五道水庫(kù)礫質(zhì)黏性土心墻與基槽的接觸滲透變形試驗(yàn)

明福林，付會(huì)成

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

五道水庫(kù)壩型為黏土心墻壩，壩殼為風(fēng)化砂，黏土心墻座落在弱風(fēng)化帶上的混凝土蓋板上，壩高42.3 m，壩頂長(zhǎng) 450.0 m，總庫(kù)容5 087萬(wàn) m3。

1 試驗(yàn)概況

針對(duì)座落在基槽上的礫質(zhì)黏性土心墻在水壓力作用下，發(fā)生破壞的形式和允許坡降進(jìn)行了研究。

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用料與施工時(shí)采用的料源一致。選用了沖洪積成因的礫質(zhì)黏性土，其粒度成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用料顆粒組成mm

礫質(zhì)土的基本物理性質(zhì):礫質(zhì)土的相對(duì)密度GS=2.70;液限 WL=37.1%;塑限 WP=21.6%;塑性指數(shù)IP=15.5% 。

土的壓實(shí)特性使用三層擊實(shí)儀，單位體積擊實(shí)功為607.5 kJ/cm3，每層 25擊時(shí)，＜5 mm的土料，最大干密度 ρdmax=1.72 g/cm3，最優(yōu)含水率 WOP=17.5% 。對(duì)于粗、細(xì)混合土料，當(dāng)粒徑＞5 mm的含量＜30%時(shí)，需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正，校正后的 ρdmax=1.76 g/cm3，WOP=16.4%。壓實(shí)度選用95%，98%時(shí)，干密度分別為 1.67 g/cm3和 1.72 g/cm3，含水率 15.4% ～16.0%，以此作為試驗(yàn)時(shí)的控制干密度和含水率。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用自制80 cm×20 cm×20 cm的長(zhǎng)方形混凝土槽，以滿足儀器內(nèi)徑與土樣最大粒徑之比為4～6;試驗(yàn)長(zhǎng)度一般為內(nèi)徑的2～3倍。長(zhǎng)方形混凝土槽，由進(jìn)水段、透水板、試驗(yàn)段、出水段和測(cè)壓管組成，詳見(jiàn)圖1。

圖1 滲透變形儀器示意

進(jìn)水段與出水段填充中砂和卵石(靠近試樣位置填中砂)以保護(hù)上下游試樣面不被沖蝕。試驗(yàn)段的土樣尺寸采用兩種，分別是40 cm×20 cm×20 cm或30 cm×20 cm×15 cm。試驗(yàn)裝樣時(shí)，由于尺寸限制，剔除＞20 mm的碎石。

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)需要控制的干密度及試樣高度，水平分層填料，每層擊實(shí)2 cm，將表面刨毛后再填上層新土，直至達(dá)到所需高度，然后用水泥砂漿或封料封閉混凝土槽上部。用低水頭每次提升1 cm緩慢飽和，以達(dá)到完全排除試樣中的空氣，直至溢流水淹沒(méi)試樣表面時(shí)，接通測(cè)壓管，開(kāi)始測(cè)試。

試驗(yàn)過(guò)程中，保持水溫和室溫相同，消除氣體逸出的條件，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。每次提升水頭后穩(wěn)定2 h，測(cè)量測(cè)壓管水位、流量和水溫。當(dāng)測(cè)壓管水位、流量穩(wěn)定后，再提高下一級(jí)水頭。試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，不能間斷，直至試驗(yàn)破壞。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果每級(jí)水頭的持續(xù)時(shí)間一般在6～8 h。

破壞判別標(biāo)準(zhǔn)。由于該次試驗(yàn)的土體基本被封閉，試樣表面又被砂及卵石保護(hù)著，不能目測(cè)到表面破壞位置及現(xiàn)象，所以主要依據(jù)供水箱位置升高或下降后，上游測(cè)壓管水位出現(xiàn)不相應(yīng)升高或下降、流量加大、溢流水渾濁等現(xiàn)象，此時(shí)試樣結(jié)構(gòu)已達(dá)到破壞判別標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)束試驗(yàn)后，去掉試樣的覆蓋物，觀察土樣底部與混凝土接觸處，當(dāng)破壞部位在底部時(shí)則為接觸沖刷破壞，如在其它部位則認(rèn)為接觸部位的坡降不小于該值，并記錄其破壞部位及特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果

