某水庫(kù)砂土級(jí)配與滲透變形關(guān)系的物理模型實(shí)驗(yàn)研究

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(wèn)題，而巖土體滲透變形的規(guī)律與影響因素也是國(guó)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(lái)簡(jiǎn)單地模擬壩基的滲透變形至破壞的過(guò)程，從而研究壩基砂土級(jí)配與滲透變形的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：砂土級(jí)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(guó)33座壩身有問(wèn)題的土石壩，其中屬于滲透變形引起的占60%，由此可見(jiàn)控制滲透變形和維持滲透穩(wěn)定對(duì)于水利建筑物的重要意義。認(rèn)識(shí)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(chǎng)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和防治，在壩基工程中非常重要。

國(guó)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(jí)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(guò)程，并記錄測(cè)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(jí)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(cè)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(guò)抽水泵進(jìn)入水壓力箱，并且通過(guò)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(cè)量表用來(lái)測(cè)量水箱內(nèi)的水壓力。流量則通過(guò)秒表和流量計(jì)進(jìn)行讀取。水壓力箱內(nèi)的水通過(guò)加壓入水口進(jìn)入裝置，，水在水壓力作用下通過(guò)砂樣，在土體內(nèi)形成滲流場(chǎng)。水通過(guò)砂樣后經(jīng)過(guò)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(lái)的啥土通過(guò)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(duì)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(kāi)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(jí)升高水頭，每升高一次水頭維持穩(wěn)定30分鐘，如果沒(méi)有滲透破壞的現(xiàn)象再提高一級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)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(duì)照實(shí)驗(yàn)，以下為三組實(shí)驗(yàn)砂樣的顆粒含量情況（見(jiàn)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(zhǎng)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(lái)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(guò)觀測(cè)水表記錄流量情況，繪制三次實(shí)驗(yàn)流量變化圖如下（見(jiàn)圖2）

圖中小陡坎為加壓標(biāo)志，加壓瞬間流量增大，之后會(huì)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(guò)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(jí)配結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后我們對(duì)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(duì)壩基的砂土顆粒級(jí)配對(duì)滲透變形至破壞的影響進(jìn)行研究，通過(guò)物理模型試驗(yàn)來(lái)對(duì)比分析在同一種砂土不同顆粒級(jí)配的情況下滲透變形至破壞的過(guò)程有什么變化主要對(duì)加壓過(guò)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(jí)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(jí)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(jí)配對(duì)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(jí)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(jí)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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