傅 華,凌 華,蔡正銀

(南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所,江蘇 南京 210029)

0 前 言

砂礫料是一種廣泛分布于河床和岸坡灘地的天然材料,與堆石料相比具有壓實(shí)性能好、強(qiáng)度高、軟化系數(shù)高以及開采方便等優(yōu)點(diǎn),特別是砂礫料由于自身強(qiáng)度較高、渾圓度較好,在高應(yīng)力狀態(tài)下顆粒破碎率較低,后期附加變形小,這一特征對于目前高土石壩的建設(shè)是十分重要。砂礫料的這些優(yōu)點(diǎn)使得混凝土面板砂礫壩成為有力的比選壩型。我國從20世紀(jì)80年代起先后興建了黑泉、烏魯瓦提、吉林臺等混凝土面板砂礫壩,砂礫石筑壩技術(shù)取得了一定的發(fā)展。然后,隨著我國青海溝后混凝土面板砂礫壩的潰決,這一事件使得人們對這一壩型的安全性產(chǎn)生了懷疑[1,2]。天然砂礫料場的形成由于受到地形、河道彎曲、洪水特性等因素的影響,使得其具有級配離散性、間斷性以及施工中粗細(xì)顆粒易離析等特點(diǎn),上述特點(diǎn)使得砂礫料的抗沖蝕能力較差,因此,對于混凝土面板砂礫壩,砂礫料在高水頭作用下是否滿足滲透及滲透穩(wěn)定性的要求成為大壩安全運(yùn)行的關(guān)鍵,而作為壩體第一道滲流防線的砂礫墊層料的滲流設(shè)計就顯得尤為重要,本文通過對砂礫墊層料進(jìn)行不同水流方向的滲透特性試驗(yàn),研究其滲流特性。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

考慮到壩體內(nèi)實(shí)際滲流線的走向并不是理想的垂直向和水平向,而滲透水流方向的不同,試驗(yàn)結(jié)果相差較大。在滲透穩(wěn)定性分析中,應(yīng)區(qū)分滲透水流方向不同的情況,墊層區(qū)承受較高的滲透坡降,其后各區(qū)承受的坡降逐級變小,在校核各區(qū)滲透穩(wěn)定性時,室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果就顯得尤為重要,因此本次試驗(yàn)按水流方向?yàn)樗?、至下向上和至上向?個方向進(jìn)行。試驗(yàn)所用級配曲線如圖1所示。在土力學(xué)中認(rèn)為Cc=1～3的土為優(yōu)良級配[3],本次試驗(yàn)級配曲線顯示,砂礫墊層料不均勻系數(shù)Cu=62.5,曲率系數(shù)Cc=1.6,為級配優(yōu)良曲線。以總土重的百分?jǐn)?shù)計,一般可大致以細(xì)料占總重量的30%作為評價細(xì)料填滿粗料孔隙體積的界限指標(biāo)[4],本次試驗(yàn)級配小于5mm含量為42%,小于0.5mm的顆粒含量為19%,小于0.1mm的顆粒含量為4.0%,細(xì)顆粒能夠充填粗顆粒形成的骨架,試樣為流土型土。試驗(yàn)所用試樣為天然砂礫石料。

圖1 試驗(yàn)級配曲線

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 滲透系數(shù)試驗(yàn)

水流水平方向滲透試驗(yàn)是在水平試驗(yàn)儀中進(jìn)行,設(shè)備尺寸為300mm×400mm×1000mm,試驗(yàn)試樣滲徑長度控制為400mm,下游為孔徑10mm的透水板。水流方向從下向上滲透試驗(yàn)是在垂直試驗(yàn)儀中進(jìn)行,設(shè)備尺寸為Φ 300mm×300mm,試驗(yàn)試樣滲徑長度控制為300mm;水流方向從上向下滲透試驗(yàn)是在垂直試驗(yàn)儀中進(jìn)行,設(shè)備尺寸為Φ 500mm×1000mm,試驗(yàn)試樣滲徑長度控制為500mm,試樣下部為孔徑10mm的透水板。裝樣時均在儀器壁內(nèi)側(cè)涂以凡士林以避免沿儀器壁集中滲漏,試樣采用振動擊實(shí)法進(jìn)行裝樣,在控制試樣干密度的同時嚴(yán)格控制裝樣時產(chǎn)生顆粒離析,試樣擊實(shí)到控制高度后采用水頭飽和法逐級進(jìn)行飽和,在低水頭壓力下測定一定時間內(nèi)的排水量,同時測定進(jìn)、出水的溫度,按達(dá)西定律計算滲透系數(shù)。試驗(yàn)所得結(jié)果見表1。

