多层堤基中土层结构变化对管涌影响的试验研究

不同土层结构的堤基,管涌的发生和发展情形不同。利用室内试验,通过改变下伏砂层内夹砂层的级配组成,对3种不同夹砂层的多层堤基进行了管涌破坏过程的模拟,研究了不同颗粒级配组成的夹砂层对管涌发生及发展过程和机理的影响。试验结果表明,多层堤基夹砂层均为细砂时,承受的水压力较大,临界水力梯度较高,一旦发生管涌破坏后其渗透流量、涌砂量以及破坏范围都比较大,所以此类堤基发生管涌破坏时具有一定的突然性和剧烈性,应及早采取防治措施;夹砂层均为粗砂时,管涌破坏时的情形与双层堤基类似,管涌破坏的范围局限于砂砾层顶部,破坏深度有限;夹砂层为细砾时,发生管涌破坏的临界水力梯度较小,管涌破坏程度逐步增加且破坏速度较快,由于涌砂量较大容易使堤基产生明显的渗透变形。     

单层堤基管涌侵蚀过程的模型试验及数值分析

利用砂槽模型试验研究单层堤基的管涌侵蚀破坏过程,并建立单层堤基管涌侵蚀破坏发展过程的概化数学模型和数值模拟方法。结合模型试验结果和数值模拟结果,分析单层堤基管涌侵蚀破坏的机理及侵蚀破坏过程。研究管涌局部破坏的临界比降及不同渗径长度对管涌侵蚀破坏的影响。计算结果表明:①模型试验和数值模拟结果较好地揭示单层堤基管涌侵蚀破坏过程,即当上游水头低于临界水头时,管涌存在发生、发展和停止的过程。当上游水头大于临界水头时,管涌将持续发展并最终导致溃堤破坏,计算结果和试验结果吻合较好;②得到砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据,较好地解释模型试验的一些现象,提高对管涌溃堤机理和过程的认识;③单层堤基管涌破坏的临界水头和临界水平平均比降与砂层局部破坏的临界水平比降近似呈线性关系;④单层堤基管涌破坏的临界水平平均比降随着渗径长度的增大而增大,并且大体上呈线性关系。     

双层堤基管涌破坏过程中上覆层渗透破坏发生发展的 试验与分析

利用室内试验模拟了刚性盖板下双层堤基渗透破坏的过程,研究了堤基发生管涌破坏后对上覆黏土层的影响。通过肉眼观察,照相机辅助拍摄及试验过程中测压管水位,流量和出砂量等的变化,分析了管涌过程中刚性盖板下黏土层破坏的发生及发展过程。堤基发生管涌破坏后,砂层上部细颗粒逐渐流失,形成强渗流通道并逐步向上游发展。渗流通道与上层黏土之间形成脱空,黏土层发生轻微沉降变形,在水流作用下产生不均匀变形导致黏土层中裂纹的产生并在水力劈裂作用下裂纹逐渐变成裂缝并越来越大,水流通过裂缝在塌陷黏土与刚性盖板之间急速流动,产生冲刷,破坏范围随管涌的发生向上游发展。黏土层的破坏促进了管涌的发生,而管涌通道不断向上游发展也加速了黏土层的破坏,两种过程相互作用,相互影响。     

双层堤基渗透破坏机制和数值模拟方法研究

 归纳和分析不同覆盖层模拟材料对堤基渗透破坏发展影响试验的现象和结果。在此基础上对堤基渗流破坏产生和发展的机制进行分析,提出反映堤基渗透破坏本质的2个判据,即土体单元应力强度和颗粒在水中滚动力矩2个极限平衡判断条件。根据试验现象观察,采用二维轴对称对堤基渗透破坏渗流场进行模拟,将覆盖层对下卧砂层的影响简化为对堤基应力场的改变,再利用提出的2个判据,对堤基渗透破坏发展过程进行数值模拟研究。数值模拟结果和试验对比表明,上述模拟方法和判据合理、可行。     

双层堤基管涌发生发展的试验模拟与分析

利用室内试验模拟了双层堤基管涌的发生及发展过程。通过分析水头分布、流量、以及出砂量等的变化,将破坏的发生及发展归结为4个阶段：上覆层破坏前的稳定阶段、上覆层破坏阶段、上覆层破坏后的稳定阶段、整体破坏阶段。研究发现,在上覆层破坏前,上覆层承担了大部分的水头差,当上覆层破坏后,这部分水头差转由下伏砂层承担,造成下伏层水力梯度的升高,如果水力梯度超过了下伏层的临界水力梯度,则下伏层发生渗透破坏。一次渗透破坏发生后,降下上游水头,重复增加水头的过程,模拟地层在多次渗透破坏作用下,地层抵抗渗透破坏能力的变化。发现一旦渗透破坏发生后,地层再次抵御渗透破坏的能力急剧下降,多次破坏后,试样内形成贯穿上、下游的集中渗漏通道,且通道规模随着试验次数的增加而增长,若不及时采取有效措施,当通道规模发展到一定程度后,通道上部会发生塌落而使堤坝产生溃口,进而使堤坝溃决。     

