康永闖,朱興華,劉邦曉,孔靜雯,王夢(mèng)奎

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安 710054;2. 西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054;3. 連云港徐圩城建工程有限公司,江蘇 連云港 222000)

0 前 言

堰塞壩是高山峽谷地區(qū)由降雨或地震引發(fā)滑坡或泥石流災(zāi)害,造成一定量的固體物質(zhì)堵塞或部分堵塞河道(溝道)而形成的一種具有一定蓄水能力的天然壩體[1-3]。壩體形成后,會(huì)阻止上游水流向下游運(yùn)動(dòng),從而在壩前蓄積一定深度的水體,使壩體上下游產(chǎn)生一定的水頭差,在壩體內(nèi)形成滲流[2]。滲流破壞是堰塞壩較為常見(jiàn)的一種潰壩模式[3-5]。滲透作用使壩體材料的顆粒組成不斷發(fā)生變化,從而破壞堰塞壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命[6-7],潰壩后所形成的潰決洪水(或泥石流)嚴(yán)重威脅著下游地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[8]。

堰塞壩的滲透破壞受水力梯度和壩體材料滲透特性?xún)纱笠毓餐绊?。其?壩體材料的滲透特性一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。張健楠等[9]探究不同顆粒級(jí)配下堰塞壩的潰決流量時(shí)發(fā)現(xiàn)壩體材料的顆粒越不均勻,大顆粒被小顆粒包圍時(shí)越不容易發(fā)生滲流;石振明等[10]通過(guò)典型堰塞壩材料的一維滲流試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),細(xì)顆粒材料組與粒徑缺失組試樣的滲透破壞形式為流土,并根據(jù)顆粒啟動(dòng)流速以及粗顆粒對(duì)滲流的影響提出了臨界水力梯度計(jì)算公式。另外,也有部分學(xué)者根據(jù)顆粒級(jí)配的特征參數(shù),提出了計(jì)算滲透系數(shù)的擬合公式[11-12]。但這些公式所采用的特征參數(shù)少則僅有1個(gè)參數(shù),多則4個(gè)參數(shù),不能全面反映壩體材料的整體級(jí)配特征;同時(shí),這些公式也多是針對(duì)某一特定土樣提出的,用于其他土樣時(shí)誤差較大以至于無(wú)法應(yīng)用。壩體滲透破壞是水土耦合作用的結(jié)果,滲透系數(shù)不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān),也受水力條件的影響[13-15]。因此,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)水力梯度對(duì)壩體滲流過(guò)程的影響也開(kāi)展了廣泛的研究,胡卸文等[16]使用Visual Modflow,模擬了710～740 m間隔為10 m的4種堰塞湖水位下壩體內(nèi)的滲流場(chǎng)變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒粒徑較大時(shí),壩體中的水力梯度較小,滲流場(chǎng)變化較穩(wěn)定;王福剛等[17]分別對(duì)粗、中、細(xì)砂進(jìn)行了不同水力梯度的滲透實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)材料的滲透系數(shù)會(huì)隨水力梯度的變化而改變,其中粗砂的滲透系數(shù)受水力梯度的影響最大,中砂次之,細(xì)砂最小;王沛等[18]研究了不同水力梯度對(duì)黏質(zhì)粉土滲透特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果顯示水力梯度造成的水壓力會(huì)產(chǎn)生固結(jié)作用從而影響材料的滲透系數(shù);宋林輝等[19]發(fā)現(xiàn)水壓加載時(shí),黏土的滲透系數(shù)隨水力梯度的增加而減小;水壓卸載時(shí),黏土的滲透系數(shù)隨水力梯度的減小而繼續(xù)減小。綜上所述,顆粒級(jí)配和水力梯度是影響堰塞壩材料滲透特性的兩個(gè)主要因素,但目前有關(guān)堵塞壩材料的滲流特性研究還主要以定性為主,還缺乏滲透破壞臨界條件定量研究成果;同時(shí),有關(guān)顆粒級(jí)配和水力梯度對(duì)堰塞壩材料滲透特性影響機(jī)制還未完全闡明。

