土工格栅加筋土石混合坝渗透稳定性试验研究

土工格栅加筋土石混合坝渗透稳定性试验研究

0坝上地区反滤层间关系黑河引水工程金盆水生植物位于大型工程中，水库为心墙土石混合水库，高133m。粘土心墙下游的水库材料为反滤砂、混合反滤材料和水库外壳砂卵石。反滤层的等级配置和层间关系是否满足反滤要求，直接关系到水库的安全运行。为了为设计单位提供可参考的防洪工程材料的渗透稳定性、抗洪工程的渗透性指标和参数，并控制透流，必须研究建坝材料的渗透稳定性。1试样材料的密度试验按规程规定对试验用料的超粒径部分用等重量代替法进行代替后进行试验;反滤料采用的是渭河砂,混合反滤料和坝壳料用的是黑河下游的河床砂卵石;渭河砂、混合反滤料、坝壳料和坝基砂卵石的试验级配见图1。根据黑河大坝的粗粒料的级配,计算了各种试料的不均匀系数,并分别对渭河砂、混合反滤料、坝壳料和坝基砂卵石进行了相对密度试验,其试验结果见表1。试验时各试样的制样密度均采用相对密度Dr=0.8时的各种材料的设计干密度。试验用的心墙土料的土性指标见表2。2试验方案和试验分类根据筑坝材料的物理性质,渗透变形的几种形式及施加水压力的方向,将试验分为:管涌(流土)试验、接触流失试验、接触冲刷试验和裂缝冲刷试验。2.1土层结构的测定在渗流作用下,渗流水自下而上通过无粘性土层,在一定渗透力作用下无粘性土中的细颗粒从粗颗粒所形成的孔隙通道中连续移动和被带出为管涌,若土体整体浮动则为流土。2.1.1坝体管涌试样的试样研究对于反滤砂渭河砂的管涌试验在Ф=10cm的管涌仪内进行,采用真空抽气法饱和试样;对于混合反滤料、坝壳料和坝基砂卵石的管涌试验在Ф=28cm的垂直渗透变形仪内进行,采用水头饱和法饱和试样;各试样的管涌试验的水流都是以自下而上的方向流动,试验压力分级施加,在每级压力稳定后测记三次流量,计算平均流速、渗透坡降及渗透系数,直至试样渗透破坏。各筑坝材料管涌试验结果见表3、图2。2.1.2管涌型砂流土临界坡降计算由图2可看出:在双对数坐标面上各试样管涌试验的渗透流速与渗透坡降关系曲线几乎都是以45°方向延伸,直到发生渗透破坏,各自的破坏形式与依斯托美娜根据不均匀系数判别无粘性土的渗透破坏形式(Cu<10为流土型破坏,10<Cu<20为过度型破坏,Cu>20为管涌型破坏)的结果相符。对于渭河砂来讲,用太沙基的砂流土破坏的抗渗强度公式:i=(Gs−1)(1−n)i=(Gs-1)(1-n)式中:Gs——土粒比重2.65;n——土体孔隙率。计算出三种级配砂的临界坡降:细包线为1.27,平均线为1.099,粗包线为1.076。试验结果虽然为破坏坡降,但抗渗强度细包线稍大,粗包线稍小的规律,理论计算与试验结果相同。对于混合反滤料、坝壳料及坝基砂卵石来说,它们都为砂卵石,以小于5mm的细粒含量为横坐标,以破坏坡降为纵坐标,绘制细粒含量与破坏坡降关系曲线见图2。从图2可以看出:无论是混合反滤料、坝壳料,还是坝基砂卵石,它们各自的抗渗强度与构成的细粒含量有很大的关系,即就是随着细粒含量的增加,试样的抗渗强度也增加,细粒含量越多,抗渗强度越高,细粒含量越少则抗渗强度越低。2.2接触流失试验模拟渗透水流方向垂直于两种渗透系数相差较大的土层中的渗透水的流动,渗透水流将渗透系数较小的细颗粒带入渗透系数较大的土层中的试验称为接触流失试验。2.2.1坝体接触流失试样的制备对土与砂组合的接触流失试验采用Ф10cm垂直渗透变形仪,试样上部为土样,下部为砂样,采用真空抽气饱和法进行饱和,在试样淹没条件下进行试验;对砂与混合反滤料、混合反滤料与坝壳料组合的接触流失试验采用Ф28cm抗渗透仪,采用水头饱和法自下而上饱和试样,采用分级自上而下高水头进行试验;各种组合试验在每级水头稳定后,测量渗透流量,计算渗透坡降和流速,直至试样渗透破坏。各组合材料的接触流失试验结果见表4、图4～5。