同马大堤堤基防渗方法研究

讨论了同马大堤堤身土质状况,对同马大堤堤基土层结构进行了分类,通过渗流计算提出了同马大堤典型断面堤基防渗处理措施。针对同马大堤堤基土层结构的特点,提出了堤基防渗处理的原则。堤防防渗方案的选择,必须顾及堤基土体的物理力学性质及堤基周围的人文及地理环境要素,同时应考虑到用于堤防防渗处理的经费,然后通过多种方案的比较,找出其中最为合理的堤防防渗处理措施。     

西藏山南地区某土石坝材料渗透性能试验研究

利用大型试验装置,研究了西藏山南地区某水库工程土石坝渗透特性,得到了坝壳料、过渡层及覆盖层渗透系数和水力破坏比降,研究结果为土石坝渗控措施设计及渗流稳定性分析提供了基础数据。     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48cm,浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段(0.05d≤0.075粒级砂土流失)、较细颗粒流失阶段(0.075d≤0.1粒级砂土流失)、管涌破坏扩大阶段(0.1d≤0.25粒级砂土流失)。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究

 在实验室渗流槽中进行有悬挂式防渗墙的二元结构堤基的渗流模拟试验,取得不同贯入度悬挂式防渗墙防渗效果的系列试验成果。论证悬挂式防渗墙对上层为低液限黏土、下层为低液限粉土的二元堤基在发生渗透变形时有阻滞渗透变形发展的重要作用。对于上部为粉质黏土,下部为粉土的二元结构堤基,发生渗透变形时首先在粉土层的薄弱部位发生涌砂,接着在粉质黏土层与粉土层的结合层面发生接触冲刷,在水位持续升高到超过临界水位后,渗透通道从下游向上游发展而贯通,即发生渗透破坏。同时,研究发现,在悬挂式防渗墙作用下,堤基土发生渗透破坏的条件有明显改善,表现在渗透破坏时的作用水头有较大的增长,临界表观水力梯度有明显提高,渗流量显著减小,孔隙水压力分布发生变化。研究结果表明,悬挂式防渗墙可以有效控制渗透破坏的发生条件,而且施工相对容易,也比较经济合理,可以在工程中推广应用。     

粉细砂渗透、渗透变形参数统计分析研究

粉细砂具孔隙大、干密度低、无粘性、抗冲能力低、渗透稳定性差等特性,在渗透水作用下,易产生流砂,涌砂等地质灾害。为进一步研究粉细砂渗透、渗透变形特性,统计分析了8个工程51个试样的粉细砂渗透变形类型、参数。结果表明不论不均匀系数≤10或10,其渗透变形类型均为流土,临界比降、破坏比降,渗透系数常见值分别为0.6~1.5,0.8~2.4、8.0×10~(-3)cm·s~(-1)~3.0×10~(-4)cm·s~(-1),且临界比降和破坏比降有较好的相关性。     

向家坝水电站左岸坝基破碎岩体渗透变形特性试验研究

坝基岩体的渗透变形特性关系到大坝能否安全运行。针对向家坝水电工程坝基存在的挤压破碎带问题,通过常规的渗透变形试验方法和改进后的渗透变形试验方法,对左岸坝基破碎岩体渗透变形特性进行了全方位的试验,通过综合分析 3 种不同试验方法得到的试验结果,深入研究了坝基破碎带岩体的渗透变形特性。研究表明左岸坝基破碎岩体受扰动越严重,其临界水力坡降值就越小;在分析引起临界水力坡降差异的本质原因后,提出了坝基破碎带的临界水力坡降合理取值建议。     

考虑基桩影响的粉砂地基深基坑流砂模型试验研究

采用自制的基坑工程渗流、渗透破坏模型试验装置,通过对水头与土体变形的观测,研究均质砂土与粉土地基基坑工程中考虑基桩影响的渗透破坏问题,揭示基坑工程土体渗透破坏模式.结合有限元数值模拟分析,从土体应力状态改变的角度研究基坑工程的渗透破坏机制,并分析基桩对土体渗透破坏的影响以及渗流对基桩受力变形的影响.研究成果表明,受渗透力的作用,围护结构底部土体首先进入塑性状态,当坑内土体形成贯通的塑性区时,即发生渗透破坏.在均质地基中,其模式为楔形体破坏.受黏聚力的影响,粉土破坏时的水头差较砂土大,同时基桩的影响也会增大破坏时的水头差.     

