乌鲁瓦提水库砂砾石地基渗透特性研究

在水利工程中砂砾石地基属于一种很常用的地基,该类地基具有渗透性能强、压实度高、承载力弱但易开采等特点。文章以新疆乌鲁瓦提水库的砂砾石地基为主要研究对象,进行了水流方向为纵向的从上到下、从下至上及水流方向为水平方向的三种相关渗透性能试验。试验证明:砂砾石地基在纵向水流方向状态下的渗透系数值要明显小于水平方向的渗透系数值;破坏坡降,水流为从上到下的方向明显高于水流从下至上的方向。分析了由于流方向的不同对砂砾石地基的渗透性能产生影响的原因。     

不同轴压下悬挂式防渗墙堤基渗透坡降试验

为了研究含悬挂式防渗墙的强透水堤坝坝基在不同轴压状态下的渗透特性,分别开展了3种不同高度防渗墙在不同轴向应力状态下的渗流-应力耦合管涌试验。结果表明:防渗墙端部位置渗透流速较大,更易发生渗透破坏;坝基平均渗透坡降随防渗墙高度增加而减小,防渗墙渗流轮廓线上,防渗墙端部的渗流梯度最大,应力状态对悬挂式防渗墙-砂砾石地基渗透坡降影响显著,管涌临界渗透坡降与轴压呈抛物线关系,防渗墙端部的渗透破坏坡降随轴压增大而线性增大。在此基础上,建立了用轴压表示的防渗墙端部渗透破坏坡降线性经验公式。     

胶凝砂砾石料渗流应力耦合作用细观模拟

胶凝砂砾石料以其优越的性能受到广泛关注，为了探究其在渗流应力耦合作用下的破坏特性，基于一种新的细观离散元模型——格构离散粒子模型(LDPM),建立了胶凝砂砾石料渗流应力耦合数值仿真模型。结合胶凝砂砾石料三轴压缩试验结果，标定了该模型参数。通过对比不同水压力作用下胶凝砂砾石料楔入劈拉试验的数值模拟结果，验证了基于格构离散粒子模型的渗流应力耦合模型在模拟胶凝砂砾石料上的适用性。模拟结果表明：随着水压的增大，胶凝砂砾石料楔入劈拉试验的峰值荷载与其对应的裂缝口张开位移值都会减小，试件破坏之前所承受的循环加载次数减少。通过细观破坏的机理分析可知：随着水压力增大，裂缝扩展过程区变短，水更容易注入裂纹尖端，材料的破坏模式更加趋于脆性破坏。研究结果可为渗流应力耦合作用下胶凝砂砾石料坝、围堰等水利工程中材料的破坏行为分析提供计算模型和参考。     

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。     

充填砂应力——接触渗流耦合模型试验研究

通过模型实验测定不同应力状态下的多个管袋组合体综合等效渗透系数。研究表明:顺渗流方向管袋组合体渗透系数较大,垂直渗流方向管袋组合体渗透系数较为真实。分析了不同应力作用下垂直渗流方向管袋组合体,渗透系数与上覆压力基本成对数函数关系。顺渗流方向布置下管袋与管袋之间形成较大缝隙,缝隙从上游贯穿到下游,这种缝隙是连贯的,为了防止发生接触渗透冲刷破坏,应将管袋组合体与水流方向垂直布置。     

三溪浦水库防渗墙下游侧水位偏高的成因分析

为了分析三溪浦水库维修加固工程后混凝土防渗墙下游测点水位实测较设计计算结果相比偏 高的原因,在排除混凝土防渗墙施工质量问题的前提下,通过维修加固工程前大坝渗透状态与相关资料 分析,发现维修加固工程前坝体及坝基的渗流场的渗透坡降较大,在长期的高坡降作用下心墙内细颗粒 被渗透水流带入松散的砂砾石透水坝基内沉积下来,从而将坝基淤堵,抬高了该区域的浸润线,最后利 用测点的实测水位反演坝基的渗透系数,获得了与实测值较为相符的大坝渗流场,并发现反演得出的坝 基的渗透系数比原设计采用的坝基渗透系数小,而与心墙的渗透系数较为接近,从而初步验证了坝基淤 堵这一结论的合理性。     

深厚覆盖层地基渗透破坏试验研究

为了进一步揭示深厚覆盖层地基渗透破坏过程以及整个过程中渗透特性的变化规律,利用大土柱地基渗透破坏试验装置,用管涌型地基土模拟深厚覆盖层地基,开展不同上覆压力(0.0、0.3、0.5、0.7 MPa)作用下土样的渗透破坏机理试验研究,讨论试验过程中渗流场、渗透坡降、土体渗透特性的变化规律。结果表明,渗透破坏过程一般分三个阶段:渗透破坏前的稳定渗流阶段、渗透破坏发生阶段、渗透破坏后阶段。破坏过程伴随着颗粒的"运移—堵塞—带走"反复、循环的过程,且各阶段对应的临界坡降和破坏坡降随着上覆压力的增大呈增大的趋势,渗透系数呈现出减小的趋势,当同一上覆压力作用时,渗透系数随着渗透破坏前、渗透破坏发生、渗透破坏后过程呈现增大的趋势。     