2.2.2渗透流速与坡降等速增长型从图4可以看出,对于砂的细包线与混合反滤料粗包线来讲,坡降在10.0以下试样的渗透流速与渗透坡降几乎是等速递增,曲线沿45°方向发展;当渗透坡降大于10.0以后,坡降的增加值大于流速的增加值,说明反滤砂中的细颗粒被渗透水流带入混合反滤料内,一小部分渗流通道被细颗粒堵塞;当渗透坡降大于42.4后,渗透流速迅速增加,曲线向小于45°方向偏转,试样逐渐破坏。对于混合反滤料的细包线与坝壳料粗包线的接触流失试验来讲,从图4可以看出,渗透流速与渗透坡降在3.0以下时,其流速与坡降几乎是等速增加;坡降在3.0～4.9之间时,曲线几乎是垂直上升,说明坝壳料内的细颗粒被渗透水流带入混合反滤料内,渗流通道被堵塞;渗透坡降在4.9～11.8之间时,曲线又开始向45°方向发展,说明堵塞的渗流通道被水流冲开;坡降到11.8以后,渗透流速迅速增加,试样逐渐破坏。对于土料与反滤砂的接触流失试验,从图5可以看到,渗透坡降在260.0以下时,流速与坡降等速递增,各自的渗透系数基本维持不变,三条曲线均向45°方向沿展,当坡降到260.0以后,三条曲线才各自沿着不同的方向发展,但其破坏坡降都相当大;由于土与反滤砂的渗透系数相差万倍以上,反滤砂排泄条件较好,其内部渗透坡降很小,由此看来试样渗透性几乎与反滤砂无关,主要决定于被保护土的渗透性。2.3土粒流失情况接触冲刷试验其目的也是测定试料的抗渗性能的一种手段,与接触流失试验不同,接触流失试验主要反映被保护样在保护样的保护下,在水流沿其垂直界面流动时土粒流失情况;而接触冲刷试验模拟渗透水流沿平行于两种不同土层的接触面方向流动时,两种试料接触面上被渗透水流冲刷的情况。大坝渗流场计算表明,水渗出心墙后,主要沿土砂接触面方向而流动;为了了解土料的抗冲刷强度应进行土与砂接触冲刷试验,为设计单位提供参考数据。2.3.1试样高度和渗透温度接触冲刷试验的试验仪器采用箱型水平渗透变形仪,试样长30cm,宽30cm,土、砂高各15cm,采用水头饱和法,每次缓慢升高2～3cm水头饱和试样,直到试样顶;在试样进出口段和中部各装有测压管,用以量测试样上下游及中部的压力变化;试验时水流沿接触面自上而下通过试样,分级施加压力,每级压力下稳定后测记2～3次渗流量,计算渗透流速和渗透坡降;现以其中一组比较典型的试验为例,绘制渗透流速与渗透坡降的关系曲线对其试验结果进行分析,见图6。2.3.2渗透坡降试验结果由于土和砂的渗透系数相差万倍,渗流部位主要集中在砂内部,图6曲线反映了渗透水流沿接触面流动时砂样内部的结构及抗渗强度的变化规律。从图6可以看出,进口段在很小的坡降(约为0.3左右)下渗透水流就会使细小颗粒移动堵塞渗流通道,使渗透性逐渐变小;渗透坡降在0.3～1.0之间,坡降的递增值大于流速的递增值,甚至流速出现负增长,曲线以接近垂直方向上升,说明试样内部渗流通道被堵塞;当坡降增至1.0～2.0之间时,坡降的递增值小于流速的递增值,曲线向小于45°的方向发展,说明原堵塞的渗流通道又被水流冲开;当坡降继续增加至2.0～12之间时,流速的递增值稍小于坡降的递增值,曲线又向大于45°的方向发展,说明试样的进口段又有渗流通道被逐渐堵塞;全程段坡降增至7.6以后,出口段的iv曲线与进口段的iv曲线一致,渗透流速增大,曲线末端向大于45°的方向发展,说明试样内部的细颗粒被渗透水流带走。从上面的分析可以看出:虽然砂能够保护土料不发生流失、冲刷,但砂样本身结构不稳定,在极小的渗透坡降下颗粒会发生移动,使砂样的内部结构和渗透性发生变化。3土料与反滤砂的接触流失试验,对于基(1)混合反滤料、坝壳料及坝基砂卵石的自身抗渗强度与各自的细粒含量有密切的关系,即就是随着细粒含量的增加,试样的抗渗强度也增加,细粒含量越多,抗渗强度越高,细粒含量越少则抗渗强度越低。(2)