表1 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果顯示,水平向滲透系數(shù)總體較垂直向大到一個數(shù)量級,垂直向滲透系數(shù)水流從下向上稍大于從上向下,究其原因,主要砂礫料經(jīng)過河水的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)、碰撞,所剩顆粒磨圓度好,裝樣過程中極易產(chǎn)生分離,粗顆粒集中部分形成強(qiáng)透水層,而細(xì)顆粒集中部分則形成弱透水層,因此,當(dāng)水流方向?yàn)樗较驎r,滲透水流主要通過粗顆粒料集中的部分,相應(yīng)于透水性較強(qiáng);當(dāng)水流方向?yàn)榇怪毕驎r,滲透水必須通過細(xì)顆粒集中部分,相應(yīng)于透水性較弱。對于垂直向水流從上向下滲透系數(shù)稍小于從下向上,主要由于從上向下水流方向與重力方向一致,滲透水流有利于試樣趨向于更緊密狀態(tài),而水流方向從下向上則與重力方向相反,滲透水流的沖蝕使得試樣趨向于疏松狀態(tài)。

2.2 滲透變形試驗(yàn)

裝樣方法與滲透系數(shù)試驗(yàn)方法相同,在試樣的不同部位均布置測壓管,以觀測試驗(yàn)過程試樣內(nèi)部的壓力變化。逐級提高供水壓力,在每一級水壓下當(dāng)連續(xù)3次測得的滲水量和測壓管數(shù)值穩(wěn)定,并在觀察無異常的情況下可進(jìn)行下一級水壓力試驗(yàn)直至試樣破壞或試驗(yàn)條件限制為止,試驗(yàn)所得結(jié)果見表2,試驗(yàn)過程曲線見圖2、圖3。

表2 滲透變形試驗(yàn)結(jié)果

圖2 水流方向從下向上 v～i曲線

圖3 水流方向從上向下 v～i曲線

試驗(yàn)過程中,對于水流方向從下向上,在低水頭壓力時,測壓管讀數(shù)穩(wěn)定,水流清澈,v～i曲線總體呈直線上升,滲透系數(shù)均較接近,說明試樣內(nèi)部沒有發(fā)生明顯的細(xì)顆粒的遷移和調(diào)整。當(dāng)滲流水頭達(dá)到滲透破壞時,試樣表面幾乎同時全面發(fā)生砂沸現(xiàn)象,測壓管讀數(shù)波動較大,無法讀數(shù),試樣發(fā)生了整體的流土破壞;對于水流方向從上向下,在試驗(yàn)開始時有部分滲流出口的細(xì)顆粒以及試樣中的黏?；蚍哿１凰鲙С?試驗(yàn)出現(xiàn)了短時間的渾水,隨著滲透水流的增大,試樣內(nèi)部形成自反濾層,試樣上部承受大部分水頭,水流帶出的顆粒逐漸減少。在試驗(yàn)過程中,當(dāng)總水頭維持穩(wěn)定時,試樣內(nèi)部測壓管水頭變化不大,波動較小,反映出其試樣內(nèi)部顆粒在滲流的作用下處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài),試樣內(nèi)部顆?；ハ嘀萍s,限制移動,具有“自反濾性”,下部的試樣對上部能夠起保護(hù)作用,有效的防止?jié)B透破壞發(fā)生,當(dāng)滲透坡降達(dá)到150.0時,出現(xiàn)了間隙性的渾水,流量相應(yīng)增大,說明試樣內(nèi)部發(fā)生了一定量的細(xì)顆粒的遷移和調(diào)整,粗細(xì)顆粒處于相應(yīng)的活動狀態(tài)。v～i曲線顯示,在坡降小于 100時,試驗(yàn)曲線總體上呈直線上升,在坡降大于100后曲線斜率發(fā)生了一定的變化,試樣內(nèi)部粗細(xì)顆粒在滲透水流的作用下處于相應(yīng)的遷移和調(diào)整狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后檢查試樣表明,試樣沒有出現(xiàn)擊穿、掏空和塌坑的現(xiàn)象,由于設(shè)備條件限制,當(dāng)墊層料滲透坡降達(dá)到200.3時未發(fā)生整體破壞。

