文章编号:1006-155X (2002)02-005-05
“635”水利枢纽粘土心墙坝反滤料
特性分析与试验研究
唐新军,凤家骥,凤 炜
(新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052)
摘要:根据新疆“635”工程VII 料场砂砾料的级配特性,分析了该料场直接生产反滤料的可行性,对该料场生产
的三种级配规格反滤料,按最不利工作条件进行了试验研究.研究结果表明,尽管反滤料的不均匀系数较大,但由于其细料含量较高,仍具有较好的渗透稳定性和滤土作用.在较高的渗透比降条件下,反滤料均能够很好的保护防渗土料.
关键词:土石坝;反滤料;试验
中图分类号:T V 443 文献标识码:A 新疆“635”水利枢纽的壅水建筑物为粘土心墙
砂砾石坝,其主坝坝高73.0m ,坝长320.0m ;河床两侧阶地上均布置有副坝,其坝长分别为840.0m 和740.0m ,左副坝最大坝高为21.0m ,右副坝最大坝高为37.5m.由于主副坝高差较大,且心墙土料粘粒含量较高,又属中等压缩性土料,在大坝建成投入运行后,其防渗体特别是主副坝连接段的防渗体很可能出现裂缝,从而形成渗流通道而危及大坝的安全.为防止这种有害事故的发生,重要的措施之一就是在渗流出口处设置高质量的反滤层,强化渗流控制[1,2].为此,针对该工程的具体情况,开展了反滤料的试验研究工作.
1 “635”枢纽VII 料场直接生产反滤
料的可行性分析
根据国内外的研究成果,对粘性土的反滤层设计的基本原则[3]可概括为:
(1)当防渗体出现裂缝时,只要反滤层的等效粒径D 20≤2mm ,就能起到使裂缝自行愈合的作用.为安全起见,建议防渗体第一层反滤料的等效粒径应依据粘性土的性质来确定,其取值:对于一般粘土,D 20≤0.8mm ;对于分散性粘土,D 20≤0.5mm.
(2)防渗体反滤料应选用级配料来制备,多使
用经过简单过筛的砂砾料,其不均匀系数均较大.如前苏联的热瓦里斯克坝,第一层的不均匀系数C u =68;我国柴河水库大坝的反滤料C u =48.大多数工程的第一层反滤料的C u ≤30,一般认为C u =5～20为宜,如满足这一条件,对反滤料则无须进行专门的渗透稳定性校核.
使用不均匀的反滤料可能出现的主要问题是施工过程中的分离,为减少反滤料分离所带来的危害,通常的措施有:加大反滤层的水平宽度B ,在满足机械化施工的条件下,一般取B ≥3m ;限制反滤料的最大粒径,即D max <80mm ;限制小于5mm 颗粒含量,要求P <5≥40%.当不均匀系数C u <40,P <5≥40%时,这种材料就具有渗透“自稳定性”,即具有内部渗透稳定性,属非管涌性土,是较好的反滤料.
(3)为确保反滤料的渗透稳定性,并有利于判断防渗土体是否被冲失,通常都限制反滤料中小于0.1mm 的颗粒含量不要超过5%.
“635”枢纽工程拟采用VII 料场的砂砾料作为反滤料,从该料场51个探坑取样的颗粒级配分析得到平均级配曲线如图1所示,其相应的级配特征参数列于表1.该料颗粒坚硬,抗风化能力较强,含泥量较小,从整体上看其颗粒组成是较细的,是较好的反滤料原料.
收稿日期:2001-10-14
作者简介:唐新军(1959-),男,陕西蒲城县人,博士,副教授,从事水工结构工程教学和科研工作.
