鄭晗 李瑜杰 馬躍強(qiáng) 王鵬程 文武雙

摘要：堤壩基的滲透變形和維持滲透穩(wěn)定一直都是工程中的重要問題，而巖土體滲透變形的規(guī)律與影響因素也是國內(nèi)外學(xué)者專家一直在努力研究的課題。本文采用物理模型實(shí)驗(yàn)的方式來簡單地模擬壩基的滲透變形至破壞的過程，從而研究壩基砂土級配與滲透變形的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：砂土級配；滲透變形關(guān)系；物理模型實(shí)驗(yàn)研究

引言：

水利水電科學(xué)研究院于1974年調(diào)查了我國33座壩身有問題的土石壩，其中屬于滲透變形引起的占60%，由此可見控制滲透變形和維持滲透穩(wěn)定對于水利建筑物的重要意義。認(rèn)識巖土體滲透變形的特征、危害、掌握發(fā)生滲透的影響因素，得出壩基滲透場規(guī)律，進(jìn)而對其進(jìn)行預(yù)測和防治，在壩基工程中非常重要。

國內(nèi)外在堤壩基滲透變形方面已經(jīng)有了較成熟的研究，并獲得了較為豐富的成果。但仍有許多細(xì)節(jié)有待考究，本文選擇僅從壩基砂土級配與滲透變形的關(guān)系入手，采用物理模型實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。

1.實(shí)驗(yàn)方法與物理模型建立

1.1實(shí)驗(yàn)樣品與方法的選擇

本次試驗(yàn)砂樣采自吉林白城河流相沉積砂土，砂樣顆分曲線如下

本次研究利用物理模型實(shí)驗(yàn)，模擬壩基滲透變形至破壞的過程，并記錄測得的數(shù)據(jù)得出相關(guān)的水力參數(shù)，從而進(jìn)一步探討壩基砂土級配與滲透變形的關(guān)系。

1.2物理模型的建立

建立合適的物理模型是試驗(yàn)的關(guān)鍵，本次試驗(yàn)利用王鋼城教授的專利設(shè)備“第二代滲透淤堵設(shè)備”。

設(shè)備整體是一個(gè)封閉的可循環(huán)滲流系統(tǒng)，除了壩基模擬系統(tǒng)外，設(shè)備有完整的加壓系統(tǒng)、測量系統(tǒng)與循環(huán)系統(tǒng)。與模擬系統(tǒng)相連的水槽內(nèi)安裝有抽水泵，抽水泵是整個(gè)裝置水循環(huán)的動(dòng)力系統(tǒng)，水槽內(nèi)的水通過抽水泵進(jìn)入水壓力箱，并且通過限壓閥控制水壓力的大小。模擬系統(tǒng)的入水口與水壓力箱相連，水壓力箱上裝有壓力測量表用來測量水箱內(nèi)的水壓力。流量則通過秒表和流量計(jì)進(jìn)行讀取。水壓力箱內(nèi)的水通過加壓入水口進(jìn)入裝置，，水在水壓力作用下通過砂樣，在土體內(nèi)形成滲流場。水通過砂樣后經(jīng)過排水層回流到水槽中，從而形成了一個(gè)完整的水循環(huán)系統(tǒng)。

1.3物理模型實(shí)驗(yàn)

（1）砂樣的制備

將采集來的啥土通過一套篩孔直徑與土中各粒組界限值相等的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，分別篩出實(shí)驗(yàn)所需要粒徑范圍內(nèi)的砂子，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求砂樣的參數(shù)，進(jìn)行樣品的配制。

（2）樣品的裝填

設(shè)備安裝后進(jìn)行檢漏。將裝置充滿水，靜置24小時(shí)，觀察裝置是否漏水，如有漏水及時(shí)補(bǔ)漏。檢漏結(jié)束后放水并順便清洗裝置內(nèi)部，清洗結(jié)束后在第5層底部用較粗的土顆粒做一層2-3cm的反濾層。在已配制好的樣品中加入少許清水并進(jìn)行攪拌，使樣品中的粗細(xì)顆粒相互粘著均勻混合。裝填時(shí)，分四層裝樣。每裝一層均用橡膠錘逐一擊實(shí)，使每次實(shí)驗(yàn)砂槽中的砂樣密實(shí)程度相近。砂樣裝滿裝填層后進(jìn)行整平。

（3）砂樣飽水

砂樣裝填完畢后，用水瓢舀水對砂樣進(jìn)行緩慢的飽水（最好在砂樣中間防止引流磚塊），排除水槽內(nèi)的氣泡。飽水完成后檢查蓋板的密封情況，如有漏點(diǎn)用硅膠及時(shí)堵漏。

（4）封蓋

樣品飽水完成后，將上部的第1層進(jìn)行封蓋，并使整個(gè)裝置與入水口連接準(zhǔn)備加壓。

（5）加壓

首先進(jìn)行壓力傳感器的調(diào)試，調(diào)試完成后，開啟加壓系統(tǒng)，使水流進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)初始按水力梯度的0.15確定水頭，再逐級升高水頭，每升高一次水頭維持穩(wěn)定30分鐘，如果沒有滲透破壞的現(xiàn)象再提高一級水頭，當(dāng)傳感器記錄界面出現(xiàn)突變點(diǎn)時(shí)，即為出現(xiàn)明顯滲透破壞的時(shí)刻。

