（岩土工程专业论文）压力相关的粗粒土渗透变形试验研究.pdf

e x p e r i m e n ts t u d yo ns e e p a g e f a i l u r eo fp r e s s u r e - - d e p e n d e n c ef o r c o a r s eg r a i n e ds o i l b y t a n g j i n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e 1 n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rj i a n g z h o n g m i n g a p r i l ，2 0 11 舛m 3 4m 8 舢8 舢1舢丫 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 殆啪 e 1 期：加j1 年皇月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 豫喃年 日期：纠1 年箩月2 日 导师签名：e t 期：训| 年f - 月矿日 摘要 由于土体的渗透变形的复杂性和随机性，许多外界因素对其渗透变形存在一 定的影响，关于这些影响因素的作用机理和影响效果目前还存在较大的争议。 就外界应力条件对土体渗透性质的影响，尤其对土体临界水力梯度的影响目前 尚无公认最合适的理论指导和研究方法。故用试验的方法对其进行研究和深入 了解具有重大的理论和实际意义。 本文通过搜集和总结前人的成果，自行研制了一套试验装置，对特殊配比的 砂土进行了室内试验研究，在详细介绍和总结试验现象的同时，根据试验数据 对试验过程中发生的各种现象进行了合理的解释。再通过有限元基本原理对土 体临界水力梯度进行了求证，以大型有限元分析软件g e o - s l o p e 为平台，对某 模型土体的渗流临界水力梯度变化情况进行处理分析。取得了一些有价值的成 果，本人主要做的工作包括： ( 1 ) 搜集大量国内外关于渗透变形方面的相关资料，其中主要包括大量研 究学者的一些重要成果和结论。并对他们所做的一些渗透变形试验进行了分析 和说明，同时对国内外关于渗透变形的研究现状进行了综述。 ( 2 ) 通过对士体内部结构的分析研究阐述了土体渗流基本概念，同时介绍 了渗流场的水头，水力梯度和渗流量等基本物理量。在介绍了渗流微分方程的 基础上，分析了渗透变形的发生机理。同时对土体的临界水力梯度的求解公式 做了介绍。 ( 3 ) 对自行研制的压力渗透变形仪的设计组成、试验方案、试验步骤以及 试样制备等进行了详细介绍。同时就试验过程中及试验后的现象和数据进行了 整理和分析。 ( 4 ) 利用g e o - s l o p e 对模型渗透变形的分析功能，对特定的模型渗流场进 行了分析计算，给出了具体的分析结果。 关键词：渗流；渗透变形：应力；临界水力梯度 a b s t r a c t m a n ye x t e r n a lf a c t o r sh a v ea ni m p a c to ns o i ls e e p a g ed e f o r m a t i o nb e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t ya n dr a n d o m n e s so fs o i ls e e p a g ed e f o r m a t i o n n o w , a b o u t t h e m e c h a n i s ma n de f f e c tt h a tt h e s ef a c t o r si n f l u e n c es o i ls e e p a g ed e f o r m a t i o n ，t h e r ei s ab i gc o n t r o v e r s y t ot h ei m p a c to fe x t e r n a ls t r e s sc o n d i t i o n so nt h es o i li n f i l t r a t i o n p r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yo nt h ec r i t i c a lh y d r a u l i cg r a d i e n to fs o i l ，t h e r ei sn o tt h em o s t a p p r o p r i a t