第35卷第2期2002年4月武汉大学学报(工学版)
Engineering Journal of Wuhan University V ol.35N o.2Apr.2002
图1 “635”Ⅶ料场砂砾料平均级配曲线
表1 VII 料场坝料平均级配曲线特征参数
D 60
mm D 20
mm D 10
mm P <5%
P <0.1%
C u
C c
40
1.4
0.3
27 2.5133 3.2 为满足工程安全的要求和充分使用VII 料场的砂砾料资源来生产反滤料,针对“635”大坝心墙防渗土料的具体工程特性,由该料场51个探坑取样所得砂砾料直接通过40mm 、30mm 和20mm 的筛,生产3种规格的反滤料.其平均级配曲线特征参数列于表2.
表2所列参数表明:用VII 料场砂砾料直接过筛所生产的3组反滤料的级配特征量:D 20≤0.5mm ;P <5≥40%;P <0.1≤5%等均满足反滤料技术条件的要求.同
表2 三种规格反滤料平均级配曲线特征参数
D max
mm D 20
mm P <5%
P <0.1%
C u
400.4343.58 1.8252.84300.3848.26 2.0136.2220
0.27
62.66
4.50
17.33
时,3组反滤料的不均匀系数不同程度地超过了C u =5～20的经验标准.但由于其细料含量较高,仍具有自反滤性,不失为良好的反滤料.今以探坑TK 49D max =40mm 的级配为例,其不均匀系数C u =104,是51组中最大者.现分析该料的渗透稳定性.
将该料以5mm 为界限,划分为粗细两部分,各部分的级配曲线如图2所示.
图2 D max =40mm (TK 49)反滤料粗、细部分级配曲线
6 武汉大学学报(工学版)2002
粗粒部分对细粒部分滤土条件:
D15/d85=3.69<4～5
排水性条件
D15/d15=170>5
这表明尽管其不均匀系数C u=104,但它的粗粒部分仍能对细粒部分起反滤保护作用,在渗透水流的作用下不会产生管涌,具有自反滤性,属内部稳定性材料,满足“635”心墙反滤料的要求.
通过以上分析可得如下的结论:
①用VII料场的砂砾料直接过40mm、30mm 和20mm的筛所生产的反滤料,具有自反滤性,属渗透稳定性材料.
②所生产的3组反滤料,能够对“635”土石坝防渗土料起到反滤保护作用.
③所生产的3组反滤料中,小于5mm的颗粒含量绝大部分都超过40%,施工过程中不会产生分离,其不均匀系数较大,有利于压实,施工质量容易得到保证.
④根据平均级配曲线统计:若采用D max=40 mm,其成品产出率为60%;若采用D max=30mm,其成品产出率为52%;若采用D max=20mm,其成品产出率为40%.
可以根据施工进度、料源平衡等综合条件来确定反滤料的级配,以取得经济上的效益.
2 反滤料的试验研究
为确保大坝的安全,根据“635”防渗土料和VII 料场砂砾料的特点,在上述分析的基础上,进行了基于防渗体开裂的试验研究工作.试验情况如下:
(1)试验仪器装置.试验仪器装置如图3所示.为了保证采用原级配料进行试验,试样容器选用了Φ340mm,高450mm的装置.在容器的流程上分别设置4只高精度的压力表,以测量渗流要素,并通过设在容器下部的出水口,施测渗透流量[4,5].由压力表和渗透流量的变化,可以判断防渗土体和反滤层的工作状况.
(2)试验用料的选取.为了能够反映所生产的反滤料工程性质,从该料场51个探坑取样中选择等效粒径D20最大、工作条件最为不利的TK48和TK67两组级配为基料,分别通过
40mm、30mm和20mm筛来制备试验用料,其级配特征参量列于表3.
