 5 2 1 ，渗透系数一般较大，显然应该用常水头试验装置进 行渗透试验。但是由于堆石料颗粒的最大粒径往往很大( 常可达到6 0 0 m m 8 0 0 m m ，甚至 更大) ，传统的室内渗透仪器很难满足其渗透试验的要求。鉴于此，河海大学岩土工程研 究所根据土工试验规程【5 0 】中的原理图和堆石料的粒径特征自行设计了适用于堆石、砾石等 粗粒土的大型渗透仪器。该仪器不仅可以用来测定堆石料的渗透系数，而且也可以很方便 的测出堆石料的临界水力坡降和破坏坡降。本文即利用该仪器对江苏宜兴、无锡马山、浙 江仙居三处抽水蓄能电站的筑坝堆石料进行了一系列的室内试验，得出了一些很有价值的 规律。 2 2 粗粒土渗透仪简介 粗粒土渗透仪由试样筒( 内径0 3 0 0 m m 长度4 1 0 m m ) 、透水铜板( 0 3 0 0 m m 厚度 5 m m 孔径0 5 m m 、d 3 0 0 m m x 厚度5 m m x 孔径l m m 、0 3 0 0 m m x 厚度5 m m x 孔径2 m m 各两块) 、试样筒上下顶盖、上下游水简、水筒水位升降装置、0 7 0 m m 5 夹钢丝水管和 试样筒垂直支架、水平支架等组成。试样筒上下顶盖、透水铜板、试样筒、水筒水位升降 装置结构见图2 3 图2 6 。图2 7 为模拟垂直渗透时的试验装置图。 图2 3 图2 7 中，1 一排水阀( 排气孔) ；2 一弹簧支撑；3 一透水孔；4 一镙孔；5 一透 水孔：6 一有机玻璃圆筒；7 一试样筒固定箍上镙孔；8 一试样筒固定顶箍；9 一试样筒固定 底箍：1 0 一溢水口；1 1 一与试样筒连接口；1 2 一可升降支座；1 3 一有机玻璃筒；1 4 一下( 上) 游水筒；1 5 一塑料弹簧管；1 6 一试样筒顶盖：1 7 一有机玻璃试样筒；1 8 一试样；1 9 一多孑l 板；2 0 一垂直支架；2 1 一上( 下) 游水筒；2 2 一排水阀( 排气孔) 。 模拟水平渗透时，只需将装有试样的试样筒连同上下顶盖水平放置在支架上即可，其 他装置与图2 7 中相同。 第二章堆石料渗透歧渗透变形试验滴介 ! l j i r 五二i ：二擎、 ? ，2 坤一篇、1 c 。j 。“。x o , 喾：圆f j 母。霉 9 。、。i 。、：ji t ”鼍。麓：下i 譬 1 寸一 试e ? 。固 。、。 、一? ? 国：毫8 ：i ，7 。、：士爱 、4 图2 3 试样筒上下顶盖结构图 ( 上图为正视蚓，下图为仰视图) 8 7 ；i 曩。5 ；= j = j 0 ：t ；= ! = i ：i ：k f j ! ! ；： ：；i 譬蠹参：薹i ：i 一一莨i 尊蔓：j 封一一一 ：警；i ! ： 、弋l 三j 图2 , 4 透水铜板结构图 ( 上图为正视图，下图为俯视图) 图2 5 试样筒结构图图2 , 6 水筒水位升降装置结构示意图 ( 上图为止视图，r 图为俯视图) 1 2 1 工 f j ；肼盯娥。 河海大学硕士论文 1 4 图2 7 垂直渗透时试验装置图 2 3 渗透及渗透变形试验操作步骤简介 1 仪器检查 试样筒中不装试样，按照图2 7 所示将试验仪器连接好。向上游水筒充水，直至水从 下游水筒溢水口处溢出。检查试验仪器的各部件是否堵塞或者漏水。如既不堵塞，也不漏 水，则将仪器中的水放空，并且将试样筒上顶盖卸下。 2 试样制各 将试样筒放置在垂直支架上( 垂直支架由两个半圆拼装而成，能够在试样装好后拆 开) ，并将透水铜板、橡胶圈、涂抹密封橡胶圈和试样筒壁的橡皮泥依次放入试样筒。将 经过煮沸并已经冷却的无气水充入上游水筒，直至水位与试样筒中透水铜板齐平。将经过 抽真空处理过的针刺无纺织物平铺在试样筒内透水铜板上，以防止试样中的细颗粒从透水 铜板的透水孔中流失。