et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dr e s e a r c hm e t h o d st h a t c a nb ea c c e p t e db ya 1 1 t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et h a tr e s e a r c h i n gt h i s s u b j e c ta n do b t a i n i n gi n d e p t hu n d e r s t a n d i n gw i t ht h ew a yo f t e s t b yc o l l e c t i n ga n ds u m m a r i z i n gp r e v i o u ss t u d i e s ，d e v e l o p e dat e s t i n gd e v i c e ， s p e c i f i cr a t i oo fs a n dw e r es t u d i e da n d t h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n dr e s u l t sw e r e d e t a i l e da n ds u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h et e s tp h e n o m e n a t h a to c c u rd u r i n gt h ec o n d u c ta r ee x p l a i n e dr e a s o n a b l y t h e na p p l y i n gt h eb a s i c p r i n c i p l e so ff i n i t ee l e m e n t ，ic o n f i r mt h et r u t ho fc r i t i c a lh y d r a u l i cg r a d i e n to n s o i l u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eg e o - s l o p e a sf l p l a t f o r m ，am o d e lo f c r i t i c a lh y d r a u l i cs o i ls e e p a g eg r a d i e n tw a sa n a l y z e d ，a n do b t a i n e ds o m ev a l u a b l e r e s u l t s t h em a i nj o b so ft h i sa r t i c l ei n c l u d e ： ( 1 ) c o l l e c t i n gd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l i n f o r m a t i o nt h a ta r er e l a t e dt ot h es o i l s e e p a g ed e f o r m a t i o n ，e s p e c i a l l ys o m ei m p o r t a n tp r e v i o u s r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s i n t h es e c t i o n ，t h ep r e v i o u st e s t sa b o u tt h es o i ls e e p a g ed e f o r m a t i o na r ea n a l y z e da n d d e s c r i b e d a n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hi sr e v i e w e d ( 2 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h es o i l ，t h e b a s i cc o n c e p t so f s o i ls e e p a g ea r ed e s c r i b e da n dt h eh e a do fs e e p a g e ，h y d r a u l i cg r a d i e n ta