土石坝心墙裂缝冲刷试验研究

土石坝心墙裂缝冲刷试验研究

0裂缝的形成原因由于不均匀沉降和水流侵蚀，土石坝发生了各种裂缝。主要原因是防洪堤的裂缝。一旦发生裂缝，将显著提高防洪堤的渗透性，并显著降低抗渗强度。据统计，我国土石水库大坝发生裂缝事故占总事故的25.3%。在储水过程的早期阶段，国外约有25%的土石坝出现裂缝。可见,土石坝防渗体的裂缝是比较常见的。这就要求工程设计人员不但要精心设计、防止坝体裂缝,而且要对防渗体产生裂缝后的渗流特点要有一定的了解,从而找到防渗体一旦出现裂缝的应对措施;目前国内外的试验大多数都在研究裂缝产生的原因,而对在反滤层保护下水流对裂缝冲蚀特性的研究涉及不多;本文以黑河大坝心墙的裂缝冲刷试验为对象讨论其裂缝的渗流特点。1试验材料和方法1.1砂体的颗粒组成试验所用的心墙土料为低液限粘土,颗粒组成见图1,土样的粘粒含量为15.0%,粉粒含量为65.0%,砂粒含量为20.0%,液限为28.5%,塑限为14.8%,塑性指数为13.7,比重为2.71。根据分散性鉴定试验结果,该土为分散性土。反滤砂的颗粒组成见图1中的曲线4号到9号,试验所用反滤砂的特征粒径值及不均匀系数见表1。根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001要求,反滤砂的特征粒径D15分别与土料的特征粒径d15和d85的比值应满足透水性和保土性的要求,即:透水性要求:D15/d15≥5保土性要求:D15/d85≤4～5经计算可知,反滤料上包线的D15/d15=23.2,D15/d85=1.3,反滤料下包线的D15/d15=35.0,D15/d85=2.0,从而可知,本次试验所用的反滤砂和心墙土料均满足规范规定的透水性和保土性的要求。1.2试验设备及测压管安装用开度分别为5mm、2mm的裂缝土在直径为10cm的裂缝冲刷仪中进行裂缝冲刷试验,冲刷仪水平放置,上游为土样,下游为反滤层,土样前设防冲层;为了观察土样裂缝在水头作用下的变化情况,隙缝前及反滤料前后以及反滤料前部1cm处安装有测压管。土样控制干密度为1.72g/cm3,制样时,先在冲刷仪中安置好要求厚度的成缝板,在成缝板两边分别倒入土样后压到控制高度,然后在土样上部按要求制备反滤层。试验时,抽掉成缝板,安装冲刷仪及测压管进行试验。对试样逐级施加水头,在开始施加第一级水头时,每隔5～10min,测记测压管水头一次,计算缝内坡降,直到下游出口有渗水流出,测记渗流量。然后施加下一级水头,待水头稳定后测记测压管水头,计算缝内坡降及反滤砂内的坡降直到试验结束。试验结果见表1及图2和图3,其中图2是从进水到下游出口有渗水流出过程中缝内坡降随时间变化曲线,图3是下游出口有渗水流出到试验结束阶段缝内坡降与流速关系曲线。2裂缝土体坡降分析对于用具有分散性土料填筑的心墙坝来说,由于心墙压缩量大,而又受到坝壳拱作用,不能正常压缩,在水库蓄水后,容易出现水平裂缝,而裂缝和具有分散性的土料会显著降低土的抗渗性能,但防渗体出现裂缝和土料的分散性,并不会绝对地导致大坝出现安全问题。反滤层有滤土减压的作用,在设置反滤层的情况下,反滤层会有效控制裂缝渗流,避免裂缝冲蚀。事实上,渗流对防渗体裂缝具有冲刷和促使愈合的双重性能。一方面水流经过裂缝时,会对裂缝土产生冲蚀,另一方面,分散性的土料遇水后会产生崩解,而崩解的土在下游反滤层保护的情况下,不会被冲走,这又会促使裂缝愈合。从表1和图2中可以看到,试验开始时,由于水流在隙缝中水头损失很小,因此土缝隙内坡降几乎为零;在施加第一级水头开始直到下游出口有渗水流出的过程中,随着时间的推移,土样裂缝不论是在上包线保护下,还是在下包线保护下,缝隙都能愈合,从而产生不同程度的坡降,上包线保护时,5mm裂缝内的坡降在3.38～9.05之间,2mm裂缝内的坡降达4.30,下包线保护时,5mm裂缝内的坡降在2.30～2.80之间,2mm裂缝内的坡降最大达3.18;从图2中还可以看到,土样裂缝在反滤料上包线保护的情况下,出水时间长,塌落过程长,形成的坡降较下包线大,且不容易被水流冲开;而土样裂缝在反滤料下包线保护的情况下,由于反滤料下包线的渗透系数较大,使得出水时间较短,塌落过程也较短,缝内坡降较小,而且存在有裂缝又被水流冲开的情况,图中表现为坡降降低到很小。