上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的细观机制研究

为了系统研究上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的微观机制,采用PFC3D并结合"休止角标定法"对模型进行标定,快速、准确地建立了材料宏观参数与颗粒细观参数间联系,有效地模拟了粗粒土渗透变形的发展过程,获得了渗透变形的微观参数和运移规律。结果表明:上覆粗粒土层中细料含量为10%、20%时,在水压力作用下细颗粒在骨架颗粒间运动并发生流失,表现为管涌型破坏,且上覆粗粒土层中细料含量越少,细砂层越易破坏;当细料含量为30%时,管涌口附近土体发生流土型破坏,而后上覆粗粒土骨架颗粒与细砂层颗粒同步流失并逐步向上游发展,表现为管涌型破坏,整体颗粒流失呈现为过渡性渗透破坏;上覆粗粒土层为管涌型土时,上覆粗粒土骨架颗粒在水头压力作用下会发生快速沉降,上覆粗粒土层为过渡性土时,上覆粗粒土层初始没有发生下沉,在上覆土层发生流土破坏后,才逐渐开始下沉,且上覆粗粒土的沉降量随着上覆粗粒土骨架颗粒中细料含量的减少而增加。本研究在方法上可为三维颗粒流数值模拟中细观参数的标定提供一定参考,并揭示了上覆土层细颗粒含量对渗透变形的影响及颗粒微观运移规律。     

粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形仪的研制

针对目前还没有合适的室内试验仪器测试巨粒混合土的渗透系数和巨粒混合土发生渗透破坏时的临界水力梯度的现状,研制了粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形测试仪。该仪器最大的特点是根据巨粒混合土中含有细粒土致使土体难以饱和的特点,在仪器上设置了密封抽气饱和装置,可以对土样进行抽气饱和。结合工程实践对不同级配的土体进行了渗透及渗透变形试验,试验测得的土体渗透系数和临界水力梯度与理论计算的结果非常接近,部分试验成果已应用于工程实践。     

堤基管涌小尺寸模型的细观试验研究

利用显微摄像可视化跟踪技术、数字图形的计算机实时处理技术,开展室内小尺寸堤基管涌物理模型的细观试验研究。从细观角度研究堤基管涌发展过程中的渗流过程、水头、管涌通道前端的颗粒运动、颗粒含量和水力梯度等参数变化的动态变化过程。研究结果表明:(1)堤基管涌的渗透破坏分为三个阶段,无明显渗透变形阶段、管涌通道形成阶段和堤基溃堤阶段;(2)从细观试验结果可看出,在无明显渗透破坏阶段,粒径小于0.075mm颗粒发生移动现象,稍大颗粒发生转动,但骨架颗粒没有变化。随着水力梯度的增大,当达到砂样的临界水力梯度时,砂样局部薄弱处的骨架颗粒发生移动,形成管涌通道并逐渐向上游扩展;(3)管涌通道前端的颗粒起动水头随粒径大小而不同,粒径越大,起动的临界水头越大;(4)管涌的发展是不断调整变化的,形成蜿蜒枝状沟道,主要原因是砂样颗粒的细观分布具有很大随机性,细颗粒流失形成的孔隙会被粒径大的颗粒填充,同时,也会引起周围更多的细颗粒流失使管涌通道变大。     

松塔水库坝基粗粒土渗透稳定性评价

大坝坝基粗粒土渗透破坏是大坝勘察的主要工程地质问题之一,其评价准确性和处理措施合理性直接影响大坝的安全运行。文中采用两种方法对松塔水库坝基粗粒土的渗透破坏类型和临界水力比降做出判别,并给出允许水力比降及天然坝基中粗粒土渗透变形的可能性,最后提出相应工程施工处理措施。     