本文通過(guò)開(kāi)展不同顆粒級(jí)配和不同水力梯度條件下的堰塞壩材料的滲透試驗(yàn),系統(tǒng)研究壩體材料級(jí)配特征和水力梯度對(duì)其滲透特性的影響,并揭示堰塞壩產(chǎn)生滲透破壞的臨界條件,從而為堰塞湖災(zāi)害的應(yīng)急評(píng)估提供了科學(xué)參考。

1 堰塞壩材料的滲透實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

在試驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)方面,參考馬凌云等[20]采用組合式滲透儀、恒壓供水系統(tǒng)水循環(huán)系統(tǒng)、高精度的測(cè)壓系統(tǒng)等各部分組合方式設(shè)置了新的試驗(yàn)裝置。由于堰塞壩壩體材料顆粒粒徑變化大、級(jí)配寬,用傳統(tǒng)內(nèi)徑100 mm的滲透儀器進(jìn)行試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生較大的尺寸效應(yīng),因此本研究小組自主研發(fā)了一套內(nèi)徑為300 mm、高度為600 mm的滲透儀器,可極大的降低顆粒的尺寸效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,且縱橫比符合土壤試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。該試驗(yàn)裝置由供水裝置、滲透儀、測(cè)量裝置和收集裝置組成,具體如圖1所示。供水裝置可以提供所需水流和水力梯度,滲透儀由玻璃板構(gòu)成可以清晰的觀察到滲流發(fā)展的全過(guò)程。試驗(yàn)采用水頭飽和法獲得飽和試樣,滲流方向由下向上,滲流上方為自由溢流面,水力梯度可在0～4.0 m調(diào)整。本次試驗(yàn)僅探究堰塞壩材料的滲透特性,并不涉及堰塞壩滲流穩(wěn)定性,可以用傳統(tǒng)方法測(cè)量材料的水力梯度。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所使用的物料取自陜西省小秦嶺金礦區(qū)的大西岔溝(如圖2所示)。試驗(yàn)所用的顆粒材料的相對(duì)密度ds=2.65,含水率ω=0.19%,自然休止角為45°。由于試驗(yàn)裝置以及工況條件的限制,將大于50 mm的粒徑全部剔除。結(jié)合本次試驗(yàn)研究區(qū)的礦渣物源特征,將礦渣顆粒篩分為<0.075、0.075～0.25、0.25～0.5、0.5～1、1～2、2～5、5～10、10～20 mm和20～50 mm等9個(gè)粒組。在進(jìn)行試驗(yàn)材料級(jí)配配制過(guò)程中,將小于2 mm的粒徑定義為細(xì)顆粒[21],將大于20 mm的顆粒定義為粗顆粒,2～20 mm顆粒定義為中等粒徑,按照上述3種顆粒類(lèi)別配制出不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的壩體材料。

圖2 小秦嶺金礦區(qū)北溝堰塞壩

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況

Zhu等[22]為探究堰塞壩結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)其破壞模式和過(guò)程的影響,選擇該研究區(qū)的礦渣并開(kāi)展了11組不同粒徑分布堰塞壩的潰壩模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)壩體材料的顆粒級(jí)配對(duì)堰塞壩潰決模式和過(guò)程影響顯著。為了進(jìn)一步探索壩體材料級(jí)配特征和水力梯度對(duì)其滲透特性的影響,本項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了5種不同類(lèi)型的壩體顆粒級(jí)配組成,并探索了變水頭條件下的壩體材料滲透破壞過(guò)程。壩體材料的級(jí)配曲線(xiàn)如圖3所示。滲透裝置中,試樣橫截面積為706.86 cm2,高度40 cm,試樣密度、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)和孔隙率詳見(jiàn)表1。

表1 各工況數(shù)據(jù)表

圖3 顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)采用水頭飽和法進(jìn)行,為減少填筑過(guò)程中顆粒析出,用分層填筑直至達(dá)到預(yù)定高度,且每次分層填筑時(shí)放入孔隙水壓力傳感器(從下往上依次布設(shè)5個(gè)傳感器,編號(hào)1～5)。具體的試驗(yàn)步驟如下:

(1) 試驗(yàn)前將初始水力梯度設(shè)定為0.5,水力梯度遞增值設(shè)定為0.5,升高水頭的間隔時(shí)間設(shè)定為30 min,本試驗(yàn)裝置的水力梯度可在0～4調(diào)節(jié);

