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1、淤堵作用对高原水库坝基土体渗透性影响的试验研究张国俊1? 王钢成1? 夏广卿2?(1. 吉林大学建设工程学院? 长春市? 130026 ? 2. 吉林省勘查地球物理研究所? 长春市? 130012)提要? 文章借鉴其它领域对淤堵作用的定义, 归纳了水库坝基防渗方面淤堵作用的相关概念和定义, 并自行设计研制了渗透淤堵仪, 进行了一系列试验, 在试验的基础上, 分析了淤堵作用的存在和降低土体渗透性的作用过程,从而论证了淤堵作用对坝基防渗或减渗的意义。关键词? 坝基防渗? 淤堵作用? 淤堵试验Experimental Study on Effect of Clogging on Dam Founda
2、tion Seepage Prevention in Plateau ReservoirZhang Guojun1? Wang Gangcheng1? Xia Guangqing2(1.College of Construction Engineering,Jilin University?2. Institute of Exploration and Geophysics of Jilin Province)Abstract ? Using the definition of clogging in the other field, this paper concludes the conc
3、ept and definition of clogging about seepage prevention of dam foundation, and seepage clogging equipment is self?designed andmade. Through a series of experiments, it analyzes the process of clogging on soil seepage, thence it verifies thesignificance of clogging on seepage prevention or seepage re
4、duction of dam foundation.Keywords? seepage prevention of dam foundation; clogging; clogging test作者简介: 张国俊( 1982- ) , 男, 硕士研究生, 地质工程专业。收稿日期: 2007- 08- 131? 前言长期以来, 在山区松散堆积地层条件下修建水库, 坝基的渗漏问题是重中之重。作为水库坝基的砂卵石层透水性极强, 水库建成后, 易发生坝基渗漏、 渗透变形等问题, 严重影响水库工程安全。通常情况下, 此类水库的防渗处理多采取垂直防渗墙措施, 但这类处理工程往往施工难度大, 施工技术复杂,
5、 而且工程投资巨大。此外, 对于较厚的砂卵石层, 帷幕灌浆的深度有限, 防渗的效果也不是十分理想。通过对西藏山南地区琼结水库的研究和监测发现, 在水库建成后运行的几年中, 坝基土体的渗透性随时间不同程度的降低, 渗漏量逐年减少, 最后坝后坡角渗水现象基本消除, 水库蓄水位达到设计要求;与之类似, 2000年 10 月三门峡水库进行排沙运用,在小浪底坝前形成泥沙淤积, 泥沙过后, 计算发现,小浪底水库左右岸渗漏量减少约 7?5% 。针对以上现象, 提出了泥沙的? 淤堵效应 对于水库防渗的影响作用: 泥沙在入库水流和库水渗流的作用下, 随时间对坝基土体产生了淤堵作用, 从而使坝基渗漏量减少。2?