滲透變形試驗(yàn)結(jié)果顯示,對于同樣級配、同樣密度的砂礫料,水流方向不同,滲透變形試驗(yàn)結(jié)果相差非常大,水流方向從上向下遠(yuǎn)大于水流方向從下向上,究其原因,關(guān)鍵在于水流方向從上向下試驗(yàn),試樣下部放有透水板,透水板孔徑為10mm,相應(yīng)于孔隙率為33%,試驗(yàn)過程中,透水板能夠?qū)υ嚇悠鸬揭欢ǖ姆礊V保護(hù)作用,考慮到壩體在實(shí)際運(yùn)行時,墊層料后面為過渡料、過渡料后面為主堆料,每層之間均應(yīng)具有反濾保護(hù)作用,而本次試驗(yàn)所采用的透水板的孔隙率為33%,相應(yīng)于墊層料后面的實(shí)際填筑料,其碾壓后的孔隙率一定小于33%,因此,試驗(yàn)結(jié)果仍偏于保守。對于水流方向從下向上的試驗(yàn)結(jié)果主要用于模擬壩體滲流出口、壩基覆蓋層以及水庫水位陡降等工況。

3 結(jié)論及建議

(1)對級配相同、制樣密度相同的砂礫石混合料進(jìn)行了水流水平方向、從上向下和從下向上的滲流特性試驗(yàn)研究,探討了水流方向?qū)ι暗[石混合料滲流特性的影響。

(2)滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果顯示,砂礫石混合料顆粒渾圓度較好,裝樣時易離析,在試樣內(nèi)部形成強(qiáng)透水層和弱透水層,導(dǎo)致水平向滲透系數(shù)明顯高于垂直向滲透系數(shù)。

(3)滲透變形試驗(yàn)結(jié)果顯示,由于下透水板的存在,能夠?qū)ι喜吭嚇悠鸬揭欢ǖ姆礊V保護(hù)作用,使得水流方向從上向下的破壞坡降明顯高于水流方向從下向上的破壞坡降,而透水板的孔隙率大于實(shí)際壩體填筑料的孔隙率,試驗(yàn)所得結(jié)果偏于保守。

(4)室內(nèi)滲流試驗(yàn)結(jié)果是壩體滲流計算的主要依據(jù),計算選用試驗(yàn)參數(shù)時應(yīng)結(jié)合壩體內(nèi)滲流路徑的走向,有代表性的選擇參數(shù)。

(5)室內(nèi)試驗(yàn)所用級配均對設(shè)計級配進(jìn)行了縮尺,而級配是影響滲流試驗(yàn)結(jié)果的重要因素;室內(nèi)試驗(yàn)所用試樣均為無固結(jié)應(yīng)力狀態(tài),與現(xiàn)場實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)相差較大,上述因素對滲流試驗(yàn)結(jié)果的影響還有待于新型試驗(yàn)設(shè)備的研制作進(jìn)一步的研究。

[1]陳生水,鳳家驥,袁輝.砂礫石面板壩關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(1):16-20.

[2]劉杰,丁留謙,繆良娟,等.溝后面板砂礫石壩潰壩機(jī)理模型試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報,1998,(11):69-75.

[3]SL237-1999.土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[4]劉杰著.土的滲透穩(wěn)定與滲流控制[M].北京:水利電力出版社,1992.