挤压破碎带原位岩体高压渗透变形试验方法

某大型水电工程重力坝坝基为发育规模较大的挤压破碎带,为准确了解挤压带的渗透变形特性,现场模拟电站建成后的水力条件,采用原位高压渗透变形试验,研究挤压破碎带岩体渗透变形破坏形式和程度,确定挤压带的渗透坡降(临界坡降、破坏坡降)及破坏类型。     

Centrifuge modeling of scale effect on hydraulic gradient of backward erosion piping in uniform aquifer under river levees

The hydraulic gradient that causes backward erosion piping under a river levee is influenced by the scale of the levee, which is a major concern in the physical modeling. In this study, the results of 1 g and centrifuge tests performed on backward erosion piping were analyzed to facilitate a better understanding of the scale effect mechanism. The three-dimensional profile of the pipe and the flow rate of water in the pipe were observed using a transparent model levee. Although the flow in the pipe was determined to be laminar in most tests, it was found to be transient and turbulent in the coarse sand model at high g levels. The hydraulic gradient in the pipe was significantly high in the turbulent flow. Additionally, the scale effect was investigated based on the hydraulic conditions that cause sand transportation in an ideal pipe. The critical Shields number (θ_c), estimated for the model pipes, was consistent with that observed in the Shields diagram. The effects of centrifugal acceleration on the hydraulic gradient of the extending pipes can be explained by the change in θ_c with the particle Reynolds number and the hydraulic gradient in the pipe.     

考虑土对水吸附性的渗流破坏理论与应用

 工程实践和模型试验结果都表明,上覆土层往往能够承受比自重压力更大的水头压力,目前还没有相关理论能够解释这一现象。考虑土颗粒对孔隙水的吸附性及结合水的连通情况,提出广义浮力、浮重度及广义水力梯度概念,给出具体的计算方法;明确计算中所用的参数 , 和 的物理意义,建议了估算 的方法,设想了测定 和 的方法,提出 与起始水力梯度 的理论关系式。这些方法考虑土层性质的差异,针对砂土和疏松土,广义浮力、广义浮重度及广义水力梯度变为传统的阿基米德浮力、浮重度及水力梯度。进一步得到不同土层中渗流力的计算方法,最终,得到土体在地下水作用下破坏条件的统一表达式,该公式可以解释土体在地下水作用下的几种不同破坏模式。依据该理论,基坑抗渗流稳定性和抗承压水稳定性的计算方法都应被修正,目前采用的计算方法都只是适应于砂土和疏松土的计算方法。采用该方法对不同组合的土层在地下水作用下的稳定性进行分析,得到的一些结论与传统说法并不相同。如：基坑围护结构插入深度分析时,如果不存在承压水作用,黏性土中的基坑很难发生渗流破坏,粉土地层中基坑的抗渗流破坏能力比砂土中的大;基坑抗承压水突涌分析时,如果上覆土层有一定渗透性,传统的压重平衡计算结果偏于不安全,含有一定量粉土的承压水层的上覆土层抵抗承压水能力会有所提高。最后,以上述成果为基础对水土压力统一计算理论做了修正。     

Centrifuge model tests on the use of geosynthetic layer as an internal drain in levees

The objective of the paper is to examine the use of a geosynthetic layer as an internal drain in a levee subjected to flooding through centrifuge model tests. Three levee sections, having an upstream slope of 1V:1H and downstream slope of 1.5V:1H, were modelled at 30 gravities in a 4.5?m radius large beam centrifuge available at IIT Bombay. Out of the three levee sections modelled, one levee section was without any drainage layer (or clogged drain), while the other two had different types of horizontal drainage layers, namely, sand and nonwoven geotextile layer. The flood was induced with the help of a custom developed and calibrated in-flight flood simulator. At the onset of flood and subsequent seepage, pore water pressures within levee section, and surface settlements were measured using pore water transducers (PPTs) and linear variable differential transformer (LVDTs) respectively. Digital image analysis was employed to trace surface settlements, and downstream slope face movements at the onset of flooding during centrifuge tests. Levee section without any horizontal drain or clogged drain experienced a catastrophic failure. In comparison, the levee sections with an internal drain (sand/geotextile) remained stable at the onset of flooding. In the case of a levee with a sand drainage layer, the phreatic surface was observed to confine within the levee section itself, whereas it was found to migrate towards toe gradually in the levee section with a nonwoven geotextile layer. It is attributed to either due to suppression of drainage capacity of nonwoven geotextile layer or due to washing of fine particles into pores of nonwoven geotextile layer. Further, seepage and stability analyses were carried out numerically and compared with centrifuge test results. In order to address blocking of pores of nonwoven geotextile layer, a concept of sandwiching nonwoven geotextile layer with sand was explored. By sandwiching nonwoven geotextile layer with sand on either side, the thickness of drainage layer can be of the order of 0.05H.     

堤防失事风险分析和风险管理研究

基于堤防渗透破坏和岸坡滑动失稳风险的数学模型，提出了场地砂土地震液化和堤防失事综合风险分析的数学模型，以及堤防风险管理的概念；以南京市板桥河左岸堤防加固工程为例，应用风险分析理论和方法对该段堤防渗透破坏风险、岸坡滑动失稳风险、场地砂土地震液化风险以及堤防失事综合风险进行了分析研究；通过1995年板桥河左岸堤防典型破圩实例建立整个板桥河堤防渗透破坏风险率监界值、岸坡滑动失稳风险率临界值以及堤防失事综合风险率临界值；同时基于风险分析的结果和所建立的风险率临界值，根据风险管理的理论，针对板桥河左岸堤防加固工程提出降低风险的措施，对堤防汛期洪水位运行管理提出建议。其理论、方法、思路和结论可供同类工程借鉴。