某水庫砂土級配與滲透變形關系的物理模型實驗研究

鄭晗 李瑜杰 馬躍強 王鵬程 文武雙

摘要：堤壩基的滲透變形和維持滲透穩定一直都是工程中的重要問題，而巖土體滲透變形的規律與影響因素也是國內外學者專家一直在努力研究的課題。本文采用物理模型實驗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系。

關鍵詞：砂土級配；滲透變形關系；物理模型實驗研究

引言：

水利水電科學研究院于1974年調查了我國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定對于水利建筑物的重要意義。認識巖土體滲透變形的特征、危害、掌握發生滲透的影響因素，得出壩基滲透場規律，進而對其進行預測和防治，在壩基工程中非常重要。

國內外在堤壩基滲透變形方面已經有了較成熟的研究，并獲得了較為豐富的成果。但仍有許多細節有待考究，本文選擇僅從壩基砂土級配與滲透變形的關系入手，采用物理模型實驗方法進行研究。

1.實驗方法與物理模型建立

1.1實驗樣品與方法的選擇

本次試驗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驗，模擬壩基滲透變形至破壞的過程，并記錄測得的數據得出相關的水力參數，從而進一步探討壩基砂土級配與滲透變形的關系。

1.2物理模型的建立

建立合適的物理模型是試驗的關鍵，本次試驗利用王鋼城教授的專利設備“第二代滲透淤堵設備”。

設備整體是一個封閉的可循環滲流系統，除了壩基模擬系統外，設備有完整的加壓系統、測量系統與循環系統。與模擬系統相連的水槽內安裝有抽水泵，抽水泵是整個裝置水循環的動力系統，水槽內的水通過抽水泵進入水壓力箱，并且通過限壓閥控制水壓力的大小。模擬系統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的水壓力。流量則通過秒表和流量計進行讀取。水壓力箱內的水通過加壓入水口進入裝置，，水在水壓力作用下通過砂樣，在土體內形成滲流場。水通過砂樣后經過排水層回流到水槽中，從而形成了一個完整的水循環系統。

1.3物理模型實驗

（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準篩進行篩分實驗，分別篩出實驗所需要粒徑范圍內的砂子，然后根據實驗要求砂樣的參數，進行樣品的配制。

（2）樣品的裝填

設備安裝后進行檢漏。將裝置充滿水，靜置24小時，觀察裝置是否漏水，如有漏水及時補漏。檢漏結束后放水并順便清洗裝置內部，清洗結束后在第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行攪拌，使樣品中的粗細顆粒相互粘著均勻混合。裝填時，分四層裝樣。每裝一層均用橡膠錘逐一擊實，使每次實驗砂槽中的砂樣密實程度相近。砂樣裝滿裝填層后進行整平。

（3）砂樣飽水

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

（4）封蓋

樣品飽水完成后，將上部的第1層進行封蓋，并使整個裝置與入水口連接準備加壓。

（5）加壓

首先進行壓力傳感器的調試，調試完成后，開啟加壓系統，使水流進入水循環系統。實驗初始按水力梯度的0.15確定水頭，再逐級升高水頭，每升高一次水頭維持穩定30分鐘，如果沒有滲透破壞的現象再提高一級水頭，當傳感器記錄界面出現突變點時，即為出現明顯滲透破壞的時刻。

（6）實驗數據的采集與記錄

每級水頭穩定后，使用壓力表和流量計記錄水箱內水壓力和流速。砂樣內部的水壓力由傳感器進行采集并使用計算機進行記錄，并觀察各級水頭下發生的滲透變形及其他現象。

2.實驗設計與結果分析

2.1原始砂樣與對照實驗的設計

原始砂樣的顆分曲線如圖1所示，要發生管涌必須具備兩個條件：

（1）幾何條件：粗顆粒構成的孔隙直徑大于細顆粒直徑，不均勻系數Cu>5；

（2）水力條件：滲流力能夠帶動細顆粒在孔隙中滾動或移動，用水力梯度表示。

本次實驗以砂樣發生管涌作為滲透破壞的臨界點，因此砂樣必須滿足發生管涌的兩個條件。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緩慢增高，最終使砂樣破壞。

本次試驗設置了兩個對照實驗，以下為三組實驗砂樣的顆粒含量情況（見表1）

2.2臨界水頭結果分析

（1）實驗結果

根據所設計的實驗進行操作、記錄，實際中讀數時間間隔視實驗進程而定。三次實驗的水頭記錄數據均通過計算機記錄，并出現了明顯的差異。

（2）數據處理、對比、分析

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

從時間上來看，由于第三次實驗中施加的壓力（水頭值）明顯偏小，使其破壞時間較第一第二次實驗長出100mins左右；第一次與第二次實驗破壞時間相近，但是第一次實驗中施加的壓力要高出第二次實驗，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，繪制三次實驗流量變化圖如下（見圖2）

圖中小陡坎為加壓標志，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生位移使下部砂層更密實。從圖中我們可以直觀地看出實驗三的流量最大且遠超過其他兩組，實驗二的流量也要高于實驗一。

2.4實驗前后顆粒級配結果分析

實驗結束后我們對實驗一與實驗二（實驗三由于流量較大數據可靠性不高）進行了各層的顆分統計并記錄。我們發現上層的細顆粒含量明顯減少；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行研究，通過物理模型試驗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間的變化關系、流量隨時間的變化關系、實驗后不同深度砂土層顆分數據三方面入手分析，得出以下結論：

（1）天然狀態下的壩基，其砂土級配在滿足發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，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，發生破壞的時間也越久。

（2）砂土級配對流量的影響主要體現在粗顆粒形成的空隙通道與細顆粒的填充程度，本次試驗中由于模型限制，導致了級配較小的改變出現了較大的影響。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）分析實驗前后顆粒級配數據，兩次實驗結果較相似，可以明顯看出上層的（<1mm）細顆粒在水力作用下向下層發生運移；2-8mm顆粒變化不大，故而基本不發生運移；>8mm的粗顆粒含量有較明顯變化，其主要原因是細顆粒流失總質量改變，另外也有一小部分粗顆粒在壓力作用下發生破碎，形成較細顆粒導致了含量變化。

參考文獻：

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