高水压力作用下垫层料和过渡料

系列渗流问题研讨ppt

高水压力作用下垫层料和过渡料 渗透变形特性试验研究张伟 张家发 定培中水利部岩土力学与工程重点实验室，长江科学院

系列渗流问题研讨ppt

1.前言 前言面板坝主堆石区的级配要求不高，从渗流控制 角度来讲，过渡料是面板坝中的最后一道防线， 过渡料对垫层料的反滤保护作用对于面板坝的 安全来说是至关重要的。在垫层料和过渡料设 计标准并不完善的情况下，采用试验模型研究 高水压力作用条件下垫层料和过渡料的渗透稳 定性具有重要意义。因此，清江水布垭公司委 托我院对水布垭面板堆石坝实际填筑料进行了 一系列的试验研究，本文就是对此项研究工作 的一个总结。

系列渗流问题研讨ppt

研究工作解决的关键技术问题(1)研究确定合理的试验方法和模型尺寸以克服尺寸 效应、边壁效应对试验成果的影响。 (2)研制的试验装置能够模拟可能出现的不利条件和 过程。 (3)垫层料和过渡料渗透变形判别方法。 (4)针对不同的垫层料和过渡料，进行反滤试验，评 价过渡料对垫层料的反滤保护效果，探讨和完善反滤 准则。

系列渗流问题研讨ppt

2.试验材料 试验材料本次试验用垫层料和过渡料是取自大坝 实际填筑料，综合考虑以往一些研究成 果，确定本次试验材料的特征粒径及实 际填筑密度。

系列渗流问题研讨ppt

垫层料和过渡料特征粒径表材料名称 上包线DC1 上包线 垫 层 料 平均线DC2 平均线 下包线DC3 下包线 上包线GS1 上包线 过 渡 料 上包线GS2 上包线 平均线GS3 平均线 下包线GS4 下包线 不均匀 系数 Cu51.95 58.46 53.65 31.61 29.99 11.29 7.91

特征粒径( 特征粒径(mm) ) D8527.5 38.95 54.29 55 116.67 103 224

D609.09 14.62 22.35 31.61 52.49 48 86

D504.8 8.18 14.29 25 32.25 36 64

D301.3 2.2 3.9 12 16.9 19 33

D150.375 0.5 0.83 3.5 3.73 7.8 15

D100.18 0.25 0.42 1 1.75 4.3 10.8

P5含量 含量 (%) )51 43 34 18 17.8 11 4

系列渗流问题研讨ppt

3试验设备和试验方法 试验设备和试验方法3.1试验设备研制 试验设备研制依据《《粗粒土的渗透及渗透变形试验SL237-056-1999》的规定， 试验模型截面直径或边长应该不小于试样粒径特征值D85的4~6倍。 考虑到过渡料平均级配D85=103mm,模型截面直径或边长为 600mm时就基本上满足要求了。为此，本次试验研究研制了高压 力大流量渗流试验系统，该系统包括：(1)Φ600型垂直渗透仪： 直径620mm,其中有效直径600mm,最大可装填试样高度为 900mm,要求能承受1MPa的水压力，管路流量要求达到10升/秒。 (2)600型水平渗透仪：有效尺寸为600mm×600mm×900mm, 渗径900mm,最大承受水压力为1MPa,管路最大过水能力为10 升/秒。(3)2台大流量高压力恒流泵和专用水池。

系列渗流问题研讨ppt

垂直渗透仪

系列渗流问题研讨ppt

水平渗透仪

系列渗流问题研讨ppt

3.2试验方法 试验方法(1)试验的渗透比降确定：根据相

关研究结果[1],在 无面板的不利条件下，垫层料可能承担的最大渗透比 降为116,过渡料承担的最大比降为40,为此，在进行 垫层料和过渡料的组合试验时，除非已经发生破坏， 在实验室条件允许情况下，垫层区试验比降应尽可能 做大一些。 (2)试样的装填方法：采用分层装填试样方法进行装 样，为了解决试样与渗透仪边壁接触渗透问题，经过 比较试验，选择了水泥护壁的方法。