(2) 按照?qǐng)D3所示顆粒級(jí)配曲線(xiàn),制備各組試驗(yàn)所需試樣;

(3) 采用分層填筑法裝樣,每次填筑層厚5 cm,直至填筑到預(yù)定高度;

(4) 試驗(yàn)材料填筑完成后供水系統(tǒng)開(kāi)始供水,試驗(yàn)中水頭分多次加載,以便能觀察到試樣從滲流開(kāi)始到變形破壞的全過(guò)程;

(5) 每一級(jí)水力梯度下的滲流過(guò)程穩(wěn)定時(shí),根據(jù)測(cè)壓管旁的水位刻度尺讀出兩對(duì)測(cè)壓管中的水位高度,以準(zhǔn)確計(jì)算該階段的實(shí)際水力梯度i,并使用量筒在滲流量收集孔處量取一定時(shí)段的滲流量,分3次測(cè)量每次時(shí)間間隔為5 min,最終取3次滲流量的平均值為水力梯度i下的滲流量Q;

(6) 當(dāng)試樣出現(xiàn)管涌通道時(shí),認(rèn)為試樣開(kāi)始破壞,繼續(xù)升水頭,直至管涌通道的數(shù)量不在增加,管涌通道的直徑不再擴(kuò)展,結(jié)束試驗(yàn);

(7) 試驗(yàn)完畢后,整理儀器,并按照上述試驗(yàn)步驟繼續(xù)開(kāi)展下一組模型試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),粗顆粒含量占25%的工況均產(chǎn)生了大范圍管涌通道,以T1和T4兩組實(shí)驗(yàn)為例,對(duì)其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。T1(25-40-35)組模型試驗(yàn)粗顆粒較多,當(dāng)水力梯度在0～1.5時(shí)并未出現(xiàn)明顯的滲流現(xiàn)象,當(dāng)水力梯度調(diào)整到1.5,在3 100 s左右時(shí)(如圖4所示),5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力均有不同范圍的降低,此時(shí)試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了瞬時(shí)的變形,但此時(shí)通過(guò)觀察并無(wú)明顯跡象發(fā)生。水力梯度達(dá)到2.5時(shí),水體開(kāi)始變渾濁,大量細(xì)顆粒的溢出并且可在圓筒邊壁及試樣頂部觀察到細(xì)顆粒在通道中移動(dòng),試樣內(nèi)部的細(xì)顆粒遷移導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變。在此級(jí)水力梯度試驗(yàn)進(jìn)行到540 s時(shí),材料突然隆起并且可以看到大量氣泡涌出,此時(shí)試樣內(nèi)部變形較為明顯,待試驗(yàn)現(xiàn)象并無(wú)變化可認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)束,在此期間共產(chǎn)生多出管涌通道,且有4處持續(xù)存在(如圖5所示)。滲透作用從底部向頂部發(fā)展,根據(jù)孔隙水壓力的變化,說(shuō)明試樣內(nèi)部的變形一直在積累且不斷擴(kuò)大,在水力梯度i=2.5時(shí)試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

T4(15-45-40)組測(cè)試的粗顆粒減小,而細(xì)顆粒有所增加。當(dāng)水力梯度達(dá)到2.5時(shí),試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)始調(diào)整,頂部?jī)H僅出現(xiàn)了幾處小型管涌通道且存在時(shí)間不長(zhǎng),細(xì)顆粒集中堵塞到某孔隙節(jié)點(diǎn)且無(wú)法克服摩擦力涌出,產(chǎn)生了間歇性管涌的現(xiàn)象。隨著水力梯度的增大,當(dāng)水力梯度達(dá)到3時(shí),管涌現(xiàn)象比較明顯,較前一級(jí)水頭強(qiáng)烈,管涌現(xiàn)象逐漸由間斷發(fā)生變得穩(wěn)定,但僅僅只在一處發(fā)生,此級(jí)水力梯度后期,管涌現(xiàn)象逐漸穩(wěn)定,在小范圍細(xì)小孔隙內(nèi),連續(xù)不斷有細(xì)顆粒隨著水流涌出。結(jié)合孔隙水壓力傳感器(見(jiàn)圖6),孔隙水壓力1和孔隙水壓力2這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在水力梯度為3時(shí),隨著試驗(yàn)進(jìn)行試樣底部的孔隙水壓力增長(zhǎng)率急劇性增大,表明上部的試樣內(nèi)部顆粒發(fā)生顯著的調(diào)整。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象在試樣頂部出現(xiàn)的不斷通過(guò)管涌出來(lái)的細(xì)顆粒,推測(cè)內(nèi)部細(xì)顆粒在之前堵塞的孔隙內(nèi),在足夠大的水力梯度下持續(xù)涌出,與試驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。在水力梯度達(dá)到3.5時(shí),堵塞的細(xì)顆粒被沖出,管涌現(xiàn)象僅僅表現(xiàn)為通道直徑增大,并無(wú)新的管涌通道出現(xiàn)(見(jiàn)圖7),到后期偶爾有大量細(xì)顆粒同時(shí)涌出,形成較大范圍的濁狀物彌散開(kāi)。