从表1和图3中可以看到,在试样下游出口有渗水流出后,随着水头的不断增大,缝内坡降也逐渐增大,上包线保护的裂缝土裂缝内的坡降增加的程度较大,下包线保护的裂缝土裂缝内的坡降虽然增加,但增加程度较小,且增加到一定程度后(也就是裂缝愈合到一定程度后)又被水流冲开,表现为坡降很快减小,甚止坡降变为零。在试样下游出口有渗水流出后到试验结束的过程中,裂缝土在反滤料上包线保护的情况下,缝内坡降增加的较大,说明当土颗粒进入到隙缝中时,土颗粒会随水流被冲到土砂交界面处,大量的土颗粒会滞留于隙缝中,当土砂界面处的土颗粒逐渐积聚,并承受较高的水头作用时,土颗粒会被压密,形成能承担较大水力坡降的次生土层,它不但能降低冲蚀强度,也能降低反滤层所承担的坡降,阻止冲蚀的进一步发展,因此该土层在不破坏的情况下,随着压力的增大坡降相应提高;裂缝土在反滤料下包线保护的情况下,由于在进水和出水过程中未形成能承担较大水力坡降的次生土层,缝隙愈合程度很差,甚至愈合后又被水流冲开,使缝隙内的坡降很小甚至为零,导致了水头几乎全部施加在反滤层上,使反滤层承担了几乎全部的坡降,尤其在反滤层进口1cm处承担的坡降最大,因此随着水头的增大裂缝内的坡降处于很低的水平。但不论是在反滤料上包线,还是在下包线保护下,整个试验过程中渗水一直保持清澈,且裂缝没有受到渗流冲蚀的痕迹。通过对裂缝冲刷试验结果的分析可以看到,在反滤层未破坏的情况下,上包线保护的裂缝土在水流作用下不仅能愈合,而且裂缝愈合后能形成较大的坡降;而下包线保护的裂缝在起始较小水头作用下虽然能愈合,但缝隙愈合程度很差,缝内的坡降也较小,而且经过较短的时间裂缝又会被水流冲开失去抗渗性能,在较高水头作用下,缝内的坡降也很小甚至为零,但在整个试验过程中渗水一直保持清澈,说明裂缝土样在该反滤层的保护下,未发生渗透破坏;这也进一步说明,若分散性土产生裂缝,只要在合适的反滤砂保护下,分散性土是不会发生流失的。通过以上各种试验结果可以充分说明,只要做好反滤层设计,分散性土料是完全可以用作防渗心墙的填筑土料的。3防止裂缝冲刷,促使裂缝自行愈合,确保渗流稳定在高土石坝日益成为首推坝型的情况下,要使防渗体尽量减少裂缝则是可能的。例如,对岸坡突出平台进行削坡,对坝基深厚覆盖层进行预压加固,对坝体中埋管、混凝土防渗墙顶部、混凝土底板及坝基基岩回填高塑性粘土,严格控制施工质量,协调坝体各分区之间的变形等,这些都能有效地减少裂缝的产生。但是保证防渗体不产生裂缝是很困难的。因而防止裂缝冲刷,促使裂缝自行愈合,保证防渗体的渗流稳定就显得尤为重要。由上述试验可知,在合适的反滤层保护下,粉质粘性土防渗体(堤坝)一旦发生贯穿性裂缝时,在较小的水头压力作用下,缝壁崩解下来的土粒只能堆积在水流通道上或发生轻微的跳动,而不能被水流冲走,从而使裂缝自行淤堵愈合。当水头压力超过一定的数值时,由于裂缝中流速增大,缝壁崩解下来的土粒或团粒将不断地被水流冲击而移动堆积到有反滤层保护的裂缝出口处。鉴于粉质粘土裂缝冲刷的这种特点,笔者认为在防渗体两侧(特别是下游侧)铺设级配合理的反滤过渡层是防止裂缝冲刷破坏、达到裂缝自行愈合的最有效的措施;通过试验资料分析,对于保护粉质粘土的反滤料的反滤准则中保土性的要求范围可适当放宽,可取D15/d85≤16.6。对土石坝反滤层进行设计时,要求设计人员不仅仅要依循设计规范,更为重要的是要与试验结果结合起来综合考虑反滤层的设计原则。4土样裂缝冲刷试验渗透变形试验说明,分散性土料在合适的反滤层保护下,具有较高的抗渗性能,也能防止分散性土料发生流失;若心墙土料产生裂缝,在浸水初期阶段,裂缝土不仅能愈合,而且裂缝愈合后能形成较大的坡降,但也存在有裂缝愈合程度是不稳定的情况;有裂缝的分散性土样在合适的反滤层保护下不会受到渗流的冲蚀,分散性土料也不会发生