n ds e e p a g e ， o t h e rb a s i cp h y s i c a lq u a n t i t i e sa r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h ef o r m u l at os o l v e t h ec r i t i c a lh y d r a u l i cg r a d i e n ti si n t r o d u c e d ( 3 ) d e s c r i b i n g t h e d e s i g n o fi n s t r u m e n t ，t e s tp r o g r a m s ，t e s ts t e pa n ds a m p l e p r e p a r a t i o ni nd e t a i l a tt h es a m et i m et h ep h e n o m e n o na n d t h ed a t aw e r ec o m p i l e d a n da n a l y z e dd u r i n gt h et e s t ( 4 ) a p p l y i n gt h eg e o - s l o p es o f t w a r e ，ia n a l y z e da n d c a l c u l a t e dap a r t i c u l a rm o d e l o fs e e p a g ef i e l da n do b t a i nc o n c r e t er e s u l t s k e yw o r d s ：s e e p a g e ，p e n e t r a t i o n d e f o r m a t i o n ，s t r e s s ，c r i t i c a lh y d r a u l i c g r a d i e n t i l 目录 摘i l 兽i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景1 1 1 1 选题依据一l 1 1 2 研究目的1 1 2 渗透变形理论研究进展2 1 2 1 渗流理论研究进展一2 1 2 2 渗透稳定性研究一3 1 2 3 水力梯度理论及研究7 1 2 4 渗透试验研究现状1 1 1 3 研究方法和技术路线1 4 1 4 本文的主要工作1 4 第二章渗透变形理论研究 2 1 渗透变形概念16 2 2 土的渗透变形机理研究1 6 2 2 1 土的渗透性质1 6 2 2 2 土的渗透变形及形式1 7 第三章压力相关的粗粒土渗透变形试验 3 1 压力相关的渗透变形仪研制2 4 3 2 渗透变形试验方法2 6 3 2 1 试验步骤2 6 3 2 2 试验细则2 6 3 2 3 试验影响因素2 7 3 2 4 试验可行性及假设2 7 3 3 渗透变形试样制备2 8 3 3 1 粗粒土简介一2 8 3 3 2 颗粒级配分析2 8 3 4 本章小结一3 1 第四章渗透变形实验成果及分析 4 1 无粘性纯砂试件的渗透变形成果分析3 2 4 2 有粘性砂土试件的渗透变形成果分析3 5 4 3 无粘性砂砾石试件的渗透变形成果分析3 9 4 4 有粘性砂砾石试件的渗透变形成果分析4 3 4 5 不同试件实验成果的对比分析4 7 4 6 本章小结一4 8 第五章应力条件下砂土渗透变形特性研究 5 1 应力影响条件下的无粘性砂土渗透变形特征理论分析4 9 5 2 应力影响条件下的粘性砂土渗透变形特征理论分析5 0 5 3 应力影响条件下的粘性及无粘性土体渗透变形规律5 1 5 4 理论分析与实验成果的对比5 3 5 5 本章小结5 5 第六章堤防渗透变形数值模拟研究 6 1s e e p w 模块软件介绍5 6 6 1 1s e e p w 的特点5 6 6 1 2s e e p w 的有限元分析5 6 6 2 堤防渗透变形数值模拟研究5 8 6 2 1 工程概况5 8 6 2 2 有限元模型的建立5 8 6 2 3 初始及边界条件5 8 6 2 4 结论6 0 6 3 本章小结6 0 结论和展望6 2 参考文献6 4 致谢6 8 附录a ( 攻读学位期间发表论文目录) 6 9 附录b ( 攻读学位期间参与课题目录) 7 0 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 选题依据 水在岩石、土体孔隙中的流动称为渗流。渗流破坏对实际工程的影响是岩土 工程中的经常出现的问题，由渗流引发的实际工程事故屡见不鲜。