级配不连续粗粒土渗透变形试验缩尺方法研究

目前,基于试样的干密度、抗剪强度、变形特性和渗透性等效,提出了各种粗粒土试验超粒径颗粒缩尺方法,但对渗透变形试验中超粒径颗粒的处理并没有明确说明。通过采用不同缩尺方法对具有不同渗透稳定性的级配不连续型粗粒土进行渗透变形试验,并与原级配土的试验结果进行对照,分析了各类缩尺方法对渗透变形试验的适用性。结果表明:对于缺级粒径小于5 mm的级配不连续型土,等量替代法不影响粗料的绝对孔隙体积和细料填充程度,对管涌型和流土型土进行缩尺处理不改变试样的渗透破坏形式和水力条件;相似级配法因土体粒径的等比例减小使反映粗料孔隙尺寸的特征粒径D20相应变小,对管涌型土进行处理后渗透破坏形式转变为过渡型,流土型土的渗透破坏形式虽不会发生改变,但土颗粒离散程度的增大使相应的临界和破坏坡降明显降低;等量替代法能取得优于相似级配法的缩尺效果。     

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。     

细粒含量对饱和砂土液化特性的影响

通过对原状土样进行共振柱和动三轴试验,排除扰动样对原状土体结构性的破坏,研究不同细粒含量对饱和砂土动剪切模量和液化强度的影响。研究结果表明,在细粒含量小于30％时,由于细颗粒赋存于砂颗粒骨架形成的孔隙中,在砂颗粒之间起到类似于“滚珠”的作用,使得饱和砂土的抗液化强度随细颗粒的增加而降低。大于30％时,细颗粒逐渐占据砂颗粒形成的孔隙因而起着土体骨架的作用,并和砂颗粒一起承担由循环荷载引起的剪切变形,表现为抗液化强度随细粒含量的增加而升高。     

水闸侧墙与土体接合部渗透破坏过程模拟试验

为深化对穿堤涵闸土石接合部渗透破坏发展机理的认识,研发了试验装置,实现了水闸侧墙与土体接合部渗透破坏过程的室内模拟。通过对黏粒质量分数分别为4.6%、12.3%及22.6%的土体开展试验,分析了接触冲刷的破坏特征及其发生发展规律,探讨了土体性质、水力比降、接触带压实度等因素对渗透破坏的影响。试验结果表明:土石接合部接触冲刷破坏过程分为稳定渗流阶段、管涌形成发展阶段和冲蚀破坏发展阶段;土体黏粒质量分数越大、压实度越大,土体稳定时间及破坏时间越长,抗冲蚀能力越强;冲蚀量与土体黏粒质量分数、水力比降及压实度均呈现明显的反比关系;水力比降较小时,压实度对土体抗冲性能影响显著,但随着水力比降的逐渐增大,土体性质起主导作用;初始破坏阶段土体细颗粒的流失受土体性质、压实度及水力比降各因素的综合作用,表现出不同的规律性。     

细粒含量对饱和砂土液化特性的影响

通过对原状土样进行共振柱和动三轴试验，排除扰动样对原状土体结构性的破坏，研究不同细粒含量对饱和砂土动剪切模量和液化强度的影响。研究结果表明，在细粒含量小于30%时，由于细颗粒赋存于砂颗粒骨架形成的孔隙中，在砂颗粒之间起到类似于“滚珠”的作用，使得饱和砂土的抗液化强度随细颗粒的增加而降低。大于30%时，细颗粒逐渐占据砂颗粒形成的孔隙而起着土体骨架的作用，并和砂颗粒一起承担由循环荷载引起的剪切变形，表现为抗液化强度随细粒含量的增大而增大。     