圖6 T4組測(cè)試的孔隙水壓力變化曲線(xiàn)

圖7 T4管涌現(xiàn)象位置圖

圖8為T(mén)1、T4的I-V對(duì)比曲線(xiàn)。由圖8可知,在任意水力梯度下1號(hào)的滲透流速始終大于T4,在整個(gè)滲透過(guò)程中,T1中較多的粗顆粒更容易形成的骨架孔隙,試樣對(duì)水的抗?jié)B強(qiáng)度即水流對(duì)顆粒的拖曳力降低,在同一梯度下T1的滲透系數(shù)越大,滲透流速越快。從I-V曲線(xiàn)整體發(fā)展趨勢(shì)看,在較小的水力梯度下,滲透流速變化率隨著水力梯度的增加而減小。因?yàn)殡S著內(nèi)部侵蝕的進(jìn)行,當(dāng)試樣內(nèi)部達(dá)到臨界水力梯度后,滲透系數(shù)的增加量會(huì)減緩,直至最終破壞后滲透系數(shù)k不再增加。

圖8 T1和T4組測(cè)試過(guò)程中的I-V曲線(xiàn)

2.2 級(jí)配特征對(duì)堰塞壩材料滲透特性的影響

水在試樣中流動(dòng)時(shí),由于試樣的孔隙通道很小,且很曲折,滲流過(guò)程中黏滯阻力很大,所以在多數(shù)情況下,水在試樣中的流速十分緩慢,可認(rèn)為相鄰兩個(gè)水分子運(yùn)動(dòng)的軌跡相互平行而不混摻,即水流狀態(tài)屬于層流,符合達(dá)西定律。在初始水力梯度i=1.5的條件下使用量筒收集一段時(shí)間內(nèi)的滲流量Q,然后按照達(dá)西定律計(jì)算不同組次的滲透系數(shù),具體計(jì)算公式見(jiàn)式(1):

Q=kAi

(1)

式中:Q為單位時(shí)間內(nèi)的滲流量,m3/s;k為試樣的滲透系數(shù);A為試樣的橫截面面積,m2;i為水力梯度。

圖9為不同顆粒級(jí)配試樣干密度與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖9可以看出隨著干密度的增大,試樣的滲透系數(shù)在逐漸減少,且減緩趨勢(shì)下降明顯,且從圖中可知,滲透系數(shù)與干密度可用二次線(xiàn)性方程表示。結(jié)合表1, T1與T2這兩組的滲透系數(shù)變化比其余3組粗顆粒占變化幅度大,且粗顆粒含量由25%下降15%之間,滲透系數(shù)變化最大。因?yàn)檩^多的粗顆粒形成了更大的滲透空間,滲透水流可以更容易將細(xì)顆粒拖移,當(dāng)粗顆粒骨架形成的孔隙小時(shí),細(xì)顆粒含量的變化對(duì)試樣的滲透性影響降低?？梢哉f(shuō),干密度的變化對(duì)滲透性的影響實(shí)質(zhì)是孔隙比變化影響試樣滲透特性,孔隙比增加,引起試樣的滲透系數(shù)k增大。滲透水流主要是通過(guò)試樣內(nèi)的孔隙通道流動(dòng),孔隙比越大,形成的孔隙通道越多,真實(shí)的過(guò)水面積越大。因?yàn)槭?1)中A采用的是試樣的整個(gè)橫截面面積,其中也包含了土粒所占的面積,土粒本身是不透水的,所以真實(shí)的過(guò)水面積是小于式(1)中采用的橫截面面積,此時(shí)過(guò)水面積越大,滲流量Q越大,相應(yīng)的滲透系數(shù)k也就越大。