因此，正确地 进行渗流分析，是解决好岩土工程设计问题的一项重要工作。对渗流场的水头， 流速分布和渗流量等基本物理量进行确认和分析是渗流分析的主要任务，并据此 对渗流场进行有关的设计计算。而在对具体土体渗流场进行分析时，临界水力坡 降的确定至关重要，其取值直接影响渗流场中渗透破坏发生的情况。而且对于实 际情况，土体都会存在一个外界的影响条件一一应力。传统的方法往往通过一般 的经验公式解析求解获得。但是，这个方法只适用渗流介质和边界条件比较简单 的情况，并且得到的结果误差相对较大，而且基本很少考虑到实际应力的影响。 而工程实际中，渗流介质和边界条件往往都比较复杂，尤其在非均质各向异性的 粘土中，要想用解析公式来求解临界水力坡降非常困难而且误差较大。基于上述 原因，寻求一种能较准确地确定各类土体的临界水力坡降及其在应力影响下的渗 透变化规律的方法成了渗流分析中一个亟待解决的问题。 1 1 2 研究目的 世界上水能丰富的国家很多，我国便属于其中一个，水库大坝和江河堤防工 程在我国十分普遍。并且我国是世界上水库最多江河堤防最长的国家。这些大量 水利工程基本始建于建国初期，由于当时的经济和科技条件的不足，人们对土体 渗透方面的知识更是匮乏，许多工程基本存在施工技术方面的问题，尤其以大坝 存在的渗漏和渗透破坏等问题比较突出。故在上述因素下本文通过模拟实际情况 对粗粒土进行渗透变形试验，从渗透性质上对土体的进行进一步摸索和探讨。以 此得出的成果及结论对将来与渗透有关的工程建设更加合理和完善。减少渗透给 工程带来危害的相关问题，为已有的渗透问题提供必要的技术指导和理论根据。 从而达到从根本上减少工程事故发生的目的。 到目前为止，我国堤防大约2 0 多万公里，其中重要的堤防长约6 万公里，且 大部分为土质堤，主要是由于这种堤型在建设时能对木材、钢材和水泥等这些材 料就地取用，在节约材料方面十分有利，故被广泛采用。可以说，堤防工程作为 我国防洪工程重要组成部分，在保证人民生命财产的安全以及社会经济的繁荣稳 定等方面起着非常重要的作用。由于大多数堤坝都建于建国初期，当时对土体的 许多工程方面的性质缺乏深刻的认识，尤其是关于土体渗流方面的特性认识不太 成熟，故在此方面的工程事故经常发生。 据不完全统计，除去因为水位过高而形成的汛期发生的洪水，其他事故大多 是因为渗透破坏引起h 吨。每年7 - 8 月是我国长江、黄河汛期，此时段大堤发生最 多的事故就是渗透引发的管涌破坏。1 9 9 8 年的全国大洪水，据水利部统计堤防渗 透破坏给国家造成高达千亿元的经济损失b 1 。“1 9 9 3 年，青海省的沟后水库面板 堆石坝在其初次高水位运行时突然溃决。洪水吞噬了下游的恰卜恰镇的部分民房、 工厂、商店，造成多人死亡、4 4 人下落不明的惨剧 b 1 沟后水库大坝不只是在初 次蓄水时由于渗流而失事的土石坝。1 9 7 6 年，在初次蓄水时由于靠近坝肩的心墙 料的管涌破坏而溃决还有美国的提堂大坝。还有一个例子是美国的芳坦纳大坝也 是由于坝基渗流而遭受破坏h 】。由于渗透破坏某些大坝在其工程接近竣工时失事， 如1 9 6 1 年7 月，印度的潘谢特大坝，管涌渗透破坏被认为是失事的主要原因之一 曲1 。从而，为了更好的利用土的优良力学性质应用于工程建设。对深入研究土体的 渗透特性，不仅非常必要，而且是一个相当沉重的任务。 1 2 渗透变形理论研究进展 1 2 1 渗流理论研究进展 法国科学家达西在18 6 5 年进行了大量的渗透试验研究，成功的提出了著名的 达西定律【6 1 。在达西定律提出后的几十年里，大量研究者通过量纲分析【| 7 1 、毛细 管模型【8 1 、水力半径理论【9 1 们、流动阻力模型【1 1 - 1 2 】等途径进一步对达西定律的物理 意义进行了说明。达西首次建立了一系列方程，表达了渗透水流在土体中的流动 速度、水力坡降和土的性质三者之间的关系，通过把渗透水流的流速与能量联系 在一起，揭示了渗透水流渗透机理和方式。 达西定律的提出是渗流理论变革的开始，在以后的几十年里，许多学者就达 西定律的适用性进行了研究，从雷诺数r e 入手进行研究的学者有纳杰( n a g y ) 和 卡拉迪( k a r a d i ) 0 4 】，他们认为当雷诺数r e 5 ，此时水流开始进入由层流到紊流的过渡区域；当r e 2 0 0 时此时水流进入完全紊流。芬奇( f a n c h e r ) 等【1 5 】人根据大量的试验结果却认 为，临界雷诺数r e = l ，表示此一界限相当于紊流的开始，即达西定律的适用条件 是r e 1 。林奎斯特( l i n d q u i s t ) 1 6 】总结前人资料，认为r e 5 0 ，其他情况则为管涌破坏。