碎石土渗透特性试验研究

碎石土渗透系数是渗流分析及边（滑）坡稳定性评价等问题的关键参数。由于碎石土具有非均质性、非连续性以及影响因素多等独特性质,研究碎石土渗透特性的困难较大。利用大型渗透仪,试验研究了碎石含量、孔隙比和颗粒级配对碎石土渗透系数的影响规律,分析了渗流前后颗粒级配变化及其对渗流特性的影响,以及碎石含量、孔隙比大小对渗流前后颗粒级配变化的影响。结果表明:碎石含量与渗透系数之间关系符合指数关系;孔隙比与渗透系数之间的关系符合多项式拟合关系;特征粒径、不均匀系数和曲率系数与渗透系数之间的关系符合线性拟合关系,颗粒级配对渗透特性的影响主要是不均匀系数和特征粒径,曲率系数影响较小;渗流前后颗粒级配的变化与水力梯度有关。     

覆盖层不良级配砂砾石料渗透稳定特性及影响因素探讨

通过覆盖层管涌土料在不同密度、不同级配、不同应力条件下的渗透与渗透稳定试验,探讨各影响因素对渗透系数及抗渗破坏水力比降的影响。试验结果表明,细粒含量对渗透系数及破坏水力比降的影响较大,随着细粒含量的增加,破坏型式从管涌型向过渡型转变,破坏水力比降也增大;干密度越大,渗透系数越小,破坏水力比降越大;水流方向对渗透系数影响不大,对破坏水力比降略有影响;上覆压力对渗透系数及破坏水力比降均影响,主要是施加上覆压力后,细颗粒往出口移动除了克服自重外,还需抵消上覆压力分解来的压力。     

缩尺方法对粗粒料密度和渗透性影响的试验研究

依据规范推荐的粗粒料超径处理方法,对最大颗粒粒径为200 mm的宽级配料进行缩尺,控制最大颗粒粒径分别为60,20 mm,获取多条模拟级配,对原始级配、模拟级配粗粒料进行最大干密度试验和渗透试验,以研究不同缩尺方法、不同最大颗粒粒径条件下,粗粒料密度和渗透性的变化规律。结果表明:对于最大干密度试验,采用同种缩尺方法获取的最大干密度随最大颗粒粒径的减小而减小,表明粗颗粒的骨架作用显著。因缩尺后的P5含量使细颗粒处于较好的填充状态,可获得较高的最大干密度,其模拟级配试验值更接近原始级配,在此原则下相似级配法和混合法优于剔除法和等量替代法。对于渗透性试验,采用同种缩尺方法处理的最大颗粒粒径较小的试样,其渗透性也较小。细粒料土(尤其是粒径小于5 mm)的含量对渗透系数起到控制作用,缩尺处理应以尽量不改变较细粒料土的含量为原则。此原则下等量替代法最适用。     

砂砾石土渗透变形特性的应力状态相关性试验研究

渗透变形是砂砾石土地基及堤防结构破坏的常见形式之一。影响砂砾石土渗透变形的因素很多,其中颗粒级配及应力状态是最重要的两个因素。为研究土体应力状态大小对砂砾石土渗透变形临界水力梯度的影响,通过研制大直径渗透变形仪加载系统,完成了侧限条件下砂砾石土在0.1、0.3、0.6、0.9MPa铅直应力作用下的渗透变形试验。试验成果及理论研究都表明砂砾石土渗透变形临界水力梯度随着应力状态的提高而加大,两者之间近似呈线性增加关系。渗透变形过程中,砂砾石土产生的渗透挤密和潜蚀现象是引起渗透系数演化的内在原因;基于渗透系数先减小再增大的变化规律,提出了应用渗透系数变化过程线确定渗透变形临界水力梯度的新途径。     

考虑饱和渗透系数的宽级配土渗流侵蚀过程室内试验研究

【目的】宽级配土是堤防的主要填料,其在水力梯度作用下会发生内部侵蚀直至管涌破坏。渗流侵蚀过程会改变土体性质,进而影响饱和渗透系数。依据饱和渗透系数演变规律,探究土体渗流侵蚀过程,有助于工程安全性评价与渗透破坏预测防治。【方法】采用自制渗流侵蚀试验仪,通过逐级升高渗透水压力,开展土体侵蚀过程试验,测量饱和渗透系数和细颗粒流失量,探究级配与干密度对渗流侵蚀过程的影响。【结果】结果显示：依据饱和渗透系数演变规律,渗流侵蚀过程可分为侵蚀前期阶段、侵蚀发展阶段和侵蚀破坏阶段,从而定义了渗蚀发展临界水力梯度和渗蚀破坏临界水力梯度;宽级配土的渗蚀发展临界水力梯度与渗蚀破坏临界水力梯度均随级配参数D₁₅/d₈₅增加而减小;当细颗粒含量处于欠填状态时,渗蚀发展临界水力梯度随细颗粒含量增加而减小,渗蚀破坏临界水力梯度随细颗粒含量增加近似线性增大;当细颗粒含量处于满填状态时,两种临界水力梯度与累积细颗粒流失率均随着干密度增加而增大。【结论】可见,由于渗透侵蚀造成的饱和渗透系数变化显著地受土体级配与密实状态的影响。     