颗粒级配对管涌发展的影响试验研究

自行设计模型槽进行垂直渗流下砂土管涌试验,通过精细化量测手段获取管涌发展中土体几何、水力学参数及颗粒运动特点,研究颗粒级配对管涌发生发展的影响,揭示管涌细观机理。管涌型砂土可动颗粒本身级配影响流失颗粒最大粒径及颗粒流失量在渗流方向上的分布情况,但对最终颗粒流失量影响不大;可动颗粒含量对砂土是否发生渗透破坏及潜蚀发展过程影响密切,临界细颗粒含量及存在的自滤过程是要考虑的。通过体视显微镜,从细观尺度揭示临界细颗粒含量的砂土在管涌过程中,可能产生自滤反滤现象而使系统自稳定,进一步揭示该机制是由于砂土在复杂的水土相互作用过程中形成层间系数D15/d85值符合自稳定的级配特点所致。研究表明,对级配分布较广,缺失中间粒径的管涌型砂土,要判别砂土是否会发生渗透破坏及其临界水力梯度大小,在采用经典公式或经验曲线判断的基础上,有必要针对实际工程土体的级配特性与实际水力学条件,开展复杂水土作用过程的试验论证。     

颗粒级配影响滤层系统细颗粒迁移试验研究

滤层是渗透破坏防治工程中的重要措施之一。利用自行研制的大型渗透仪,对不同滤层系统颗粒组成条件下的流失细颗粒的迁移规律进行了研究,并分析了层间系数D_(15)/d_(85)、不均匀系数C_u、控制粒径等对滤层有效性的影响。试验结果表明:当水力梯度在10以下时,层间系数在13以下滤层即可达到滤土作用,说明太沙基准则偏于安全。基料颗粒愈粗,临界及破坏水力梯度随层间系数的变化愈显著;基料颗粒愈细,流失细颗粒的运移规律对于层间系数的变化愈敏感,颗粒从起动到运移过程愈短,渗透破坏愈突然,愈不易防范。此外,基料颗粒C_u1.86时,C_u越小,基料颗粒越不易起动;C_u1.86时,起动临界水力梯度基本保持不变。当基料级配不变时,临界水力梯度与滤层颗粒粒径呈线性相关。     

近松散层突水涌砂诱发的沉降试验研究

针对近松散层突水、涌砂诱发的沉降问题,设计了一套可以改变涌口直径模拟砂、水涌出的可视化试验装置,对粒径0.075 mm~2 mm标准砂、5 mm~10 mm粗砂构成的砂体,在不同涌口尺寸及不同水力比降下突水、涌砂诱发的沉降规律进行了研究。试验结果表明:细颗粒含量87%、粗颗粒含量13%组成的砂体,当涌口直径大于8 mm时,砂体会发生沉降;继续增大涌口直径,大于16 mm后,砂体会发生溃砂;细颗粒含量60%、粗颗粒含量40%组成的砂体,当水力比降为3.5时,砂体会发生溃砂;当水力比降在6.0~7.5时,细颗粒在渗流力的作用下会在涌口上方形成土拱和滤层,阻止颗粒流失,砂体不会发生沉降。砂体发生沉降时,沉降影响半径和沉降中心深度与涌口直径和水力比降呈线性关系。     

反滤层粒度组成及厚度对大坝渗流特性的影响

反滤层的粒度组成和反滤层厚度及其结构对大坝渗流特性具有显著的影响。针对某黏土心墙砂砾石坝,设计了黏土心墙两侧反滤层材料的颗粒级配范围线（上、下包线）,配制了材料颗粒级配,并对其进行了4组渗透变形试验,获得了试验材料的临界坡降、渗透系数和渗透破坏形式。根据渗透试验结果和双层反滤结构,采用有限元数值方法对两层反滤料厚度的11种组合（厚度变化范围为0.5~2.5 m）的大坝渗流特性进行了模拟分析。结果表明:（1）反滤层的第一层粒度较细,包线内土料粒度由细变粗时,对渗透系数的影响较小,对临界坡降和破坏坡降的影响较大,且破坏类型由流土变为管涌形式;第二层反滤砂砾石颗粒较粗,且粒径5 mm以下细颗粒含量很少,渗透特性取决于粗粒材料的含量,为过渡型破坏类型。（2）当双层反滤层总厚度不变（厚度3 m）时,改变反滤层的厚度组合和粒度组合,对大坝单宽渗流量和心墙出逸点高程的影响较小。第一层反滤料厚度从0.5 m增加到2.5 m,心墙和反滤料的出逸比降均呈非线性增长,第一层反滤料出逸比降增幅为92.7%,第二层反滤料的出逸比降增幅为70.0%。第一层反滤料粒度变化比第二层反滤料粒度变化对心墙和反滤料出逸比降的影响小。（3）反滤层厚度保持3 m时,建议第一层反滤料厚度取1.0~1.5 m,相应地第二层反滤料厚度取2.0~1.5 m;粒度组成选取两层反滤料都靠近下包线位置,即粒度较粗为最优。     

