堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀试验与分析

堤(坝)基中往往存在局部浅层强透水层,其削减水头能力较弱,易发生管涌等侵蚀破坏,其破坏机理仍需深入探究。文中采用砂槽模拟堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀情况,通过改变水位来观测堤(坝)基中砂土细颗粒流失现象,获取渗流量、渗透坡降、土体颗粒级配、锥头阻力等参数。试验表明,水位增至48 cm时浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,破坏过程分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段、较细颗粒流失阶段、管涌破坏扩大阶段。此外还发现,随着砂土中细颗粒砂土的流失,堤(坝)基的锥头阻力降低而发生沉降;细颗粒砂土流失导致其孔隙率和渗透系数增大,渗流场和应力场发生较大变化,研究成果能为堤(坝)基中浅层强透水层情况提供理论支撑。     

双层堤基管涌破坏过程中上覆层渗透破坏发生发展的 试验与分析

利用室内试验模拟了刚性盖板下双层堤基渗透破坏的过程,研究了堤基发生管涌破坏后对上覆黏土层的影响。通过肉眼观察,照相机辅助拍摄及试验过程中测压管水位,流量和出砂量等的变化,分析了管涌过程中刚性盖板下黏土层破坏的发生及发展过程。堤基发生管涌破坏后,砂层上部细颗粒逐渐流失,形成强渗流通道并逐步向上游发展。渗流通道与上层黏土之间形成脱空,黏土层发生轻微沉降变形,在水流作用下产生不均匀变形导致黏土层中裂纹的产生并在水力劈裂作用下裂纹逐渐变成裂缝并越来越大,水流通过裂缝在塌陷黏土与刚性盖板之间急速流动,产生冲刷,破坏范围随管涌的发生向上游发展。黏土层的破坏促进了管涌的发生,而管涌通道不断向上游发展也加速了黏土层的破坏,两种过程相互作用,相互影响。     

单层堤基管涌侵蚀过程的模型试验及数值分析

利用砂槽模型试验研究单层堤基的管涌侵蚀破坏过程,并建立单层堤基管涌侵蚀破坏发展过程的概化数学模型和数值模拟方法。结合模型试验结果和数值模拟结果,分析单层堤基管涌侵蚀破坏的机理及侵蚀破坏过程。研究管涌局部破坏的临界比降及不同渗径长度对管涌侵蚀破坏的影响。计算结果表明:①模型试验和数值模拟结果较好地揭示单层堤基管涌侵蚀破坏过程,即当上游水头低于临界水头时,管涌存在发生、发展和停止的过程。当上游水头大于临界水头时,管涌将持续发展并最终导致溃堤破坏,计算结果和试验结果吻合较好;②得到砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据,较好地解释模型试验的一些现象,提高对管涌溃堤机理和过程的认识;③单层堤基管涌破坏的临界水头和临界水平平均比降与砂层局部破坏的临界水平比降近似呈线性关系;④单层堤基管涌破坏的临界水平平均比降随着渗径长度的增大而增大,并且大体上呈线性关系。     

渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用

管涌是涉及孔隙水渗流,可动细颗粒侵蚀、运移,多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相、多场耦合现象。为真实模拟管涌发展过程、探究管涌机制,研制渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、围压系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统。流失细颗粒收集系统可以实时收集管涌发展过程中流出土体的细颗粒及渗流量;围压及轴向压力系统模拟土体承受的三向应力状态,最高围压可达2.0 MPa,最大轴向压力可达30 kN(试样直径101 mm);渗透压力系统模拟土体承受的渗流作用,具有高水头(200 m)与低水头(低于2 m) 2种模式;数据采集系统能够实时监测土体沉降、体积及渗流进、出端水头的变化等。无围压、等向受压、三轴受压3组管涌试验表明：应力状态对管涌发展过程影响显著。等向受压状态下管涌临界坡降远高于无围压时的结果,略高于三轴受压状态下的临界坡降。新型管涌试验装置能够真实模拟土体管涌发展过程,实时监测管涌发展过程中土体细观结构、几何、水力、力学特性的演变,将成为深入研究管涌机制的可靠技术工具。     