6、淤堵机理? 淤堵 一词, 在水利工程研究领域主要见于对土工织物反滤系统研究和坝体减压井的淤堵处理研究, 特定针对于坝基土体渗透性影响的理论和试验研究还较少涉及, 其作用机理、 规律和影响因素还有待进一步探究。结合在西藏山南地区完成的若干高山河流区水库项目工程地质勘察的基础之上, 借鉴其他领域对淤堵的研究成果和相关定义与分类, 初步归纳了以下有关淤堵的概念。淤堵: 在渗流作用下土体中孔隙被堵塞, 造成渗透性降低的现象称之为淤堵, 这一过程称为淤堵作用或淤堵效应。按其产生的原因和作用机理可分为如下类型:1) 机械淤堵。渗透水流携带土的细颗粒在土体孔隙中沉积或阻滞, 减少了孔隙的过水面积, 降低了土
7、体的渗透性能, 称之为机械淤堵。2) 化学淤堵。渗透水流中所含有的各种离子,在特定的化学环境条件下沉淀, 形成不溶于水的化192008年第 1期 ? ? ? ? ? ? ? 勘? 察 ? 科 ? 学 ? 技 ? 术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?合物, 如CaCO3、 Fe2O3等, 附集于土体孔隙通道中,减少了过水面积, 降低了土体的渗透性能, 称之为化学淤堵。3) 生物淤堵。土体或土中水内的微生物或有 机质在土的孔隙中滋生繁殖, 把透水的孔隙通道堵塞, 降低了土体的渗透性能, 称之为生物淤堵。4) 综合淤堵。在以上多个因素相伴作用的情 况下造成的淤堵现象称之综合淤堵。通常情况下,
8、化学淤堵和生物淤堵的影响作用较小, 此次研究的重点是机械淤堵。机械淤堵又可分为三种情况: 淤塞: 指较小的土粒进入松散介质孔隙中, 减少其透水面积, 降低了土体渗透性的现象;阻塞: 指粒径与松散介质孔径相差不大的土粒,不易进入孔隙中, 但仍可部分阻塞进水通道的前端, 减少了过水断面面积, 降低土体渗透性的现象;闭塞: 指细小的粘粒聚集在松散介质孔隙的表面, 形成了一层泥皮或泥团, 减小了过水断面面积, 降低土体渗透性的现象。3? 试验设备及计算分析3?1? 试验设备 试验采用的是自行研制设计的渗透淤堵试验仪, 如图 1所示。图 1? 渗透淤堵试验仪渗透淤堵试验仪主体圆柱形铁管由上下两部分组成,
9、 上部高 200cm, 下部高 75cm, 内径 30cm, 中间由法兰盘连接密封; 右侧为水头控制管, 可分别将水 头控 制 在 1?3m、1?8m、 2?3m、2?8m、3?3m, 外 径6?3cm; 左侧下部为六个水头测压管, 测压管间中心距为 10cm, 内径 0?7cm; 底部为两个出水管, 外径为6?3cm; 距仪器底部 10cm 有一圆形带孔钢板, 实验试 样置于其上。供水系统自上而下进行, 由装置右侧水槽中的水泵完成, 同时, 在供水渗流作用过程中添加不同粒组的土样颗粒, 即对下部坝基试验土样产生相应的淤堵作用; 与此同时, 通过左侧的测压管连 续观察不同深度上试样孔隙水压力的
10、变化, 从而反应出淤堵试验过程中试样渗透性的变化。3?2? 试验计算理论试验过程中, 渗透水流自上而下通过土样, 通过 观测1、 2、 3、 4、 5 测压管的水头及底部出水管的流量来计算试验土样的水力梯度及渗透系数。因此, 将试验土样分成四层( 见图 2) , 分别计算各层的渗透 系数以及试验土样的平均渗透系数。即:K1=V i1=Q Ath1 H12( 1)K2=V i2=Q Ath2 H23( 2)K3=V i3=Q Ath3 H34( 3)K4=V i4=Q Ath4 H45( 4)K =V i=Q Ath H15( 5)K10= Kr?r ?10( 6)式中, V 为渗流速度, cm
11、3? s; i、 i 1、 i2、 i3、 i4分别为土样及试验土层1、 2、 3、 4的水力梯度; Q 为流量, cm3;H12、 H23、 H34、 H45分别为 1 与 2、 2 与 3、 3 与 4、 4 与 5的水头差; K 、 K1、 K2、 K3、 K4分别为试样及试验土层 1、 2、 3、 4 的渗透系数 cm? s; A 为试样断面积, cm2;h 为渗流路径, cm; t 为试验时间, s; K10、 Kr为水温10! 、 r ! 时试样的渗透系数, cm? s; ?10、 ?r为 10! 、r ! 时水的动力粘滞系数, Pas。图 2? 淤堵试验计算模型20? ? ? ?