填埋场黏土衬垫中起始水力梯度对污染物运移影响

垃圾填埋场黏土衬垫对防止渗沥液的渗漏和运移起到至关重要的作用,其中有些黏土渗流呈现非达西渗流现象,存在起始水力梯度i_0,然而起始水力梯度对黏土衬垫防污性能的影响尚未明确。为此,开展了起始水力梯度对污染物运移的影响研究。首先,在不同围压作用下,采用去离子水对黏土进行渗透试验;然后,在围压σ=200 kPa的条件下,分别采用水力梯度为0,12.5,25.0和375.0对4个平行黏土试样进行Na~+溶液渗透,定期测定渗出液Na~+浓度,并最终分层测定试样中Na~+的含量。结果表明:随着固结压力的增大,起始水力梯度越大;当水力梯度分别0,12.5和25.0时,渗出口无渗透液产生,并且Na~+在黏土中的迁移规律基本相同,即分子扩散系数基本相等;当水力梯度为375.0时,水动力弥散系数远远大于分子扩散系数。因此,可以认为当水力梯度小于i_0时,渗沥液不渗透或渗透很小,污染物运移以分子扩散为主;当水力梯度大于i_0时,污染物运移逐渐转为以对流为主。     

基于雷诺数的砂砾石管涌过程判别

管涌破坏是发生堤坝险情乃至溃决的主要原因。传统渗流力学涉及管涌机理、发展过程及控制措施,对管涌过程定量判别及非线性特征研究尚显不足。开展不同级配砂砾石管涌试验,指出细颗粒含量及均匀程度是影响砂砾石管涌破坏的主要因素;分析管涌破坏过程中水流状态变化规律,提出了基于雷诺数Re的管涌过程判别方法。试验结果表明:砂砾石管涌过程可定量分为孕育阶段（Re<0.85）、形成阶段（0.85≤Re≤5.00）、发展阶段（5.0050.00）。孕育和形成阶段,可动细颗粒启动并缓慢调整,水力坡降与渗流速度呈线性关系,黏阻力占主控作用,渗流运动符合达西定律;发展和破坏阶段,渗流通道形成并逐步扩展,可动细颗粒快速流失,渗流速度变化较大,惯性力占主控作用,水力坡降与渗流速度呈远离平衡态的非线性关系,层流逐渐向紊流过渡,可用二次方程描述。研究结果可为管涌险情预报和应急处置提供决策依据。     

砾石土粗粒含量对高土石坝稳定渗流的影响

高心墙堆石坝心墙防渗料多采用砾石土,当砾石土的粗粒含量（指质量分数,下同）超过50%时,渗透系数很可能超过规范要求,不利于坝体渗透稳定。通过对粗粒含量超标单元赋予不同的渗透系数,采用三维有限元法分析了心墙局部砾石土粗粒含量超标时对坝体渗流的影响。结果表明:心墙局部砾石土粗粒含量超标对坝体的渗流场分布和单宽渗流量影响都较小,对心墙内渗透坡降影响较大,最大渗透坡降都出现在未超标单元处。对于超标区域在中下部的情况,当超标单元粗粒含量小于55%时,渗透坡降最大增幅为36.4%;超标单元粗粒含量大于55%时,最大渗透坡降显著增大,且会超过允许坡降,不利于坝体渗透稳定。因此,在实际工程中应结合砾石土料的级配和细粒含量情况,做好下游反滤层的设计,并严格控制砾石土的施工压实度,以保证坝体安全。