堤防管涌试验研究与分析

为研究堤基内部填充颗粒在何等水力梯度下发生运移,进而流向出流口,最终引起管涌破坏,对砂槽模型试验装置进行了改进,避免出现接触冲刷破坏,以获得理论上发生管涌的临界水力梯度值。试验中考虑了不同细料含量、填充密度、渗径等条件下管涌临界水力梯度的变化,试验结果较为接近公式计算值。在此前提下,考虑了堤基内部存在渗流通道对管涌临界水头的影响,分析了渗流通道大小及通道距出流口远近对临界水力梯度的影响,得到了比较合理的结论。     

渗流作用下颗粒土起动临界坡降研究

地下水渗流过程中内部不稳定的颗粒土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体细颗粒迁移流失将对土工建筑物或地基造成不良影响。为了得到渗流作用下颗粒土细颗粒的起动临界坡降,从细观角度出发,分析细颗粒的受力情况,建立渗流作用下的土颗粒受力模型,根据力矩平衡得到细颗粒起动对应的临界坡降,分析埋深、粒径、暴露角等参数对起动临界坡降的影响规律。得到以下结论:(1)埋深较小时起动临界坡降受粒径影响较大,粒径0.1 mm和0.4mm的细颗粒,埋深1 cm时起动临界坡降相差19.4%,埋深5 cm时相差1.3%;(2)起动临界坡降受暴露角影响,暴露角对起动临界坡降的影响随埋深增加而减小,粒径0.1 mm的细颗粒,埋深1 cm时最大和最小起动临界坡降相差5.3%,埋深2 m时相差0.03%。     

江河大堤堤基砂砾石层管涌破坏危害性试验研究

江河大堤中下游堤基双层地基中下层渗透系数k>0.02cm/s的砂砾石土层居多数,这是一种管涌型土。研究了双层地基中这类土管涌破坏后的危害性,结果表明管涌破坏的后果,将在砂砾石层上部形成纯砾石的渗流通道,细颗粒的带出程度可达80%～100%。细料含量小于20%时带出程度可达100%,土骨架的结构不会产生明显变化,但渗流通道的渗透系数变为纯砾石的渗透系数,显著增大;细料含量大于20%时,渗流通道形成后将影响上部土层的稳定性。     

双层堤基管涌模型试验尺寸效应的数值模拟

借助双层堤基砂槽模型试验的成果,建立双层堤基管涌动态破坏过程的数学模型和模拟方法。采用数值仿真方法研究双层堤基管涌模型试验的模型尺寸效应的规律和机制,提出双层堤基管涌小尺寸的模型试验的修正方法。研究结果表明:(1)采用概化的数学模型可以很好地模拟堤基管涌模型试验结果的尺寸效应影响及管涌动态发展过程,计算结果和试验结果吻合较好,同时得到不同模型砂样内部的渗流场分布和一些难以观测到的数据。(2)模型尺寸对堤基管涌的临界水头、发展过程有较大影响,临界水头随模型宽度和深度的增加而减小,但减小的幅度逐渐减小。(3)通过理论和数值模拟分析,现有模型试验结果受模型尺寸影响较大,对现有模型进行改进,模型宽度增大为堤身长度(试验模型槽管涌口至上游临水面的距离为1.4 m)的1.7倍,模型深度增大为堤身长度的0.85倍。改进后管涌破坏区的影响半径约为堤身长度的0.85倍。     

大理岩裂隙渗流的时间效应试验研究

应用自行研制的辐射型渗流试验装置对含单个张裂隙粗晶大理岩进行不同法向应力作用下的渗流试验,分析法向蠕变对渗流特征与法向应力和水头大小关系的影响。结果表明:在恒定法向应力作用下,裂隙蠕变闭合量与时间呈对数函数关系,随时间增加而增大,呈现出明显的初始蠕变阶段特征;降水头阶段和升水头阶段渗流量均与水头差呈线性关系,岩石裂隙法向蠕变导致恒定法向应力下岩石裂隙渗流能力随时间增加而降低,降水头阶段与升水头阶段相同水头差处流量差值随水头差的增加而增大;在相同水头差作用下,降水头阶段和升水头阶段渗流量均与法向应力呈负指数函数关系,降水头阶段与升水头阶段相同法向应力处渗流量差值随法向应力增加而降低,其原因为裂隙蠕变闭合量与法向应力呈正线性关系。研究结果对岩体裂隙渗流工程实践具有一定参考意义。     