砾石心墙土复杂应力耦合作用下的渗流特性

为研究土石坝中心墙土在复杂应力状态下的渗透特性以及其渗透性演变模型,利用自行研制的渗流-应力耦合试验装置,针对长河坝水电站砾石土进行多种应力耦合作用下渗透特性试验研究。结果表明:复杂应力状态对心墙土渗流特性影响显著;土样在设计水力梯度内渗流满足达西定律,且均未发生渗透破坏;在同一围压下,砾石土体的渗透系数随着偏应力和轴向应力的增大而逐渐减小;试验过程中轴向应变随应力作用时间的变化呈阶梯状,且随着偏应力的增大,渗透梯度和轴向应变也增大;建立了土体渗透系数与应力函数的经验公式,从理论上进一步揭示了砾石心墙土应力耦合作用下的渗透机制。     

不良级配粗粒土渗透变形的数值试验

针对单一粒径粗粒组和细粒组混合而成的不良级配粗粒土,采用计算流体力学与离散元耦合方法,考虑孔隙水与固体颗粒的相互作用,模拟了一定水力比降作用下的渗透变形过程,研究了细粒的运动规律,对比分析了初始细粒含量对渗透变形过程的影响。在水力比降作用下,土样中细颗粒运移会经历两个阶段,初期渗透压密,运动速度较低,之后随着渗透变形发展,渗流通道和运移通道逐步开敞,细颗粒运移速度加快。渗透变形发展过程中,土样出水口和入水口位置细粒含量降低、局部水力比降减小,而中部细粒含量增大、局部水力比降缓慢增加。当土样中初始细粒含量达到40%时,土样中部细粒含量会提高,并逐渐出现明显淤积层。土体渗透变形取决于整个渗径上的渗透稳定性,土料自身颗粒粒径几何关系确定的内部稳定性不能完全表征土体的渗透稳定性。     

多尺度水泥基材料渗透性与孔隙关系模拟研究

水泥基材料是以水泥为基本胶结材料的多孔介质，孔隙率、孔隙尺寸及结构决定其渗透特性。对于低渗透性水泥基材料，物理测定其水力渗透系数较困难。为此，从细观尺度着手，基于向上扩展多尺度法，随机生成不同孔隙率的渗流三维模型，采用分级计算、逐级逼近方式，实现细观与宏观模型材料参数传递；应用图型结构与Dijkstra算法，判断孔隙连通性，研究了水泥基材料渗透性与其孔隙参数的关系。研究结果表明：(1)等效渗透系数随孔隙宽度的增加而增大，与孔隙尺寸的平方近似成正比。(2)孔隙的连通性随着孔隙率的增大而增强，有效孔隙率随之提高，等效渗透系数与有效孔隙率成二次函数关系。(3)当总孔隙率小于或等于0.2时，孔隙网络将不再连通，水泥基材料可视为不透水介质。     

细粒含量对垫层料冻胀性的影响

基于对寒冷地区面板堆石坝垫层冻胀变形大小进行研究,以细粒含量为研究重点,利用自制的试验装置,进行了系列室内冻胀试验,研究了不同细粒含量、相对密度对垫层料冻胀变形的影响规律。试验发现:细粒含量较小时,试样冻胀率随相对密度增大而增大;而细粒含量较大时,试样冻胀率随相对密度的增大先增加后减小。对基于孔隙模型试验结果的分析表明:垫层料冻胀率随表观孔隙数量n的变化呈现先增大后减小的规律,即存在一个临界值n*,当表观孔隙数量n超过该临界值时,垫层料冻胀率随表观孔隙数量n的增大反而减小。提出了有效孔隙数量n'的概念和计算办法,分析试验结果显示,垫层料冻胀率随有效孔隙数量n'呈单调变化趋势。     

一维低渗透介质非达西渗流实验

该文选取黏质粉土、粉质重亚黏土、粉质重黏土1和粉质重黏土2四种细粒土样作为实验介质,开展一维土柱渗流实验,研究了低渗透介质中的渗流规律,并通过调节进出水端的水头差,同时观测出水流量,分析水力梯度和渗透流速之间的关系.实验结果表明:土样粒径的分布对渗流规律起决定性作用,即随着土样介质中黏粒含量的增大,渗流由达西流变为非达西流,且黏粒含量越高,非达西现象越明显,当渗透系数低于10-5 cm/s数量级时,该非达西流中水力梯度和渗透流速满足二次方程关系.此外,对比粉质重亚黏土和粉质重黏土,可以明显发现渗流存在着启动水力梯度,且启动水力梯度会随着黏粒含量的增大而增大.     

