粗粒土水平渗透及渗透变形试验研究

粗粒土水平渗透及渗透变形试验研究

粗粒土是一种广泛分布于天然建筑材料中的优质材料。由于其具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、强度高、变形小等工程特性,在水利工程建设中得到了广泛应用。粗粒土属于典型的非均质多孔介质,其渗透系数是由高渗透性的卵、砾石和低渗透性的砂、土的渗透系数复合而成。砂、土的渗透系数可以通过室内渗透试验由达西定理计算得出,粗粒土中常含有粒径较大的漂石,其渗透系数很难通过室内渗透试验准确测定。郑瑞华等人研制了垂直方向的大型渗透仪,并对积石峡面板坝的垫层料、过渡料进行了试验,张福海等人研制了粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形测试仪,为内径30cm、高50cm有机玻璃试样筒,测定了卵石夹粉土的垂直渗透系数和临界水力梯度,但没有使用该仪器测定渗流方向为水平方向的渗透试验。本研究采用自行设计大型水平渗透试验装置,对某枢纽工程坝体填筑料(坝壳料、垫层料共8组试料)进行原级配水平渗透及渗透变形试验,研究了水平渗透系数与粗料含量关系,临界水力坡降与粗料含量关系,并对水平渗透系数和临界水力坡降进行了相关性分析,对了解无粘性粗粒土水平渗流特性具有一定的实际意义。1材料和试验装置1.1粒组和存放选择某枢纽工程坝体填筑代表性砂砾料,先进行筛分试验,按粒组分别存放使用。根据设计提供的C2-1料场松散层坝壳料、垫层料及胶结砾石层坝壳料的上、下包线及平均线进行坝体不同分区的土料制备,坝料及填筑要求见表1。1.2水泵加压系统图2水平渗透试验装置由水平渗透仪、供水加压系统、量测系统组成。水平渗透仪采用高1.0m、宽1.0m、长2.8m钢制容器制作,其中:装试料段长1.5m,两端设有带孔隔板;进口段长0.5m,顶部设有排气阀;出口段长0.8m,内装排水体(40～60mm砾石)。供水加压系统采用1m3可升降高位水箱,最大上升高度5.0m,水箱下部进水管与水平渗透仪用法兰1连接,水箱上部有回水管和溢流管与地面循环水箱连接。量测系统由水平渗透仪侧面设的4根测压管与内部砂石料相通,容器出口通过法兰2与8cm直径透明有机玻璃管连接,便于观测泥沙移动情况,有机玻璃管末端设闸阀以便排沙和排水,向上通过法兰3接8cm直径的PVC塑料立管,使出水管轴线高程高出容器顶高程10cm,在出口处测定渗水流量,试验装置见图1。2方法和经验现象2.1初支渗透膜初始渗透试验根据试料填筑干密度及装料容积换算砂石料总重,试料拌匀后分4层装入渗透仪内,采用振动板振动密实。为防止试料在饱和过程中集中渗漏通道下陷,容器顶部压板下设5道海绵垫(外包塑膜)止水。待试料装满后先进行饱和,缓慢提升高位水箱,直至箱内液面高出容器出水高程,打开排气阀进行排气。试验时先根据试样细料含量初判渗透破坏形式,初始渗透比降及递增值选择:坝壳料平均线、下包线初始渗透比降0.04,递增值0.04;坝壳料上包线及垫层料初始渗透比降0.06～0.10,递增值0.10;每次升高水头30min后,开始量测水头差及测压管水位,出水流量采用体积法量测,每个水位观测3次流量,取平均值。2.2坝体内部土壤条件试验过程中通过观测容器出口有机玻璃管内水流现象及测压管内水头变化情况判断细料的运动情况,随着水头高度增加,渗透比降不断增大,试料中开始有泥土(粒径小于0.1mm颗粒)随水流带出,呈雾状。如C2-1料场松散层坝壳料(平均线),当水头差ΔH=48cm时,整个出水管出现浑浊。ΔH=72cm时,坝料中开始有细料(粒径在1～2mm颗粒)跳动,此时认为试料达到临界比降。3结果与分析3.1广义渗透系数kC2-1料场松散层坝壳料水平渗透试验成果见表2,出水管轴线相对高程为114cm,以总水头差计算不同进口水位下的水力坡降,按体积法计算相应水位下的渗透流速。在双对数坐标系上以水力坡降i为纵坐标,渗透流速v为横坐标,绘制lgi—lgv关系曲线,当曲线斜率开始变化,并观察到有细颗粒开始流出时,认为试样达到临界坡降ik,其值等于开始出现管涌时坡降与前一级坡降和的一半。渗透系数根据水力坡降、渗透流速资料,按v=ks×ik进行求解,C2-1料场松散层坝壳料(平均线)广义渗透系数ks=3.0×10-2cm/s,渗流指数m=0.90,临界坡降ik=0.46。其余坝壳料、垫层料渗透系数及临界坡降见表3。3.2分析3.2.1粗料含量对混合料渗透率的影响由图2可以看出,当粗料含量较少时,混合料中粗细料同时起到骨架作用,粗料形成的孔隙完全被细料填满,混合料渗透系数主要取决于细料性质,水平渗透系数较小,渗流规律符合v=ks×im关系式,渗流指数m=1.0,即完全符合达西渗流定律;随着粗料含量的增加,土体骨架作用增强,水平渗透系数有所增大,当粗料含量增加至65%～75%后,混合料达到最优级配,即混合料中粗料形成骨架,细料只起占有全部孔隙的作用,不会改变粗料孔隙体积,此时混合料渗透性取决于粗、细料共同性质,渗流指数m=0.93～0.96,基本符合达西渗流定律;随着粗料含量继续增加至75%～80%后,相应细料较少,细料已填不满粗料骨架的孔隙,致使粗粒土的孔隙开始增大,此时混合料渗透性取决于粗料性质,水平渗透系数骤然增大,渗流指数m=0.85～0.93,已不符合达西渗流定律。3.2.2管涌型渗流破坏特性由图3可以看出,临界水力坡降与粗料含量有着密切关系,当粗料含量大于70%时,粗料能单独形成骨架,细料因含量少填不满骨架孔隙,粗细料间不能紧密接触,在渗透水流作用下相互约束力较小,细料颗粒容易在粗料孔隙中移动。细料含量愈少,约束力愈小,抗渗透破坏能力愈小,颗粒越容易被渗透水流带出,渗流破坏形式表现为管涌型。当粗料含量小于65%～75%时,粗料孔隙全部被细料充填,粗细料成为一个整体,甚至粗颗粒不能彼此接触,被细颗粒撑开,这时粗细料共同参与骨架作用,大小颗粒互相紧密接触,细颗粒不容易被渗透水流带出,致使渗透破坏比降增大,破坏形式转变为流土型。3.2.3渗透系数对临界水力坡降的影响C2-1料场渗透系数与临界水力坡降关系曲线见图4。由图4可以看出,临界水力坡降随水平渗透系数的增加而降低,存在负相关性。水平渗透系数越大,渗流力加大,细料约束力越小,细料越容易移动,抗渗透破坏能力越小。4工程坝体填筑料渗流特性分析由于粗粒土中含有大粒径的漂石,其渗透系数无法通过传统的室内渗透试验准确测定。通过现场注水试验耗时、费力、成本高及易受季节影响。采用自行设计大型水平渗透试验装置,对某枢纽工程坝体填筑料进行原级配水平渗透及渗透变形试验,研究了无松散粗粒土水平渗透系数、临界水力坡降与粗料含量关系,并对水平渗透系数和临