整体或局部管 涌两种破坏形式都能叫做管涌，其分辨需作进一步分析。当d 。为粗料孔隙的平均 直径，d ，。，为细料特征粒径，表示该土样含量为7 0 的细料小于该粒径土重。他 对于土颗粒在渗流发生时认为有三个力作用颗粒上，首先是颗粒在水中的重力、 渗流产生的水头差形成在颗粒上的作用力、渗流发生时水流运动时对土颗粒产生 的拖拽力，由于在土体渗透破坏发生前三个力是相互平衡的，从而他相应地给出 了确定i 晦界比降的关系式。 甫拉维登n 钉对选用d = d 。，d 的主要决定对象为细料粒径，土体的渗透破坏 形式胖别是通过计算土体内部细颗粒的某一粒径d 与土体孔隙大小的平均直径d 的比值来实现的。他指出当此比值小于或等于1 3 时此时土体为非管涌土，当此 4 比值大于1 3 时此土体为管涌土。他认为判别土体渗透稳定性将不会遭到破坏的 准则为土体中细颗粒的流失量不超过总土重的1 - - - 3 ，并且相应给出了计算式为： d = o 5 3 5 c 。d 1 7 ( 卜1 ) i 一 式中，土体的不均匀系数为c 。，土体的孔隙率n 。对于级配连续型的土料。这 种判别方法基本适应。 分别在1 9 5 5 年和1 9 6 9 年鲁巴契柯夫( l o e b o t s j k o v ) 乜们乜对土料为土体是否 为管涌土进行了区分，根据的基本理论是管涌定义，即土体中细粒在粗粒骨架孔 隙中渗流时被冲动流失，认为当不同级配的细粒填满土体内部骨架孔隙，这时土 体内部管涌就不会发生。依照此方面的研究，他提出了非管涌土的标准颗粒组成 曲线，通过以此方法为准则，从而对天然土的渗透破坏形式还可以给出判别，所 用的方法就是用天然土的颗粒级配组成曲线与前面的颗粒组成曲线相比较。 对颗粒级配判别思路的出现，在渗流界，对土料内部稳定性或是其是否发生 管涌的基本点大多集中在土体内部细粒填在粗料骨架颗粒孔隙中充料的多少，比 如在1 9 8 5 年肯尼( k e n n e y ) 等人n 副认为，土体中细料含量2 9 ( 不密实) 和2 4 ( 密实) 是管涌土与非管涌士的分界限。1 9 8 1 年，科瓦兹( k o v a c s ) 乜幻认为，当 超过前面两个界限如细料含量超过3 5 在此情况下通常是不会发生管涌破坏的，因 为此刻可以判定在土体内部粗颗粒被淹浮在细颗粒中。 对于前人提出的关于判别管涌土利用土料级配曲线的方法思路，学者们为了 能使计算更加简洁做了大量深入研究工作。肯尼等人心2 1 认同了太沙基的滤层设计 概念，把保护细料的稳定条件设定为粗料与细料的比值小于等于4 ，对于土体内部 渗透是否稳定通过在级配曲线上计算h 与f 的比值来估计，f 为曲线上比任选粒径 d 小的百分数，h = f 。- f 。如图1 1 。对于一般土体的细粒的尾部很平缓的s 形级配 曲线，都属于不稳定的管涌土类。肯尼等根据前人的分析成果以下面的简式来表 示 f = 0 6 ( d d 。) 3 佰 再把上式代入式h = f 。- f 。一 ( 4 ) 3 脂一1 f = i 3 f ，此直线就成为土料内部是否稳定 的分界线，如图1 1 所示。 5 过筛 颗粒太小专 图1 1土体颗粒级配图 国内的渗流研究起步得比较迟，2 0 世纪6 0 年代以后随着国家的统一和国内的 安定繁荣，渗流研究也开始逐步发展起来， 1 9 6 0 年王韦n 8 冽在太沙基公式上增加了附加力：这个附加力便是由于单位土 体自重而引起的侧压力所产生的摩阻力，通过计算公式的修改这样计算出来的临 界梯度值跟扎马林公式的计算结果相比较为接近。 1 9 6 3 年刘杰n 们乜4 1 提出了一些对级配不连续土的理论，把粗料与细料的区分粒 径定为级配曲线上面的谷点粒径，土体内部细料含量p ，由土体的渗透破坏形式来 决定；最优细粒含量p 。的理论计算式可以通过细料的体积等于粗料孔隙体积的方 法得到，还认为判别渗透破坏形式的标准可以通过最优细料含量p 。来实现，当土 的最优细颗粒含量小于0 9 p 。时为土体的渗透破坏为管涌，当最优细颗粒含量大 于1 1 p 。时土体渗透破坏为流土破坏，最优细颗粒含量在两者之间则定义为临界 过渡状态。 还有学者将砂卵石的管涌分为了发展性管涌、非发展性管涌、局部管涌三种 类型，刘宏梅和张静敏心5 1 通过试验得出了这些结论。用来判断其管涌类型的依据 是土体内粗料骨架孔隙直径d 。与细料d 删。，的比值大小。 1 9 8 4 年屈智炯和吴剑明乜引通过对多个石渣坝工程的渗透变形试验研究，对影 响土体渗透变形形式及临界水力梯度某些因素进行了深入研究，通过研究提出了 一些基本的判别准则，同时为实际工程推荐了与试验成果比较接近的经验公式。 