结构面特征及应力边界对岩体渗透系数的影响研究

裂隙岩体介质渗透特性是研究地下水问题的重要参数,不仅取决于结构面产状规律同时与所处地应力环境相关。本文针对裂隙岩体渗透性问题,考虑结构面分布随机性,利用UDEC软件,通过多个数值分析模型,研究了结构面特征和应力边界条件对裂隙岩体等效渗透性的影响。结果表明：裂隙倾角、间距、隙宽和迹长对岩体的渗透特性均有明显影响,裂隙倾角与渗流主方向较为接近时,该方向的岩体渗透系数较高;岩体的渗透系数随裂隙间距的增加呈幂函数降低趋势,随隙宽的增加而增大;各渗透分量均随迹长的增加而增大,但增长速度由快变慢;岩体所赋存环境地应力场对岩体的渗透系数有明显影响,地应力水平的提高会导致有效水力隙宽减小,进而降低岩体的渗透性,渗透系数随地应力的变化基本呈线性关系。     

压缩过程中粗粒土渗透性变化的试验分析

为了研究影响粗粒土渗透系数大小的因素,采用实际工程用砂,通过不同条件下室内渗透试验,分别研究了粗粒土的粒径大小、干容重及相对密实度对渗透系数的影响。结果表明:对于同一粒度成分的粗粒土而言,其渗透系数随干容重的增加而减小,随相对密实度的增加而减小;在粗砂粒范围内,渗透系数随均值粒径的增大而快速增大;在细砾土粒径范围时,渗透系数随均值粒径增大的现象不显著。研究结果表明压缩作用使砂粒土渗透系数的减小较为显著,而对细砾土渗透系数的影响不明显。     

压力-溶解耦合作用下岩盐渗透特性演化试验

为分析老挝东泰钾盐矿区开发过程中遇到的地下水渗漏问题,采用岩土渗流-侵蚀-应力耦合试验装置,对采自矿区的岩盐原样进行压力-溶解耦合作用下的渗透特性演变规律试验。试验结果表明:岩盐试样的平均渗流速度随着水力梯度的增大先减小后增大;岩盐试样的渗透系数随着水力梯度的增大先快速减小,然后缓慢增大,最后逐渐趋于稳定的趋势;岩盐渗透特性的演化规律受到溶解作用和围压作用的共同影响,溶解作用促进渗流通道的形成,增强岩盐试样的渗透性,而围压作用则使渗流通道趋于闭合,降低岩盐试样的渗透性,这是一个相互促进、相互抑制的过程;溶解作用会促使岩盐试样内部进一步向不均匀的集中渗流通道发展,深刻影响岩盐的渗透特性的演变规律。     

岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究

针对渗透性尺寸效应涉及的影响因素众多、导致其演变规律及主控因素还不甚明了的问题,基于Comsol数值模拟软件,开展岩体单裂隙渗透性尺寸效应的数值模拟研究。建立开度服从正态分布的大尺寸岩体单裂隙模型(试样尺寸为5 m×5 m),在同一大尺寸试样上选取系列尺寸岩体单裂隙试样,并开展相应尺寸岩体单裂隙的渗透数值试验,观察岩体单裂隙渗透性随尺寸变化的演变规律。通过改变粗糙度、水力梯度和裂隙开度等参数,研究不同因素对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响,确定其中的主控因素。数值模拟结果表明:岩体单裂隙的渗透性随试样尺寸的增大而增大,随后趋于一稳定值,其对应的试样尺寸即为临界尺寸;临界尺寸随粗糙度的增加、水力梯度的降低、裂隙开度的减小而增大;相较于粗糙度和水力梯度,裂隙开度对岩体单裂隙渗透性尺寸效应的影响更显著。     

粗砂中细粒含量对其渗透系数的影响

本试验利用土样管渗透仪测定了不同细粒含量的粗砂的渗透系数,通过试验分析发现粗砂的渗透性能随着细粒含量的增加整体上呈下降态势,当细粒含量超过30%时,渗透系数趋于稳定。     

砂砾石土渗透变形特性的应力状态相关性试验研究

渗透变形是砂砾石土地基及堤防结构破坏的常见形式之一。影响渗透变形的因素很多，其中颗粒级配及应力状态是最重要的两个因素。为研究土体应力状态大小对砂砾石土渗透变形临界水力梯度的影响，通过研制大直径渗透变形仪加载系统，完成了侧限条件下砂砾石土在0.1、0.3、0.6、0.9MPa铅直应力作用下的渗透变形试验。通过对实验结果的整理分析，结合考虑土体附加应力状态对临界水力梯度影响的理论研究，得到了渗透变形临界水力梯度随着应力状态的提高而加大的变化规律。通过对渗透变形试验过程中现象观察及渗透系数动态变化规律分析，建议了结合渗透变形试验中渗透系数变化过程线确定临界水力梯度的新方法。     