1)制備試樣時(shí)密度ρ為

ρ=m/(LBh)

式中，m為試樣濕質(zhì)量(g);L為試樣長(zhǎng)度(cm);B為試樣寬度(cm);h為試樣高度(cm)。

2)水平滲透坡降i為

i=ΔH/L

式中，ΔH為測(cè)壓管水頭差(cm);L為與水頭差ΔH相應(yīng)的滲透長(zhǎng)度(cm)。

3)滲透流速v及滲透系數(shù)K為

v=Q/A， K=v/i

式中，Q為滲水量(cm3/s);A為試樣面積(cm3);v為滲透流速(cm/s)。

4)臨界滲流坡降ik為

ik=(i2+i1)/2式中，i2為開(kāi)始出現(xiàn)顆粒移動(dòng)時(shí)的坡降;i1為開(kāi)始出現(xiàn)顆粒移動(dòng)前一級(jí)的坡降。

5)破壞坡降iF為

iF=(i2'+i1')/2

式中，i2'為開(kāi)始出現(xiàn)試驗(yàn)破壞時(shí)的滲流坡降;i1'為開(kāi)始出現(xiàn)試驗(yàn)破壞時(shí)的前一級(jí)滲流坡降。

6)發(fā)生流土破壞時(shí)坡降iF'為

iF'=i1'

7)試驗(yàn)結(jié)果與lgi—lgv10曲線分析

坡降和滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從lgi—lgv10曲線可分析該土的滲透變形特征:lgi—lgv10曲線由三部分組成，第一部分為直線段，水在土體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到土顆粒的阻力而消耗能量，此時(shí)試樣內(nèi)部土粒處于平衡穩(wěn)定狀態(tài);第二部分 lgi—lgv10曲線是呈鋸齒形，土粒處于調(diào)整狀態(tài)，在水壓力逐步作用下，處于平衡狀態(tài)的土顆粒開(kāi)始調(diào)整，但不會(huì)在土壤孔隙中被帶走，孔隙體積處于臨界狀態(tài);第三部分經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，隨著土粒的移動(dòng)，滲透流速增大，顆粒被滲透力所沖離，土顆粒完成失去抵抗?jié)B透力作用，顆粒會(huì)被沖穿或開(kāi)裂，顯示了流土的特性，詳見(jiàn)圖2。

表2 坡降和滲透系數(shù)

圖2 滲透系數(shù)與滲透坡降關(guān)系曲線

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣的觀察如下所述:

1號(hào)試樣:當(dāng) iF=8.3時(shí)，溢流水渾濁，試樣右上部顆粒組被沖蝕，形成寬3～4 cm的滲透通道，但土樣與混凝土蓋板接觸面未見(jiàn)異常。

2號(hào)試樣:當(dāng) iF=12.8時(shí)，試樣右上角部位有 5 cm×5 cm土體變軟，試樣底部與混凝土接觸處土體變軟，其右下角處更為明顯，已形成滲流集中。

通過(guò)以上對(duì) lgi—lgv10關(guān)系曲線分析和試驗(yàn)后對(duì)試樣的外觀觀察，1號(hào)試樣在試驗(yàn)時(shí)，滲透坡降在4～6時(shí)，試樣內(nèi)部顆粒調(diào)整劇烈，一旦內(nèi)部顆粒調(diào)整結(jié)束，試樣瞬間破壞，土顆粒失去了抵抗?jié)B透力的作用。因此，控制干密度為1.67 g/cm3，含水率為16%時(shí)，建議允許坡降采用2.8。2號(hào)試樣，由于控制干密度較大，含水率較小，在逐步滲透坡降作用下，顆粒調(diào)整緩慢，土顆粒與滲透力保持一定的平衡狀態(tài)，土顆粒具有一定的抵抗?jié)B透力的作用。當(dāng)滲透坡降接近10.2時(shí)，試樣已形成集中滲流，控制干密度1.72 g/cm3，含水率15.4%時(shí)，建議允許坡降采用3.5。