由于土体的级配和密实度在对于砂砾管涌的发生起很大影响作用，1 9 8 7 年葛 祖立瞳 通过运用多元回归分析方法对土体进行试验并对大量试验结果进行了统 计，同时还根据试验结果在土体渗透破坏的临界水力梯度上提出两个经验公式： 近年来国内外关于土体渗透变形方面的试验研究大部分试验基本是针对某 一个具体的单一工程，故在总个渗流领域其研究在进度上在远比不上计算机有限 6 元数值计算的飞速发展。 1 2 3 水力梯度理论及研究 1 2 3 1 渗透水力梯度理论分析 l 、在对土体渗透水力梯度的分析方法上，在学术界一般可以分为流体力学法、 水力学法和数值计算法等等。其中水力学法在实际工程中运用的较多。 ( 1 ) 水力学法心8 1 从广义的来说水力学法是一种运用水动力研究渗流的方法，在渗流方面只是其 中的一种，是一种近似计算方法，这种方法一般对渗流场内土体渗透参数给定某 些假定，从而通过这些假定求得渗流计算断面上的平均渗透水力梯度。这种方法 比较简单而且适应于多种具体的实际工程，故被人们广泛运用，本文在此对其做 详细的推导说明。通过对于拦水大坝作为具体模型来研究，对于不同坝型来说渗 流计算公式是不同的，对于均质土坝的渗流计算一般而言其算法简单而且典型， 故水力学法常作为非均质土坝渗流的计算方法运用，在此以分为坝体、坝基、坝 后出逸段三部份的透水地基均质土坝为基础，来研究土石坝的渗透水力坡降乜8 j ， 对于其他土石坝的坝型计算原则也与其相似，其中计算参数如图1 2 所示。 其中坝体内，浸润线方程： y 2 = h ：+ 2 x 兰x ( 卜2 ) 。 k 在此计算之间必须对其做一定的假定，土石坝内渗流等势线均为铅直线，这 才可以进行公式定义，上面是由杜布衣近似假定来确定，则其渗透坡降 j ：d y ：一q ：三一 ( 1 3 ) 救k 1 h 2 + 2 x q xx 坝下坝基内，渗透水力坡降通过整个渗径范围内的平均坡降来估算，即： 7 j ： 旦! 二旦2 ( 1 4 ) b + o 8 8 t 式中，t 一一坝基厚度。 一b _ 二一为坝底宽度； 对于坝基厚度前加的0 8 8 这个参数表示的是土石坝进出口的水流纯转弯附 加的长度之和。 土石坝出逸部分的渗透水力坡降公式可表示为： j ：竺竺垡些一 ( 卜5 ) 2 t a r s h l | e x p z c x m 2xh o 1 e x p t - i 式中：t 一一坝基厚度o h 。一一渗流水深( 下游坡面与浸润线交点处) 。 ( 2 ) 数值计算法 差分法和有限元法都属于数值计算方法。两者有着各自的优点和适应性。 通过对渗流基本方程某些公式的转变把其变为为差分方程，同时对于渗流场 中各点水头值、渗透水力梯度等基本要素则用逐步逼近的方法求得这即为差分法。 对于均质各向异性土体的稳定渗流场，其渗流基本方程如下乜们 旦( k ，鲤) + x _ a ( k 、，塑) ：0 淑5 曲四1 两 转化为差分方程为： ( 1 - 6 ) 垦三( 竺：! ：! 二竺：一竺：! 二竺：! ) + 兰旦( 丝：! 二竺：一竺二! 兰：兰) ：0( 1 7 ) ) 【】【a x a yy a y 式中：k ，、k ，一( s ，1 ) 点的渗透水头； 首先单元结点水头是通过把渗流场离散为有限个单元体而求得的，从而通过 假定渗透水头变化在每一单元内的情况，进一步得出渗流场中每处的水头值、渗 透坡降等渗流要素，此为有限元法。有限元法在实际工程中运用十分普遍。渗透 水头与渗透坡降的求解在边界条件和微分方程条件下对于有限元法是满足的。对 于均质土体各向异性的稳定渗流场而言，其基本公式为阻引。 x _ a ( k ，拿) + - 字- a ( k 。拿) ：0 ( 1 8 ) 缳叙纠7 钾 式中：k 。一一渗流场内x 方向渗透系数； k ，一一渗流场内y 方向渗透系数； 8 h 渗透水头。 2 对于观测资料的分析方法 对土石坝原型渗流进行观测是项非常有必要的工作，因为它是检验渗流状态最 可靠的方法。对于评价工程的现状可以通过对原型观测资料的研究来完成，还可 以为实际工程的运作提供第一手资料。 土体内产生的渗流水压力是由于水库上下游水位差的存在所致。其水头h 可用 来表示压力，从而使坝体内两点之间有渗透水力坡降产生。下面就坝基的渗透坡 降j 分为的上文提到的三部分来进行计算。 首先在坝体内，渗透坡降的计算参数如图l - 3 所示，由假定坝体内深度方向的 铅直线均是等势线，则可得两点之间渗透坡降为 j ：垒! 二坠( 卜9 ) 图1 3 坝基渗透坡降计算示意图 在坝基中其计算公式与坝内计算公式基本相同。