不同接触倾角的砂砾石与粉土的接触冲刷试验

在渗流作用下土层之间的接触面极易发生渗透破坏。为了研究接触面倾角对接触冲刷破坏的影响,开展了砂砾石和粉土的接触冲刷试验研究。改变两种土层的接触面倾角,利用大型竖向渗透试验仪研究砂砾石与粉土接触冲刷的发生、发展过程以及接触面倾角对土样的渗透性以及抗渗能力的影响。研究结果表明:渗流过程中土层的接触面最先发生渗透破坏;试验中,接触冲刷过程可分为稳定渗流、细颗粒移动、过渡和破坏4个变化阶段;细颗粒的启动和试样的破坏可由平均启动坡降和破坏坡降进行判别;细颗粒启动和试样的破坏坡降均随接触面倾角的增大而增大。研究结果可为斜交土层的接触冲刷破坏判别提供依据。     

土工织物的渗透性与荷载关系的试验研究

本文研究了无纺土工织物的透水性与荷载的关系,测定了在不同荷载下不同坡降时无纺土工织物垂直向和水平向的渗透系数,这较之无载情况下测定的渗透系数更符合实际工程运行时的情况。测定结果,无纺土工织物水平向的渗透系数大于垂直向的渗透系数,且当荷载达2OOkPa后无纺土工织物的透水性基本不变,土工织物的这一特性,对其在工程中的推广应用是极有意义的。试验还初步探讨了达西定律在确定土工织物渗透性中的应用,结果表明,当上复荷载较大的情况下,透过无纺土工织物的水流极易偏离层流。所以达西定律不能完全适用于这种介质,此时达西定律仅能提供近似的渗透系数值。     

ATS水电站填筑砂砾石料渗透性试验研究

砂砾石是水利工程广泛用于填筑材料的一种天然建筑材料,20世纪80年代起,我国先后建成了吉林台、乌鲁瓦提、黑泉砂等混凝土面板砂砾石坝。渗透试验是水利工程勘察中运用的一种重要试验,分为室内渗透试验和现场原位注水试验。为了验证ATS水电站大坝填筑砂砾石料的渗透等级,采用试验室自制大型高压渗透仪,对ATS水电站实际所用填筑砂砾石料进行室内大型高压渗透试验,最后确定填筑砂砾石层渗透系数及渗流特性的方法,在试验方法上比较新颖,并且为水利工程的力学性能指标能提供了更加准确的参考。     

砂卵砾石地基上的土石坝分区材料研究

云南青山嘴水库主坝为坐落在砂卵砾石地基上的砾石(黏)土心墙石渣坝。针对其筑坝材料的料源组成复杂、地基存在不均匀沉陷及地震液化问题等特点,对坝基砂卵砾石层进行强夯处理,防渗心墙采用砾石土料和黏土料两种防渗土料填筑,坝体采用以砂泥岩为主的夹砂砾岩、砾岩石渣料填筑;防渗心墙反滤层按保护两种心墙料要求设计,心墙下游坝基面按满足与坝体间的过渡关系设置水平反滤层,有效地解决了坝体和坝基的渗透破坏问题,使心墙防渗土料和坝基砂卵砾石层均得到保护,保证了大坝的渗透稳定性。工程于2009年投入运行,实测不同库水位情况下的主坝渗漏量变化和坝体累计沉降量均低于设计值,施工质量良好,运行情况稳定。     

碎石土斜坡优先流渗流特征试验

为研究碎石土斜坡在雨水作用下的渗流特性,以2种不同级配的碎石土为坡体模型材料,利用自行设计的模型槽开展雨水作用下优先流渗流特征的试验研究。试验模拟降雨入渗及地下水变化,在碎石土斜坡内部生成浅层孔隙及深层管道网络,采用染色示踪技术结合图像处理分析碎石土斜坡内部大孔隙流、管流以及漏斗流的渗流特征及成因。试验结果表明,采用室内试验方法模拟降雨及地下水变化,对于展现坡体内部与外界水分动态交换过程,研究优先流非均匀流动特性是一种非常有效的手段。     

地震作用下高面板砂砾石坝渗流-应力耦合研究

天然砂砾石料具有级配离散性差、间断性和施工易分离等特性,强震作用下大坝防渗体一旦发生破坏,将会带来不利影响。采用混凝土塑性损伤模型和堆石料广义塑性模型,对弱透水性高面板砂砾石坝进行动力有限元分析,确定面板损伤分布,进而计算坝体非稳定渗流场,建立以混凝土损伤模型和堆石料广义塑性模型为基础的非稳定渗流-应力耦合计算方法,分析在非稳定渗流作用下,大坝应力和变形的变化规律。结果表明:坝体为弱透水时,地震结束后大坝在非稳定渗流作用下,坝体小主应力显著减小,面板产生向上拉伸、向外弯曲趋势的位移增量,面板部分区域损伤值变大。评价大坝极限抗震能力时,除了考虑地震结束时面板的损伤状态,还应进一步考虑面板破坏后非稳定渗流对应力场的影响。     