圖9 滲透系數(shù)與試樣密度變化關(guān)系曲線(xiàn)

從圖10中可知,在本次試驗(yàn)中,隨著不均勻系數(shù)的增大,滲透系數(shù)整體變化趨勢(shì)也在增加,Cu從17增加到47.24,滲透系數(shù)從0.27增加到0.32,增加量較小。粗細(xì)顆粒含量相差越懸殊且大顆粒粒徑逐漸增多,孔隙量也會(huì)相對(duì)增加,意味著填充的細(xì)顆粒減少和孔隙間流通性變大,滲透性增強(qiáng)。雖然作為顆粒級(jí)配表征參數(shù)的不均勻系數(shù)Cu難以對(duì)寬級(jí)配的堰塞壩材料的滲透特性進(jìn)行精確描述,但在一定的級(jí)配范圍內(nèi),不均勻系數(shù)與滲透系數(shù)也可以呈二次多項(xiàng)式關(guān)系,具有很強(qiáng)的相關(guān)性。堰塞壩的滲透特性主要取決于其材料的密實(shí)度與骨架形成的孔隙和細(xì)顆粒填充度之間的相對(duì)關(guān)系,密實(shí)度隨著細(xì)顆粒填充度的增大而增大,顆粒之間排列越密實(shí),試樣的抗?jié)B性能就越強(qiáng)。

圖10 滲透系數(shù)與不均勻系數(shù)變化關(guān)系曲線(xiàn)

2.3 水力梯度對(duì)堰塞壩材料滲透特性的影響

根據(jù)達(dá)西定律可知,若不考慮滲透水流對(duì)顆粒的重排列作用,滲透系數(shù)k并不會(huì)隨水力梯度i的變化而改變。但在本次滲透試驗(yàn)中,滲透系數(shù)隨水力梯度的增加發(fā)生了一定的變化。本文5組試驗(yàn)滲透系數(shù)k與水力梯度i的關(guān)系如圖11所示。根據(jù)圖11可知,滲透系數(shù)k隨水力梯度i的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)。造成這一變化的原因是隨著水力梯度的增加,滲透水流所產(chǎn)生的滲透力逐漸增加,試樣中的細(xì)顆粒在滲透力的作用下發(fā)生移動(dòng)或產(chǎn)生微小的調(diào)整,細(xì)顆粒的這種運(yùn)動(dòng)會(huì)進(jìn)一步堵塞孔隙通道,導(dǎo)致真實(shí)的過(guò)水面積減小,滲流量Q減小,相應(yīng)的滲透系數(shù)k也就減小。

圖11 水力梯度與滲透系數(shù)變化曲線(xiàn)

2.4 滲透破壞臨界梯度計(jì)算

上述分析了金礦區(qū)北溝的堰塞壩的孔隙特性對(duì)臨界水力梯度的影響機(jī)理,滲透作用的發(fā)生在壩體內(nèi)部具有隱蔽性,一旦發(fā)生就會(huì)影響其穩(wěn)定性,因此探究堰塞壩臨界水力梯度計(jì)算公式對(duì)研究堰塞壩滲流穩(wěn)定性具有重要作用。堰塞壩具有寬級(jí)配特征,本文參考相關(guān)文獻(xiàn)并考慮整個(gè)土體級(jí)配提出一種新的管涌破壞的臨界水力梯度計(jì)算公式[22-23]。取單個(gè)可被沖刷移動(dòng)的填料研究,水流為層流,假定直徑為d的球形顆粒在實(shí)際水流速度超過(guò)一定值時(shí)在滲透水流的拖曳力下在孔隙直徑d0通道中移動(dòng),具體受力分析如圖12所示。

圖12 顆粒在通道中的受力分析

研究過(guò)程中取單個(gè)顆粒,其水下重力:

(2)

Happel[25]根據(jù)stokes定律推導(dǎo)出管道中水流對(duì)顆粒的拖曳力:

Fd=3πμwdv

(3)