对于坝后出逸段，其计算参 数如图1 4 所示，则其渗透坡降为： j ：坠生( 1 一l o ) l 图1 4 坝后出逸段渗透坡降计算示意图 9 1 2 3 2 国内外临界水力梯度的研究 1 9 2 2 年t e r z a g h i 对土体内垂向力进行了平衡分析，提出了著名临界水力梯 一度汁算公式。但是此公式的到学者们的认同还是在几年后的一次英语会议上。不 过在公式提出后t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 3 1 1 ( 1 9 2 9 ) m 1 和n a k aj i m a ( 1 9 6 8 ) 3 1 也相继 通过室内试验对此公式的正确性进行了验证。 1 9 3 6 年k h o s l a ，e t a 1 口引提出了在约束流中临界水力梯度的确定方法，此确 定方法适用于各类不同的边界条件。 1 9 3 7 年c a s a g r a n d e 口副通过描述与渗流有关的土体内部侵蚀引起的土质岸堤 失稳根据流网计算给出了临界水力梯度的计算公式。 1 9 7 0 年d a v i d e n k o f fn 6 1 也提出了临界水头的计算方法，是通过将隔水物底部 的测压管水头值直接除以隔水物插入土层的深度。 1 9 8 5 年k h i l a r 阳 也得出了估算估算临界水力梯度的方法，是通过建立了一 些数学模型关于粘土地基上的土制堤坝管涌以及堵塞的毛细管，同时他还描述粘 粒在土体内孔隙中的沉积和扩散的过程。 1 9 9 1 年s e l l m e i j e r 口引把解析和数值的方法运用建筑物下方潜流区，认为管 涌达到稳定平衡是在堤坝下面发展形成管状通道以后，管涌不会再发展。运用达 西渗流理论，考虑在管涌通道内的渗透力的极限平衡分析，分别给出了砂沸段以 及管涌通道内的临界水力梯度的计算公式。此后，在1 9 9 3 年w e i j e r s 和 s e l l m e i j e r 刚对此进行了一些改动，提出了临界水力梯度的计算公式。 1 9 9 2 年k o e n d e r sh 训在对工程实际运用中考虑，对s e ll m e i j e r 的模型进行了 修改，他发现当管涌发生的长度达到坝基宽度的一半时就会出现临界水头。同时 给出临界水力梯度计算公式。 2 0 0 3 年o j h ah 对于多孔介质的渗流方程和b e r n o u l l i 方程耦合进行了深入 研究，同时考虑了土体的孔隙率在产生临界水头时的作用以及临界牵引力的条件， 建立了确定临界水头的公式。 伊斯托敏娜h 2 1 也得到了临界水力梯度的方法，是考虑到土颗粒在水中的自重以 及渗流对该颗粒的作用力两者相平衡的原理。 1 9 8 1 年沙金煊h 3 1 在在太沙基公式提出之后，再在此基础上增加了土颗粒形状 阻力系数，并考虑颗粒在水中的自重与作用在该颗粒的渗透力相平衡的原理，得 出了渗透变形的临界水力梯度公式： 沙金煊管涌公式： l o ( 1 11 ) j k = ( g 。一1 ) ( 1 一n ) a ( 1 1 2 ) 式中：d 管涌时被冲动细粒的粒径，c m $ k 为渗透系数，c m s ； n 一一土体孔隙率； g 。一一土颗粒比重； q 颗粒形状系数。 1 9 8 0 年吴良骥h 引在分析单个颗粒和单位土体所受渗流力的同时对渗透破坏 发生时流失的颗粒粒径进行了分析，还对颗粒上的摩擦力和动水力进行了研究说 明，得到了临界水头的计算公式。 1 9 9 2 年刘杰h 6 1 n 引根据土颗粒在水中自重、静水浮力和渗透力三者互相平衡的 原则分别得出临界水头的计算公式。在国标( g b 5 0 2 8 7 9 9 ) 中有此公式运用。 刘忠玉( 2 0 0 1 ) 4 5 1 通过k o v a c s 模型来对骨架孔隙进行描述，在h a p p e 卜b r e n n e r 理论的基础上来分析土体中细小颗粒在粗颗粒骨架孔隙中的运动情况，研究了水 头梯度的变化情况在渗透变形发展过程中与渗流速度的关系，得到了管涌发生的 临界水头梯度。同时通过计算发现，在对连续级配土进行研究时，当土中细小颗 粒向外起动后，较大一点的颗粒的起动需要较大的水力梯度，而对于级配不连续 土，细颗粒起动后，只要水力梯度有一点增加，便会引起较大颗粒的跳动：当土体 越疏松，则可动颗粒越易起动，管涌临界水力梯度就越小，管涌越易发生且越易 发展成管涌破坏。 对于上面提到的临界梯度公式基本是运用在无粘性土之上，这种类公式的适 用性显而易见是比较有局限性的。对于粘性土的临界水力梯度的判断前人研究的 不是很多，基本应该是通过试验进行分析。 1 2 4 渗透试验研究现状 由于受到现场工程条件的约束，室内试验则成了各种计算公式的源泉，国内外 大量学者都设计出了各种不同的渗透仪器，对土体进行渗透变形试验。 