（6）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與記錄

每級水頭穩(wěn)定后，使用壓力表和流量計(jì)記錄水箱內(nèi)水壓力和流速。砂樣內(nèi)部的水壓力由傳感器進(jìn)行采集并使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄，并觀察各級水頭下發(fā)生的滲透變形及其他現(xiàn)象。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1原始砂樣與對照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

原始砂樣的顆分曲線如圖1所示，要發(fā)生管涌必須具備兩個(gè)條件：

（1）幾何條件：粗顆粒構(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆粒直徑，不均勻系數(shù)Cu>5；

（2）水力條件：滲流力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙中滾動(dòng)或移動(dòng)，用水力梯度表示。

本次實(shí)驗(yàn)以砂樣發(fā)生管涌作為滲透破壞的臨界點(diǎn)，因此砂樣必須滿足發(fā)生管涌的兩個(gè)條件。由顆分曲線可求得Cu=16>5（Cu1=16、Cu2=11.2、Cu3=6.9），而水力梯度則有加壓系統(tǒng)緩慢增高，最終使砂樣破壞。

本次試驗(yàn)設(shè)置了兩個(gè)對照實(shí)驗(yàn)，以下為三組實(shí)驗(yàn)砂樣的顆粒含量情況（見表1）

2.2臨界水頭結(jié)果分析

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作、記錄，實(shí)際中讀數(shù)時(shí)間間隔視實(shí)驗(yàn)進(jìn)程而定。三次實(shí)驗(yàn)的水頭記錄數(shù)據(jù)均通過計(jì)算機(jī)記錄，并出現(xiàn)了明顯的差異。

（2）數(shù)據(jù)處理、對比、分析

原始砂樣實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞時(shí)間在280-310 min，記錄的三個(gè)臨界水頭值分別為：25.5、35.8、44.4（dm）；對照組一實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞時(shí)間在300-320 min，記錄的三個(gè)臨界水頭值分別為：21.8、27.2、30.2（dm）；對照組二實(shí)驗(yàn)發(fā)生破壞時(shí)間在390-420 min，記錄的三個(gè)臨界水頭值分別為：18.7、21.5、23.9（dm）

從時(shí)間上來看，由于第三次實(shí)驗(yàn)中施加的壓力（水頭值）明顯偏小，使其破壞時(shí)間較第一第二次實(shí)驗(yàn)長出100mins左右；第一次與第二次實(shí)驗(yàn)破壞時(shí)間相近，但是第一次實(shí)驗(yàn)中施加的壓力要高出第二次實(shí)驗(yàn)，可明顯看出原始砂樣是最難破壞的。

從水頭上來看，臨界水頭值：第一次>第二次>第三次；水頭值橫向比較差距：第三層>第二層>第三層。

2.3流量變化情況

通過觀測水表記錄流量情況，繪制三次實(shí)驗(yàn)流量變化圖如下（見圖2）

圖中小陡坎為加壓標(biāo)志，加壓瞬間流量增大，之后會緩慢下降，原因是在壓力作用下砂粒產(chǎn)生位移使下部砂層更密實(shí)。從圖中我們可以直觀地看出實(shí)驗(yàn)三的流量最大且遠(yuǎn)超過其他兩組，實(shí)驗(yàn)二的流量也要高于實(shí)驗(yàn)一。

2.4實(shí)驗(yàn)前后顆粒級配結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后我們對實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二（實(shí)驗(yàn)三由于流量較大數(shù)據(jù)可靠性不高）進(jìn)行了各層的顆分統(tǒng)計(jì)并記錄。我們發(fā)現(xiàn)上層的細(xì)顆粒含量明顯減少；而底層則正好相反；且總體的顆分曲線往大粒徑方向靠近。

3.結(jié)論

本文針對壩基的砂土顆粒級配對滲透變形至破壞的影響進(jìn)行研究，通過物理模型試驗(yàn)來對比分析在同一種砂土不同顆粒級配的情況下滲透變形至破壞的過程有什么變化主要對加壓過程中水頭隨時(shí)間的變化關(guān)系、流量隨時(shí)間的變化關(guān)系、實(shí)驗(yàn)后不同深度砂土層顆分?jǐn)?shù)據(jù)三方面入手分析，得出以下結(jié)論：

（1）天然狀態(tài)下的壩基，其砂土級配在滿足發(fā)生滲透破壞的基本條件下（Cu>5）且砂土不缺失粒徑的一定范圍內(nèi)，級配越良好（Cu值越大）則可承受的壓力越大。若在相同加壓條件下，發(fā)生破壞的時(shí)間也越久。

（2）砂土級配對流量的影響主要體現(xiàn)在粗顆粒形成的空隙通道與細(xì)顆粒的填充程度，本次試驗(yàn)中由于模型限制，導(dǎo)致了級配較小的改變出現(xiàn)了較大的影響。另外，承受的臨界水頭大小有明顯差距也是影響流量的重要因素。

（3）分析實(shí)驗(yàn)前后顆粒級配數(shù)據(jù)，兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果較相似，可以明顯看出上層的（<1mm）細(xì)顆粒在水力作用下向下層發(fā)生運(yùn)移；2-8mm顆粒變化不大，故而基本不發(fā)生運(yùn)移；>8mm的粗顆粒含量有較明顯變化，其主要原因是細(xì)顆粒流失總質(zhì)量改變，另外也有一小部分粗顆粒在壓力作用下發(fā)生破碎，形成較細(xì)顆粒導(dǎo)致了含量變化。

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