图3 试验装置示意框图
表3 试验用反滤料级配特征参数
组
别
探坑
编号
D max
mm
D60
mm
D10
mm
C u
D20
mm
P<5
%
P<0.1
%
A TK48407.00.3719.00.856 3.0
B TK67307.40.4018.50.8510.9
C TK4820 2.60.2211.80.5675 2.2 反滤料试样的密度按相对紧密度来控制,采用人工击实法装样.防渗体采用I料场土料进行试验.为能够反映心墙开裂后,裂缝周边土因受拉应力作用而处于疏松状态[5],装样时采用风干土松散堆放在反滤料表面,其干密度约为:1.25～1.3g/ cm3.试验时先浸水饱和,再进行逐级加压,检验反滤层对防渗土料的滤土作用.这是一种最不利工况,在实际防渗体中,因土体本身存在着一定的结构内聚力,其自身的抗渗能力和反滤层的滤土作用均大于松散土体.
考虑到自然界天然形成砂砾料级配分布的离散性,以及施工过程可能产生的分离,试验时除采用所选3组全料级配外,又分别剔出小于5mm、2 mm和0.5mm的颗粒,来研究缺乏细料级配情况下反滤料的工作性状.无疑,这将使D20变得更大.表4给出了试验所用反滤料级配组合情况.
表4 反滤料试验级配组合
组别
D max
mm
D mm
mm
A140<40mm全级配
A2400.5mm(剔除小于0.5mm颗粒)
A3402mm(剔除小于2mm颗粒)
A4405mm(剔除小于5mm颗粒)
B130<30mm全级配
B2300.5mm(剔除小于0.5mm颗粒)
第2期唐新军等:“635”水利枢纽粘土心墙坝反滤料特性分析与试验研究7
续表4组别
D max
mm D mm
mm
B3302mm (剔除小于2mm 颗粒)B4305mm (剔除小于5mm 颗粒)C120<20mm 全级配
C2200.5mm (剔除小于0.5mm 颗粒)C3202mm (剔除小于2mm 颗粒)C4
205mm (剔除小于5mm 颗粒)
(3)试验成果.本试验研究共进行了12组试验和4组对比试验,试验成果见表5及图4～图9.从试验成果中可得出如下的结论:①各组试验均表明:全料及剔除0.5mm 颗粒级配的反滤料,在所达到的高渗透比降条件下,反滤料均能够很好的保护防渗土料,防止了其流失,具有较好的滤土作用.
表5 “635”工程心墙反滤料试验成果表
组别
反 滤 料
D max
mm D min
mm D 20
mm γd
g/cm 3K
cm/s 防 渗 土 料
γd
g/cm 3
K 始cm/s K 终
cm/s I max
说明
A
40
00.857.90E -04400.50.95 2.127.60E -04402 4.0 1.98 4.80E -034058.4 1.918.30E -03 1.25-1.30
1.00E -04 6.00E -06400.0未击穿
2.00E -04 4.50E -06600.0未击穿
3.00E -047.80E -0683.4击 穿2.00E -04
4.40E -042
5.4击 穿B
30
00.8 2.05
5.
00E -04300.50.95 2.02 2.00E -04302 5.0 1.97 3.30E -033058.0 1.9 2.90E -03 1.25-1.30
3.70E -05
3.10E -06500.0未击穿1.30E -05 6.00E -06588.0未击穿1.00E -04 1.60E -054
4.6击 穿9.00E -05 2.60E -0519.9击 穿C 2000.56 1.96 3.20E -04200.50.9 1.97 1.72E -03202 3.4 1.94 1.02E -0320
5
7.4
1.83
3.70E -03
1.25-1.30
4.00E -04 2.00E -05618.0未击穿1.45E -047.68E -06273.0边壁局部击穿1.52E -05 3.29E -0613
5.0击 穿3.70E -05
2.12E -05
52.2
击 穿
图4 渗透比降时程曲线
(D max =40mm 全料)
图5 渗透系数时程曲线
(D max =40mm 全料)
由渗透系数时程曲线可知:防渗土体的渗透系
数随渗透比降的增加而减小,从开始的10-4cm/s 逐步减小到10-6cm/s ;当渗透比降一定时,渗透系数随时间增长而降低.这表明防渗土体开裂以后,在反滤层的保护下将产生“自愈”而继续发挥其防
渗作用[6].