4 滲流破壞的判別及臨界滲透坡降

4.1 滲透破壞的判別

土體在滲透水流的作用，水壓力受到土顆粒的阻力而消耗能量，土體有效重量減輕，土體逐步受滲透力作用，降低了抵抗破壞的能力，會(huì)發(fā)生滲透破壞，即

i≤［i］時(shí)安全

i ＞［i］時(shí)破壞

［i］為允許滲透坡降，它是由臨界滲透坡降除以安全系數(shù)獲得，安全系數(shù)可根據(jù)工程規(guī)模按規(guī)范選取。

4.2 流土臨界滲流坡降計(jì)算

太沙基根據(jù)單元體積的有效重量作用在該土體上的滲透力相平衡理論，認(rèn)為土體受滲透力作用時(shí)，松動(dòng)、土粒間的摩擦力不存在。故不必考慮摩擦阻力的影響，以求安全。受到向上滲流的作用，流土的臨界滲流坡降ik為

ik=(GS－1)(1－n)

式中，ik為臨界滲流坡降;GS為土的相對(duì)密度;n為孔隙率。

有些學(xué)者認(rèn)為該計(jì)算方法偏小，于是其他學(xué)者對(duì)此公式進(jìn)行修正。扎馬林提出的修正公式為

ik=(GS－1)(1 － n)+0.5n

王韋則考慮了土體強(qiáng)度的影響，提出修正公式為

ik=(GS－1)(1 －n)+(1+ζtanφ)

式中，ζ為土的側(cè)壓力系數(shù);φ為土的內(nèi)摩擦角。

沙金煊進(jìn)一步研究考慮了土體顆粒形狀的影響，坡降為

ik=α(GS－1)(1－n)

式中，α為土體顆粒形狀系數(shù)，對(duì)于砂 α=1.16～1.17，對(duì)于有棱角的不規(guī)則顆粒 α=1.5，對(duì)于各種顆粒混合料 α=1.33。

齊爾察格考慮到有附加荷載影響時(shí)為

ik=(GS－1)(1－n)+G/(Wh)

式中，G為土壤表面附加荷載;W為附加荷載土壤的面積;h為附加荷載土壤的高度。

根據(jù)筆者多年的試驗(yàn)研究，土體結(jié)構(gòu)、礦物成分對(duì)滲透變形起到一定的作用，因此，應(yīng)用上述公式計(jì)算臨界滲透坡降，一定要慎重確定所選擇的各種影響參數(shù)。總之，不論采用什么公式計(jì)算臨界滲透坡降，都與實(shí)測(cè)試驗(yàn)值有一定的誤差，在工程設(shè)計(jì)中，采用臨界滲透坡降應(yīng)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，以獲取不同試驗(yàn)條件的臨界滲流坡降。

5 結(jié)語(yǔ)

1)目前，開(kāi)展礫質(zhì)土的接觸沖刷試驗(yàn)不多，從理論和實(shí)踐上的總結(jié)不多，本身土類(lèi)的滲流試驗(yàn)是復(fù)雜的，影響的因素也是多方面的，土體的滲透性不同，各向異性不同，各項(xiàng)要素不同，因此滲流是對(duì)宏觀平均意義連續(xù)介質(zhì)理論而言的，滲透流速是整個(gè)土體斷面上的平均流速，而不是通過(guò)孔隙的實(shí)際流速。

2)按滲透理論，能滿足滲透變形要求的試樣是具有代表性的，試驗(yàn)儀器的內(nèi)徑與土樣最大粒徑之比應(yīng)為4倍。

3)本次試驗(yàn)是在控制設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，試驗(yàn)研究?jī)煞N介面接觸處的滲透變形和破壞形式，一種為混凝土蓋板，另外一種為礫質(zhì)黏性土，其中混凝土蓋板相當(dāng)于固體，摩擦力大，滲透系數(shù)較小，而礫質(zhì)黏性土則相反。因此，研究?jī)煞N界面接觸處的滲透變形，通過(guò)試驗(yàn)分析認(rèn)為，主要是礫質(zhì)黏性土的變形，其破壞是發(fā)生在礫質(zhì)黏性土本身。接觸界面是否發(fā)生滲透變形和破壞主要取決于施工工藝和防止?jié)B透破壞的控制措施。

4)如采用礫質(zhì)黏性土施工時(shí)，土料一定拌合均勻，粗粒料不能集中，否則易形成滲透通道，降低其抗?jié)B性能，尤其與蓋板接觸部位更為慎重。

5)每層填土厚度、壓實(shí)密度要一致，同時(shí)層間接觸處要刨毛，以防止出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生集中滲流。

6)考慮到試驗(yàn)的條件，不可能將施工時(shí)的各種條件都包括在內(nèi)，特別是礫質(zhì)土的不均勻性，因此安全系數(shù)選擇要適當(dāng)。

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