微生物矿化对黏土渗透性影响的试验研究

为探究矿化对黏土渗透性的影响,采用球形赖氨酸芽孢杆菌属kp-22菌诱导矿化处理黏土,测定了碳酸盐生成率,研究了矿化处理后黏土的渗透性,系统分析了渗透系数随菌液OD₆₀₀值、胶结液浓度和土中镉含量变化的规律,探讨了各因素对渗透系数的影响规律及机理,建立了考虑菌液OD₆₀₀值和胶结液浓度影响的矿化后黏土渗透系数的经验公式。结果表明:矿化后的土样中生成了碳酸盐颗粒,填充了部分土体孔隙,渗透系数最多可降低约一个数量级；随着菌液OD₆₀₀值的增大,矿化后黏土的碳酸盐生成率先升高后逐渐稳定,而土样的渗透系数先减小后趋于平稳,当菌液OD₆₀₀值大于0.9时,碳酸盐生成率和渗透系数都变化很小；随着胶结液浓度增大,碳酸盐生成率先升高后下降,而渗透系数先减小后增大,当胶结液浓度为0.8 mol/L时,黏土的渗透系数最小；随着土中镉含量的增大,矿化反应受到抑制,渗透系数逐渐增大；矿化后黏土的渗透系数与碳酸盐生成率负相关,两者满足线性关系；所建立的矿化后黏土渗透系数经验公式计算值与试验结果吻合较好。     

存在高渗透区的黏土心墙土石坝渗流稳定性分析

黏土心墙土石坝是重要的挡水建筑物,心墙的低渗透性可以大幅降低坝体水力梯度,减少坝体发生渗透破坏的风险。然而心墙的质量问题（如局部高渗透区）会影响坝体的渗透稳定性,甚至酿成管涌溃坝等严重后果。以瀑布沟心墙土石坝为原型开展坝体渗流大型水槽模型试验,并结合有限元数值模拟方法研究高渗透区对坝体内部渗流场和渗流稳定性的影响。试验表明高渗透区域将改变心墙的渗流场,成为优势渗流通道,导致高渗透区域附近孔压值大幅上升,同时高渗透区域的存在将显著提升坝体渗漏速率。试验与模拟结果一致表明,随着高渗透区域逐步上移,高渗透区所在位置处的孔隙水压力增大,坝体渗漏量减小。高渗透区和心墙的渗透系数增加都会使心墙孔压值和渗漏量增加;随着高渗透区的渗透系数的增大,心墙坝渗流稳定性系数降低,导致坝体稳定性下降;随着心墙渗透系数的增大,高渗透区水力梯度略微减小,但心墙整体临界水力梯度下降,坝体稳定性降低。所得结论可为基于监测数据反演分析心墙的质量问题和评估坝体的安全性能提供依据。     

滑坡碎石土原位渗透试验及渗透系数预测研究

滑坡碎石土渗透系数是滑坡稳定性评价和治理工程设计的重要参数之一,由于影响渗透系数的因素较多,渗透系数与各影响因素之间的相关程度和相关关系是建立渗透系数经验公式的关键。对三峡库区秭归县15个滑坡30个试验点开展了原位渗透试验和颗粒级配试验,基于Person线性相关分析法和支持向量机回归(SVR)分析法,分析了碎石含量、孔隙比、特征粒径、曲率系数、不均匀系数与渗透系数之间的相关程度及滑坡不同位置各样本之间关联关系,建立了支持向量机回归模型。结果表明:渗透系数与滑坡碎石土的影响因素指标之间线性相关性不强,基于单因素指标建立的渗透系数线性经验公式可能存在较大误差;支持向量机回归方法能够较好地反映渗透系数与因素指标之间复杂的非线性关系,渗透系数的预测结果精度较高,可以作为滑坡碎石土渗透系数的预测模型。     

内河码头回填料压缩-渗流耦合特性试验

利用高级固结试验系统对不同配合比的砂泥岩混合料进行压缩固结试验,研究不同竖向压力下土体的压缩、回弹及再压缩过程中压缩与渗透的耦合变化特征。试验结果表明:土体的压缩系数随竖向压力的增大趋于稳定,随泥岩含量的增大而增大;压缩指数随泥岩含量的增大而增大,即泥岩含量越高,土体的压缩性越强;土体渗透系数随孔隙比的增大而加速增大,随泥岩含量的增大而减小;提出一维渗流-压缩固结耦合有限差分计算方法,克服了太沙基固结理论中渗透系数恒定及小变形的假定。