系列渗流问题研讨ppt

组 合 渗 透 试 验 试 样 装 填 示 意 图

系列渗流问题研讨ppt

组合渗透试验试样装填示意图

系列渗流问题研讨ppt

组合渗透试验试样装填及封样

系列渗流问题研讨ppt

4试验成果及分析 试验成果及分析4.1沿程水头分布情况 沿程水头分布情况试验中分别对垫层料中的2根测压管和过渡料中的4根测压管进行 了观测，随着渗透比降的增加，垫层料中靠近进水口的测压管水 位上升很快，而靠近过渡料的测压管水位上升较慢，过渡料中测 压管水位仅稍高于下游水位，表明反滤试验中水头主要由垫层料 承担。当渗透比降超过垫层料的临界比降后，H1测压管水头开始 升高并逐步接近上游水位，而靠近过渡料的H2测压管水位也开始 逐步上升，表明了垫层料中细颗粒的迁移，试验水头主要由级配 调整后的垫层料承担，因此，垫层料承担的实际渗透比降应大于 表3所列值。在整个反滤试验中，H3测压管水位有所升高，表明 有部分细料迁移进了过渡料中，其余测压管(H4,H5,H8)水 位与下游水位差在3cm以内，表明过渡料承担的渗透比降一直很 小，没有超过单一过渡料的临界比降，因而试验中没有肉眼可见 的颗粒流出，过渡料对垫层料起到了反滤保护作用。

系列渗流问题研讨ppt

4.2试验现象 试验现象所有反滤试验中都产生了浑水，表明试样中有粘粒或粉粒带出， 不影响骨架的稳定性。每次出现浑水时，都要等水变清，才能提 升水头。试验中还采用了往复施加水头的方法来分析过渡料对垫 层料的反滤作用。结果发现，试样在经过第一次高压渗透后，渗 透系数产生了明显的降低，一方面是垫层料被压密，另一方面是 垫层料产生了细颗粒迁移，使得垫层料的级配重新调整。试验过 程中没有出现大量浑水涌出现象，试验后检查下游水箱仅发现少 量细颗粒，对过渡料与垫层料接触部位挖开检查，也未发现有大 量垫层料细粒带入过渡料，过渡料中测压管水位一直略高于下游 水位，也表明垫层料细颗粒迁移到过渡料的数量十分有限，表明 过渡料对垫层料起到了保护作用。

系列渗流问题研讨ppt

4.3 J-V曲线 曲线从J-V曲线看，在第一次提升 水头过程中，曲线摆动明显， 表明试样颗粒的迁移和调整， 使得垫层料渗透系数降低， 在后面的往复水头作用下， 渗透系数基本一致，说明试

样的压密过程和细颗粒迁移 在第一次施加水头过程中已 经完成。垫层料在过渡料的 保护下，自身形成了一个自 滤层，在往复高水头作用时 细颗粒调整已经停止。DC2-1'/GS3-1' J-V 曲线1000.00

100.00

10.00

J

1.00

0.10 1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02 V

1.00E-01

1.00E+00

系列渗流问题研讨ppt

5综合评价 综合评价试验结果表明，垫层料渗透系数在试验初期，渗透比 降小，渗透系数在8.33×10 -3 cm/s~2.28×10-5cm/s 之间，当达到实验室提供的最大渗透比降时，由于高 水压力作用，颗粒产生了调整，试样压密，使得垫层 料 的 渗 透 系 数 减 少 为 6 . 6 1 × 1 0 - 4 cm/s~2.34×105cm/s。垫层料在承担渗透比降91.78~226.7时均没 有产生渗透破坏，过渡料中承担的渗透比降一直很小， 过渡料也没有产生渗透破坏，表明现有过渡料对垫层 料起到了很好的反滤保护作用，对比计算结果，垫层 料有可能承担的最大渗透比降为116,表明水布垭实 际填筑的垫层料和过渡料满足渗透稳定性要求。

系列渗流问题研讨ppt

值得说明的是垫层料在渗透过程中产生了细颗粒的迁 移，由于试验尺寸的限制，这种迁移迁移量还不足以 影响试验中垫层料的骨架稳定，但实际工程中，这种 迁移量远大于室内试验，是否影响工程安全，还有待 实际工程的监测。

系列渗流问题研讨ppt

6结语 结语本次试验研究为面板堆石坝填筑料的渗透变形试验研 究提供了一套室内试验研究方法，研制的高压力大流 量试验系统克服了比尺效应，同时解决了仪器壁与填 料的接触冲刷问题，为粗粒料渗透变形试验研究打下 了良好基础，同时解决了水布垭填料实际工程问题， 为业主决策以及将来工程验收提供了技术支撑。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/guf4.html