唐家山堰塞体渗流稳定及溃决模式分析

 在准确获取唐家山堰塞体地质结构(从上到下依次为①层碎石土、②层块碎石和③层似层状碎裂岩3层结构)及相关渗透参数基础上,采用Visual Modflow可视化三维软件,模拟4种堰塞湖水位(710,720,730和740 m)条件下不同土层的渗流速度和渗透坡降,表明由于②,③两层颗粒粗大、渗透性好,总体表现出稳定流的渗水特点,整体坡降变化稳定,中间不会出现如低渗透黏性土的紊流状态、渗透坡降出现拐点以及管涌渗透特点。而下游侧①层碎石土由于沿第③层形成的贯通性渗流在下游侧穿越该层渗出形成的最大坡降会大于允许坡降,将导致堰塞体下游发生零散或局部渗流破坏,且临界堰塞湖水位为726 m。随堰塞湖水位抬升,整个堰塞坝体出现的溃决模式为：下游侧表层碎石土层因渗透破坏和溯源侵蚀,同时因进口段地表水流漫顶淘刷,最终导致上部第①层碎石土被侵蚀、淘刷带走。随着第①层被淘刷、水流速度加大又进而会带动第②层块碎石被逐渐冲刷下切,但不会发生整体溃决,而第③层似层状碎裂岩将保持稳定,侵蚀和淘刷的下限深度就是第③层似层状碎裂岩顶部。     

双层堤基管涌发生发展的试验模拟与分析

利用室内试验模拟了双层堤基管涌的发生及发展过程。通过分析水头分布、流量、以及出砂量等的变化,将破坏的发生及发展归结为4个阶段：上覆层破坏前的稳定阶段、上覆层破坏阶段、上覆层破坏后的稳定阶段、整体破坏阶段。研究发现,在上覆层破坏前,上覆层承担了大部分的水头差,当上覆层破坏后,这部分水头差转由下伏砂层承担,造成下伏层水力梯度的升高,如果水力梯度超过了下伏层的临界水力梯度,则下伏层发生渗透破坏。一次渗透破坏发生后,降下上游水头,重复增加水头的过程,模拟地层在多次渗透破坏作用下,地层抵抗渗透破坏能力的变化。发现一旦渗透破坏发生后,地层再次抵御渗透破坏的能力急剧下降,多次破坏后,试样内形成贯穿上、下游的集中渗漏通道,且通道规模随着试验次数的增加而增长,若不及时采取有效措施,当通道规模发展到一定程度后,通道上部会发生塌落而使堤坝产生溃口,进而使堤坝溃决。     

流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。     

多层堤基中土层结构变化对管涌影响的试验研究

不同土层结构的堤基,管涌的发生和发展情形不同。利用室内试验,通过改变下伏砂层内夹砂层的级配组成,对3种不同夹砂层的多层堤基进行了管涌破坏过程的模拟,研究了不同颗粒级配组成的夹砂层对管涌发生及发展过程和机理的影响。试验结果表明,多层堤基夹砂层均为细砂时,承受的水压力较大,临界水力梯度较高,一旦发生管涌破坏后其渗透流量、涌砂量以及破坏范围都比较大,所以此类堤基发生管涌破坏时具有一定的突然性和剧烈性,应及早采取防治措施;夹砂层均为粗砂时,管涌破坏时的情形与双层堤基类似,管涌破坏的范围局限于砂砾层顶部,破坏深度有限;夹砂层为细砾时,发生管涌破坏的临界水力梯度较小,管涌破坏程度逐步增加且破坏速度较快,由于涌砂量较大容易使堤基产生明显的渗透变形。     