12、 ? ? ? ? ? ? 勘? 察? 科? 学? 技? 术? ? ? ? ? ? 2008年第 1期通过对比K 与K1、 K2、 K3、 K4的变化, 从而表征试验模拟土样及土样内部各层渗透能力的变化情况。试样的装填主要通过密度和孔隙比 e 来控制,ms=m 1+ 0. 1w( 7)?d=ms Ah( 8)e =?wGs ?d- 1( 9)式中, ms为试样干质量,g; m 为风干试样总质量, g;w 为风干含水率, % ; ?d为试样干密度, g? cm3; A 为试样断面积, m2; h 为试样高度, cm; G s为土粒比重;e 为试样孔隙比。4? 试验结果分析试验所采用土样为西藏山南地
13、区卓玉水库拟修 建坝址区河床砂卵石土, 颗分累积曲线如图 3, Cu=d60?d10= 47?75, Cc= d302? ( d 10d60) = 2?15, 试验土样不均匀系数较大, 曲率系数在 1 3 之间, 土体级配良好, 土体中颗粒大小渐变。土体中的粗大颗粒形成骨架结构, 孔隙中的某些小颗粒被约束而处于固 定状态。试验过程中分别加入 2 3mm、 3 5mm 颗粒, 以期使试验土体产生淤堵作用。添加土样颗粒呈棱角状, 磨圆程度较差, 分选好。试验结果见图 3 6。图 3? 颗分累积曲线图 4? 渗流速度时间曲线图 5? 水力梯度- 时间曲线图 6? 渗透参数- 时间曲线? ? 图 3为
14、实验前后的颗分累积曲线对比, 系列 1为试验前的颗分累积曲线, 系列 2 为试验后的颗分累积曲线。由此可见, 试验后, 0?075 2mm 粒径范 围内的颗粒流失, 尤以 0?075 0?5mm 粒径范围内的颗粒流失最多。由于粗粒含量 Ps 65% 70% , 粗粒孔隙全部被细粒充填, 甚至粗料颗粒被细粒撑开,细料颗粒也参与骨架作用, 大小颗粒互相紧密接触, 渗流破坏的方式为流土。试验土体内处于大颗粒孔隙中的较细小颗粒呈相对疏松和自由的状态, 在渗流的作用下, 被渗透水流带走而流失, 图 3 表明,0?075 0?5mm 范围内的颗粒最不稳定易流失。 图 4 中系列 1为添加土样前系统的 v-
15、 t 曲线,系列2 为添加 300g 的 3 5mm 颗粒后系统的 v- t曲线, 系列3 为添加 300g 的 2 3mm 颗粒后系统的v- t 曲线。由此可见, 在分别添加两种不同粒径范 围的细颗粒后, 试验土体内产生了淤堵作用。对比图 3 中流失的颗粒范围, 与 0?25 2mm 接近的 23mm 范围颗粒基于该试验土样产生的淤堵作用效 果最好, 渗流速度减少明显。图 5、 6中系列 1、 2分别为添加 300g 的3 5mm、300g 的 2 3mm 颗粒后水力梯度- 时间曲线和 k-t 曲线。由此可以看出, 淤堵作用的存在使得试验 土体的水力梯度逐渐上升, 渗透系数逐渐减小。试验土体
16、内的细小颗粒随渗透水流流失后, 土体内的颗粒进行了重新排列, 添加土样进入土体孔隙, 随之212008年第 1期 ? ? ? ? ? ? ? 勘? 察 ? 科 ? 学 ? 技 ? 术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?产生了淤堵作用, 从而降低了土体的渗透系数。对比两条曲线, 同图 4, 添加 2 3mm 颗粒后, 系统的平均渗透系数减小幅度较大, 减小的趋势也更为明显。5? 结论由以上试验结果可得出如下结论:1) 试验过程中, 0?075 2mm 范围内的颗粒流 失较多, 尤以0?075 0?5mm 范围内的颗粒流失量最多, 最易流失。2) 在添加土样后, 试验土体的渗流速度随时间 逐渐减小, 水力梯度逐渐增大, 渗透系数逐渐减小,表明淤堵作用的存在和作用。? 3) 对比流失土样和添加土样表明, 在添加 23mm 土样时, 基于该试验土体产生的淤堵作用效果最为明显。 参考文献1? 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用. 郑州: 黄河水利出版社, 1999. 22? 朱