沙质床面河道演化过程湿润带渗流规律试验分析

为揭示试验室条件下无黏性沙质河道演变过程中河床湿润带的渗流规律,设计循环水槽装置系统,通过控制床沙粒径、入流流量、床面坡降及河岸植被覆盖率4个变化参量,分析不同因素对河床渗流的影响以及河床湿润带含水率的时空变化。结果表明：颗粒粒径及床面坡降对渗流流量的影响较大,粗沙的渗透性远大于细沙,流域坡降与渗流流量成正比;初始含水率对渗流有重要影响,床面初始含水率较小时,渗流流量偏大;对于河道演变试验,当床沙、坡降、河岸植被等流域控制因素一定时,系统存在相对饱和渗流流量;当流量大于相对饱和渗流流量时,渗流流量将保持相对稳定。此外,床面含水率在时间尺度上变化较小,而在空间尺度上呈区域阶梯变化。     

非稳定渗流作用下边坡稳定性试验研究

水位下降时产生的非稳定渗流不利于堤坝边坡稳定,是一个与水力学和土力学有关的复杂问题。开展了非稳定渗流作用下的边坡稳定模型试验,研究了不同土力学条件和水力学条件下,渗流对边坡稳定性的影响,探讨了水位降落指标k/μv与边坡稳定性之间的关系。结果表明：在边坡稳定性分析中,渗流方向是边坡稳定分析的关键,水位降落时渗流向上游方向,边坡安全系数远低于其他渗流方向。边坡失稳发生在水位降落过程中临水坡的渗透力或渗透坡降达到最大的时刻。不考虑渗流方向的计算结果不能正确反映边坡的稳定性,建议边坡稳定分析须正确考虑渗流作用。     

不同掺砾量对黏土心墙的影响

为考察西南地区某黏土心墙坝在不同心墙掺砾水平下心墙的工作性态与安全情况,进而确定心墙坝掺砾施工方案,采用三维有限元方法,在不同的掺砾量水平之下,充分考虑掺砾量的增加对心墙渗透性与变形强度的影响,采用双线法计算各掺砾方案下的湿化变形,研究了大坝完建期及蓄水运行时心墙水平与竖向位移的变化规律,同时采用拱效应系数分析心墙拱效应的变化情况。研究结果表明:当掺砾量控制在50%以下时,伴随掺砾量增加,心墙的沉降变形减少,顺河流向变形减少,使心墙拱效应得到改善;当掺砾量大于50%时,掺砾对心墙的沉降变形与拱效应的抑制作用减弱,同时心墙顺河流向变形量增加。鉴于对于黏土心墙工作性态的综合考虑,建议相应工程中心墙料掺砾量宜小于50%。     

富浆胶凝砂砾石配合比设计试验研究

针对工程现场对于富浆胶凝砂砾石的适宜配合比设计经验不足的问题，基于双级配双重强度标准的“钻石带理论”和胶凝材料强度设计准则，采用常态拌和、加浆拌和两种生产工艺，通过正交抗压强度试验以及极差法分析，研究了胶凝材料用量、水胶比等参数变化对富浆胶凝砂砾石强度的影响，且得到了常态拌和工艺最细级配、平均级配的最优设计配合比以及加浆拌和工艺配合比。结果表明：在28,90 d相同设计龄期下，常态拌和胶凝砂砾石强度平均值约为加浆拌和胶凝砂砾石强度平均值的160～178倍。     

饱和砂砾料液化特性的试验研究

本文通过大型动三轴往返加荷试验(试样尺寸30×75cm)，研究了不同含砾量35%、50%、65%、80%和不同排水条件对饱和砂砾料液化特性的影响。研究结果表明，在不排水条件下，以初始液化作为破坏标准，含砾量不同对饱和砂砾料的抗液化强度影响不大；而在排水条件下，饱和砂砾料的抗液化能力则随着含砾量的增大而提高。排水条件下饱和砂砾料的动强度比不排水条件下的要高得多，而变形则明显小于不排水条件下的变形。     

察汗乌苏面板堆石坝垫层料的生产及渗透特性研究

察汗乌苏水电站水库大坝为目前在建的河床趾板建在深厚覆盖层上国内首座百米级的混凝土面板堆石坝。大坝垫层料采用以天然砂砾料为主、掺入小石和粗砂以调整级配的方式生产。为掌握其特性,进行了颗粒级配分析、渗透和渗透变形等项试验,研究解决了以天然砂砾料为主的垫层料的水力学指标问题,满足了工程需要,可为类似工程应用提供参考。     

三层堤基管涌砂槽模型试验研究

对由弱透水表土层、细砂层和强透水砂砾层组成的三层堤基进行了管涌发展的砂槽模型试验,观察并分析了管涌发生、发展并导致溃堤的机理和过程。试验结果表明,强透水砂砾层的存在将使堤基管涌破坏的水平平均临界比降降低,当细砂层相对于砂砾层的厚度较薄时这种影响会很大,试验得到的最小值为0·078,而且堤基管涌发展的机理与双层堤基有很大区别。