然后在试样筒内侧壁涂抹一层凡士林，以防止由于试样筒内侧壁过 于光滑，形成边壁通道，造成渗流集中。 从风干、松散的土样中取有代表性的土样。根据击实试验确定的制样干密度和试样的 高度按照( 2 3 ) 式计算试样的质量。 m d ，n 万，2 h ( 2 3 ) 式中m 。试验所需的干土质量； 矶制样干密度； 1 3 第一章堆石料渗透及渗透变形试验简介 r 试样筒内半径； h 试样高度。 称量所需干土的质量，并将称取的土拌匀。为了减少装样过程中粗细颗粒的分离，保持试 样的均匀性，应当分层将土样装入试样筒，并用击锤击实到预定高度。 试样装好后，在试样顶而放置好针刺无纺织物和透水铜板。 3 试样饱和 试样制备好后即可进行饱和。试样饱和有两种方法：水头饱和和抽气饱和。 水头饱和是指在上下游水位差的作用下，水缓慢流经土体并最终充满土体孔隙。渗透 试验试样饱和时，上游水筒和试样筒内的水位差应控制在5 c m 内。试样完全饱和后，在试 样顶面放置好针刺无纺织物和透水铜板，盖上试样筒上顶盖，打开排气阀，向下游水筒内 缓慢注水，直至排气阀内有水流出。关闭排气阀，排除下游塑料弹簧管内的残余气体。渗 透变形试验试样饱和时，上游水筒和试样筒内的水位差则应控制在3 c m 之内。试样完全饱 和后，在试样顶面放置好针刺无纺织物和透水铜板，在铜板上加上垫块，在垫块上放置一 不锈钢碗，向碗内缓慢注水，让水从碗边慢慢溢流到试样筒内。同时向上游水筒内注水， 保持上游水筒和试样筒内的水位差不超过3 c m ，直至试样筒内完全充满水。将加在透水铜 板上的垫块和不锈钢碗拿出，盖上试样筒上顶盖，打开排气阀，向下游水筒内缓慢注水， 直至排气阀内有水流出。关闭排气阀，排除下游塑料弹簧管内残余气体。 抽气饱和。用带有密封橡胶圈的塑料盖将上下游水筒的溢水口全部封闭，关闭下游水 筒的排气孔，并将上游水筒的排气孔用塑料管与供水箱连接，用真空泵从试样顶部抽气。 在试验仪器内部负压的作用下，供水箱中的水将被缓慢吸入上游水筒，经过塑料弹簧管流 到试样底部，使试样由下而上逐渐饱和。待试样被水完全淹没后即可停止抽气，同时打开 上下游水筒排气阀，释放仪器内部负压。打开封闭上下游溢水口的塑料盖，待试样在水中 浸泡1 小时左右，向下游水筒缓陧注水，直至试样筒排气阀往外溢水。关闭试样筒排气阀， 排除下游塑料弹簧管内残余的气体。 4 渗透试验和渗透变形试验 试样完全饱和后，确保整个管路充满水并且无气。继续向上游水筒缓慢注水，使上游 水筒溢水口处始终有水流出，以保证试验过程中的常水头。稳定半小时左右，用量筒测量 下游水筒溢水口处一定时间内的出水量，测量三次，并记录下每次的时间和量筒中水的体 积。同时测读水温。如果所测量的三组读数基本一致，即可提升上游水位或者降低下游水 位，以增加上下游水头差，继续测量，直至试验完成。 测定试样的渗透系数时，每次增加的水头差值因试样渗透系数的大小而异。因此，试 验前应先根据以往的经验和试样的细料( d 5 r a m 的土颗粒) 含量初步判断试样渗透系数 的大小。对于渗透系数较大的试样( k = 1 0 一c m s ) ，每次增加5 m m 左右的水头；对于渗透 系数较小的试样( k 1 0 。1 c m s ) 的过渡料、主堆石、次堆石不存在任何问题；但对于中渗透性( 渗透系数为 1 0 3 c m s 1 0 c m s ) 、甚至是低渗透性( 渗透系数为1 0 5 c m s 1 0 3 c m s ) 的垫层料，需要 花费很长时间( 常超过1 2 小时) 来饱和试样。对于垫层料，采用抽气饱和则可节约很多 时间，通常只需要3 4 小时即可完成。因此有必要证实渗透试验中抽气饱和试样是否可 行。 3 2 1 试验级配 对无锡马山抽水蓄能电站筑坝材料中的垫层料、过渡料、石英砂岩排水料进行两种饱 和方式下的渗透试验。 