1 2 4 1 实验室常规实验装置 实验室内对土体进行渗透方面的试验仪器较多，就按其原理有“常水头试验仪 生压一j v i 24 = 二 ， 式 j 公 土 流 煊一金沙 器”和“变水头试验仪器”。目前实验室中常见的有7 0 型常水头渗透仪和南5 5 变 水头渗透仪4 6 1 。 试验过程中保持水头一直不变通过改变其他参量来进行试验，这就是常水头 试验。在室内试验时，是通过( 2 1 ) 式来确定试样的渗透系数。 k t ：q l ( 卜1 3 ) a h t 式中：l 一一试样厚度 a 一一试样的截面积 h 一一上下游水位差 q 一一时间t 内下游出水口的出水量 变水头试验是指试验过程中人为的控制水头变化。交水头试验计算渗透系数 时是通过( 2 1 ) 式来确定 设水管内截面积为a 。试样厚度为l ，截面积为a 。试验中只要测出时刻t 。和 t 。所对应的水位h 。和h 。，就可通过( 2 2 ) 式求出试样的渗透系数。 k t 观3 志g 导( 1 - 1 4 ， 式中：a 一一水管内截面积 l 一一试样厚度 a 一一截面积 h 。、h 。一一t 。和t 。时刻所对应的水位 中国环境科学研究院刘和平、北京塑料工业大学陈美芙等人针对对国内外常规 使用的渗透仪存在的试验周期长，影响数据准确性，而且用环刀窃取土样的操作 技术要求较高，否则易造成侧壁渗漏，导致试验失败等缺陷。改进试验设备，改 进的目的有三点：l 、缩短试验测试周期；2 、能适用环境科研试验的特点，可测 定各类有害废物渗滤液的渗透性；3 、仪器安装操作简便。设计了两种类型的渗透 仪：直接击实加压式渗透仪和直接击实迭加式渗透仪h 引。改进后的两种渗透仪与 国产标准渗透仪南5 5 型测出的数据有可比性，完全可以在室内测定土体系数时使 用。 1 2 4 2 渗透实验装置研究进展 随着学者们对渗透研究研究的深入，常规的室内试验装置得出的数据和实验现 象已不能满足当今渗流研究的需要。学者们成功的研制了各种渗透实验装置。尤 其在渗透破坏方面研究甚多。 1 2 水证湃节装置 螂最薹薹 螂张瓣赣曼圣一 ，一_ _ 。一? 弑栉筒曦警 劐 醺鱼虫繁 图1 6 砂槽渗透变形仪 1 3 州 州矗qllll1r瞄￥；土 卜承雅 l 朗fl 图1 7 管涌试验装置示意图 隋海宾等人根据离心模拟技术的特点，运用研制的离心模拟试验装置，对几 种不同颗粒组成的粗细砂土进行试验，得出试样的临界水力坡降随粗细砂质量比 增大而降低，在低离心加速度下砂土管涌离心试验的临界水力梯度与常规l g 重力 加速度室内试验的临界水力梯度的比值a 为0 8 一1 0 嘲1 。其试验装置图如图1 7 。 1 3 研究方法和技术路线 本次研究依托长沙理工大学土建学院土工试验室，采用室内试验研究的方法 进行。对于规律性研究，室内试验研究较为理想，可人为控制试验条件，便于大 量进行。技术路线上，总体采用理论分析一试验一试验数据整理一建模数值分析 的技术路线进行。所依托的单位，长沙理工大学土建学院土工试验室，通过自行 研制的压力渗透变形仪进行土体渗透试验，在渗透测量上能达到定性和定量研究 的精度要求。 1 4 本文的主要工作 中外学者对各类土体的渗透特性做了大量的研究，取得了显著的进展，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： l 、到目前为止，对于各类粗粒土料，实验室依旧没有统一的试验仪器。就目 前试验室内的渗透仪器多采用自行设计制作的常水头渗透仪。 2 、上面列举的临界水力梯度计算公式虽多，但是大多数公式较繁琐，有些参 数难以获得，很难再工程中推广应用。 3 、国内外学者对虽然对土体临界水力坡降的研究较多，但是公式大多是单独 1 4 针对一种土一种级配而言。没有具体的万能公式。 4 、对于单一的土体渗透特性研究较多，对于混合参杂的试料研究较少。 本文结合目前渗透研究发展的现状，对特制的一些试料做了一系列渗透变形 试验，完成了一下三方面的工作： 1 对渗流理论进行了详细分析，总结了前人对渗流研究的成果。同时对渗透 破坏机理和土体渗透破坏特性进行了摸索。 2 针对目前渗流界的某些亟待解决的问题，自行设计了压力渗透变形仪。文 中对其原理图做了详细介绍，同时简略介绍了渗透变形试验的操作步骤和试验中 出现的问题。 3 通过对各试料的渗透变形试验，描述了渗透破坏试验时的渗透破坏现象， 概括了各试料在压力条件下对其临界水力坡降的影响。通过数据分析得出临界水 力坡降与压力大小的相互关系。同时对有压和无压下临界水力坡降的的差别进行 了详细分析。 4 利用g e o s l o p e 对模型渗透变形的分析功能，对特定的模型渗流场进行了 分析计算，给