顆粒運(yùn)移中摩擦阻力:

R=(fcosα+sinα)G=Gsinα

(4)

當(dāng)G=Fd時(shí)可得顆粒啟動(dòng)臨界流度:

(5)

(6)

顆粒與水流有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力對(duì)水力梯度的計(jì)算產(chǎn)生影響,為此在計(jì)算臨界水力梯度計(jì)算時(shí)添加阻力系數(shù)Cd[10],得到壩體物質(zhì)發(fā)生滲透破壞時(shí)的臨界水力梯度計(jì)算公式:

(7)

毛昶旭[24]在分析大量試驗(yàn)資料,認(rèn)為可將d5作為發(fā)生管涌啟動(dòng)顆粒的計(jì)算粒徑。僅當(dāng)顆粒直徑小于孔隙通道直徑時(shí)才可以自由在孔隙中運(yùn)移時(shí),壩體時(shí)潛在不穩(wěn)定的,孔隙通道直徑可在最小直徑與最大直徑之間選擇:

(8)

d0max=1.86d0min

(9)

(10)

式(2)～(10):G為顆粒水下重力,N;d為可啟動(dòng)顆粒直徑,mm;d0為孔道直徑,mm;γw為水重度取1,kN/m3;γs為顆粒重度取2.65,kN/m3;Fd為拖曳力,N;μw為水粘滯度;v為水流速度,m/s;R為摩擦阻力,N;f為摩擦系數(shù);α為孔隙傾斜角,(°);n為孔隙率;Cd阻力系數(shù)取4.24;Dh骨架顆粒有效粒徑,mm;β為形狀系數(shù)球形取6;ΔSi為骨架重第i組質(zhì)量含量;Di為第i粒組的代表粒徑值。

為了驗(yàn)證文本所推導(dǎo)公式的準(zhǔn)確性及適用性,除了將其與本次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,同時(shí)以毛昶旭[24]研究中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2中的6*、7*組數(shù)據(jù))帶入,發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與試驗(yàn)值比較吻合(見(jiàn)表2)。

表2 試樣管涌臨界水力梯度的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值

3 結(jié) 論

本文開(kāi)展了不同級(jí)配特征的堰塞壩材料,在不同水力梯度條件下的滲透試驗(yàn),分析了不同級(jí)配特征和不同水力梯度對(duì)堰塞壩材料滲透特性的影響,形成結(jié)論如下:

(1) 礦渣型堰塞壩材料的滲透系數(shù)隨著干密度的增加而減少,其實(shí)質(zhì)是受孔隙比的影響,孔隙比越大,真實(shí)過(guò)水面積增加,相應(yīng)的滲透系數(shù)越大。此外,從整體看滲透系數(shù)隨著不均勻系數(shù)的增加而增大。

(2) 發(fā)生滲透破壞的條件是粗細(xì)顆粒含量維持到一定比例關(guān)系。細(xì)顆粒含量的增加,試樣的抗侵蝕能力增強(qiáng),但試樣中細(xì)顆粒含量超過(guò)一定值時(shí),材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降,容易在較低的水流下發(fā)生破壞。

(3) 在水力梯度的加載過(guò)程中,滲透力壓縮試樣導(dǎo)致其顆粒重新排列,使得有效孔隙減小,試樣的滲透系數(shù)降低。根據(jù)前人的對(duì)臨界水力梯度的研究分析,提出了臨界水力梯度計(jì)算公式,該公式可用于連續(xù)級(jí)配材料的管涌計(jì)算,但對(duì)于材料中某一粒組占比較多表現(xiàn)為級(jí)配不均勻時(shí),計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確率較差,還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究通過(guò)埋設(shè)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)部滲流的發(fā)展,然而在礦渣型堰塞壩寬級(jí)配和非恒定流的影響下,滲透破壞出現(xiàn)的時(shí)間和空間具有不確定性,僅通過(guò)局部的傳感器并不能真實(shí)反映材料內(nèi)部的滲透破壞過(guò)程,且接觸式傳感器埋設(shè)之后,對(duì)堰塞壩材料自身的滲透特性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此,在今后的研究中,將開(kāi)展更大規(guī)模的滲透試驗(yàn),以盡可能的降低小尺度模型的邊界效應(yīng)。