垫层料采用蜈蚣岭石料场的五通组石英砂岩料，最大粒径为l o o m m ，粒径小于5 m m 颗粒含量为3 0 5 0 ，粒径小于o 0 7 5 m m 含量不超过8 ，级配连续。设计级配及级配 性状指标见表3 1 。 2 0 河海大学硕士论文 表3 1 垫层料设计级配及级配性状指标 粒组( t a r a ) 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 1 0 5 2 1 0 5 性状指标 ( o 1 8 06 04 02 01 0 5210 50 1 粒组百分含量( )e 8 07 0 1 1 01 61 3 51 0 51 0 06 5 4 5 9 57 5 8 61 6 1 过渡料采用蜈蚣岭石料场的五通组石英砂岩料，最大粒径为3 0 0 m m ，粒径小于5 m m 颗粒含量为1 5 2 0 左右，级配连续。设计级配及级配性状指标见表3 2 。 表3 2 过渡料设计级配及级配性状指标 粒组( m m ) 3 0 0 1 5 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 1 0 1 o 5 性状指标 5 22 1 1 5 0 1 0 08 06 04 02 01 05 o 5o 1 粒组百分含量( ) 2 2 08 07 0 8 07 01 0 01 0 08 09 05 0 2 04 04 5 6 21 4 5 石英砂岩排水料采用蜈蚣岭石料场的五通组石英砂岩料，最大粒径为7 0 0 m m ，粒径小 于5 m m 颗粒含量为1 0 左右，级配连续。设计级配及级配性状指标见表3 3 。 表3 3 石英砂岩排水料设计级配及级配性状指标 粒组( 口) 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 1 0 5 2 性状指标 5 r a m 的颗粒) 形成骨架，细颗粒( 粒径 5 m m 的颗粒) 填充粗颗粒问的孔隙而形成的【4 1 】【4 2 1 。只有当细颗粒的含量大于3 0 4 0 时， 才能将粗颗粒形成的孔隙填满，粗细颗粒以及细颗粒相互之间才能发生挤压i9 。也就是说， 如果细颗粒含量不足3 0 4 0 ，堆石体中将有一部分细颗粒处于自由静止状态。制样和 试验过程中的某些步骤，如击实等将导致这部分颗粒沿着粗颗粒间的孔隙掉落到试样的底 部，从而使粗细颗粒产生分离。 考虑一种极限情况，如图3 7 所示，假定粗细颗粒完全分离，细颗粒位于试样的底部， 而粗颗粒位于试样的上部。图( a ) 为水平渗透时粗细颗粒分离的示意图，设上部粗颗粒 层的渗透系数为、高度为e ，下部细颗粒层的渗透系数为k ，高度为见。若通过粗细 颗粒层的渗透量分别为吼和q ：，则通过整个试样的渗流量q 为 目口q l + q 2 根据达西定律，试样的总渗流量和粗、细颗粒层的渗流量又可分别表示为 q = k h i h q 1 = k l i h l q 2 一k 2 h 2 式中 k 试样的平均水平渗透系数； f 试样的平均水力坡降： 日试样总的高度。 将式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 、( 3 9 ) 代入( 3 6 ) 可以得到 “= k l h l t + 厂k 2 h 一2 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 第三章堆石料渗透系数的影响分析 l ， 卜一、 ( a ) 水平渗透 图3 7 粗细颗粒分离示意图 、 k 瓣鼎，豁訇 麟k 。 鼹喾镁 i 熟务篱按鹗簧 ：0 = 。0 k ： j ；一。1 ( b ) 垂直渗透