土层结构对管涌发展影响的试验研究

不同的土层结构对管涌的发生发展有着很大影响,对3种典型的土层结构进行了管涌发展的砂槽模型试验,观察并分析了管涌发生、发展的机理和过程。试验结果表明,双层堤基的砂砾石表面夹一层很薄的无黏性粉细砂时,管涌破坏前出水口的流量很小,临界水力梯度也较小,管涌破坏发生后通道发展速度很快,较短的时间内就会贯通,管涌破坏的机理与双层堤基不同;而在砂砾石层一定深度内夹有一层粉细砂将使堤基管涌破坏的临界水力梯度大大提高,然而一旦管涌破坏发生后涌砂量和侵蚀速率将很大,形成的通道深度较大,若不及时采取有效措施,当通道规模发展到一定程度后,通道上部会发生塌落而使堤坝产生溃口,进而使堤坝溃决。     

双层堤基管涌通道扩展机制和计算方法研究

双层堤基管涌通道是否扩展,取决于砂层颗粒条件、通道内冲刷水流和边壁渗流力等因素。通过分析通道边壁颗粒的受力平衡条件,引用河流动力学的相关公式,考虑砂粒相对暴露度、脉动流速、起动标准和管涌通道水流特性等因素提出通道扩展的判定条件。用2个砂槽模型试验研究冲刷水流和边壁渗流力的不同组合对通道扩展的影响,并用一维渗透试验证实渗流溢出面附近实际坡降远小于平均坡降的现象,说明提出渗流力有效比参数的合理性。在上述研究的基础上,用通道边壁稳定条件控制,建立有限元计算迭代流程,对管涌通道的扩展进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,验证该方法的可行性。     

Strength reduction of cohesionless soil due to internal erosion induced by one-dimensional upward seepage flow

Suffusion, one of the modes of internal erosion, has been widely detected in both natural deposits and filled structures. It is the phenomenon that the fine particles in soil gradually migrate through the voids between the coarse particles, leaving behind the soil skeleton. In this paper, the main focus is on the changes in soil strength due to internal erosion. A series of one-dimensional upward seepage tests at a constant water head is performed to cause internal erosion in a soil sample by controlling the three variable parameters, namely (a) the fine content, (b) the relative density of the soil, and (c) the maximum imposed hydraulic gradient on the specimen. The mechanical consequences of the internal erosion are examined by cone penetration tests. The internal erosion indicated by the loss of fine particles causes changes in the void ratio and a significant increase in hydraulic conductivity, resulting in a decrease in the soil strength from its initial value.     

考虑土对水吸附性的渗流破坏理论与应用

 工程实践和模型试验结果都表明,上覆土层往往能够承受比自重压力更大的水头压力,目前还没有相关理论能够解释这一现象。考虑土颗粒对孔隙水的吸附性及结合水的连通情况,提出广义浮力、浮重度及广义水力梯度概念,给出具体的计算方法;明确计算中所用的参数 , 和 的物理意义,建议了估算 的方法,设想了测定 和 的方法,提出 与起始水力梯度 的理论关系式。这些方法考虑土层性质的差异,针对砂土和疏松土,广义浮力、广义浮重度及广义水力梯度变为传统的阿基米德浮力、浮重度及水力梯度。进一步得到不同土层中渗流力的计算方法,最终,得到土体在地下水作用下破坏条件的统一表达式,该公式可以解释土体在地下水作用下的几种不同破坏模式。依据该理论,基坑抗渗流稳定性和抗承压水稳定性的计算方法都应被修正,目前采用的计算方法都只是适应于砂土和疏松土的计算方法。采用该方法对不同组合的土层在地下水作用下的稳定性进行分析,得到的一些结论与传统说法并不相同。如：基坑围护结构插入深度分析时,如果不存在承压水作用,黏性土中的基坑很难发生渗流破坏,粉土地层中基坑的抗渗流破坏能力比砂土中的大;基坑抗承压水突涌分析时,如果上覆土层有一定渗透性,传统的压重平衡计算结果偏于不安全,含有一定量粉土的承压水层的上覆土层抵抗承压水能力会有所提高。最后,以上述成果为基础对水土压力统一计算理论做了修正。