②各组反滤料的渗透系数K =10-3～10-4
cm/s ,均大于防渗土体渗透系数的100倍,满足排水减压的要求.
8 武汉大学学报(工学版)2002
图
6 渗透系数—渗透比降关系曲线
(D max =40mm 全料)
图7
渗透系数—渗透比降关系曲线
(D max =40mm D min =5mm )
图8 渗透系数—渗透比降关系曲线
(D max =30mm D min =5mm )
图9 渗透系数—渗透比降关系曲线
(D max =20mm D min =5mm )
③剔除2mm 和5mm 以下颗粒的级配各反滤料,尽管在不同渗透比降作用下被击穿,最小一组的破坏比降I max =19.9,相对于“635”土坝心墙的最大比降I =1.8而言,仍有一定的安全储备.这表明所选3组反滤料,在极端条件下也能够对防渗体土起到保护作用.
3 结 论
采用VII 料场砂砾料直接过40mm 、30mm 和
20mm 筛生产的3种反滤料,均能够在防渗体开裂以后,防止粘土颗粒流失,并能使心墙裂缝具有自愈能力,确保大坝安全运行.
参考文献:
[1] 中华人民共和国水利电力部.S D J218-84,碾压式土
石坝设计规范[S].北京:中国水利电力出版社,1985.
[2] 水利水电规划设计总院.碾压式土石坝设计手册[S].
1989.
[3] 刘 杰.土的渗透稳定与渗流控制[M].北京:中国水
利电力出版社,1992.
[4] 中华人民共和国水利部.S L237-1999,土工试验规程
[S].北京:中国水利水电出版社,1999.
[5] 凤家骥.黑孜土坝心墙土料裂缝冲蚀及反滤料验证试
验与分析[J ].土石坝工程,1989(3):76-86.
[6] 凤家骥.乌拉泊水库土坝斜墙渗透稳定性试验与分析
[J ].水利水电技术,1984,11(53):6-10.
(下转第39页)
第2期唐新军等:“635”水利枢纽粘土心墙坝反滤料特性分析与试验研究9
Study on turbulent fluctuation characteristics of
temporal signal of sediment concentration in sediment-laden flow
LI N Peng ,CHE N Li ,YE X iao-yun
(K ey Laboratory of Water and Sediment Sciences of Education Ministry ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China )
Abstract :The tem poral signal of sediment concentration g ot by MicroADV in sediment-laden flow has been analyzed.By com pared with the tem poral velocity signal ,it has been found that the distribution law of turbulent intensity and power-spectral of concentration are similar with that of velocity.Als o the wavelet analysis revealed that the similarity between the sediment concentration and flow velocity on microcosmic structure.It has proved that the turbulence of the flow resulting in the sediment suspension and the fluctuation of the concentration of sediment.K ey w ords :turbulent fluctuation of concentration ;wavelet analysis ;sediment-laden flow ;MicroADV (上接第9页)
Analysis of ECR D ’s filter characteristic and study on
experiment of “635”multipurpose dam project
T ANG X in-jun ,FE NGJia-ji ,FE NG Wei
(C ollege of Water C onservancy and Civil Engineering ,X injiang Agricultural University ,Urumqi 830052,China )
Abstract :Based on gradation characteristics of sand-gravel obtained from the material yard VII at X injiang “635”mul 2tipurpose dam project ,the feasibility of producing filter directly from this material yard is analyzed and experiments on three types of filters with different gradations have als o been conducted under the m ost disadvantage w orking condition.The results show that ,in spite of a great uneven coefficient ,filters still can keep a fav orable seepage stability and fil 2tering effect with high proportion of fine particles ;furtherm ore ,on high seepage gradient ,it can effectively protect seepage-resistant s oil.
K ey w ords :earth-rock fill dam ;filter ;experiment
第2期林 鹏等:挟沙水流浓度脉动特性研究39