土石坝渗流稳定性试验分析.pdf
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1、第9 期2023年9 月文章编号:16 7 3-9 0 0 0(2 0 2 3)0 9-0 17 2-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023土石坝渗流稳定性试验分析王萍(兰陵县水利局,山东兰陵2 7 7 7 0 0)【摘要黏土心墙土石坝作为一种常用的挡水建筑物,心墙的渗透性对坝体水力梯度有着重要影响,坝体水力梯度会随着心墙渗透性的降低而降低,能够大大减小坝体渗透破坏的发生概率。此次研究以某心墙土石坝为研究背景,通过建立室内试验模型进行了坝体渗流监测试验,分析了坝体渗漏量和心墙孔隙水压力受高渗透区的影响程度。结果表明:当高渗透区所在位置提高
2、时,其压力水头逐渐减小,同时因为压力水头与坝体渗漏量间的关系属于正相关,所以坝体渗漏量也逐渐降低;在工况相同时,心墙各位置孔压增大速度大致相同,最先增大部位为心墙底部,稳定后的孔压值也最高;心墙存在高渗透区时各位置的孔压值都表现为逐渐增大的规律,渗漏量增大明显;整体来看,位置相同时,工况有高渗透区时的孔压值要比无高渗透区大,并且孔压值随着与高渗透区距离的减小而增大。【关键词黏土心墙土石坝;渗透性;坝体水力梯度;孔隙水压力;高渗透区中图分类号TV641;TV139.11【文献标识码B个区,且不会对坝体渗流场造成较大影响。0.5 mm为反滤层1 工程概况土料的等效粒径。设置工况时,依次在高度15
3、cm、30 c m、某土石坝坝高9 2 m、坝顶宽14 m、坝底宽2 5 6 m,坝体40cm处布设高渗透区域,厚度为4 cm,具体见表1。上、下游高宽比分别是1:2 和1:1.8。石坝过渡层粒径不超过30 0 mm,粒径5 mm以下的占比不超过10%;反滤料粒径不超过,粒径0.0 7 5 mm以下的占比不超过5%;堆石区土料粒径不超过8 0 0 mm,粒径0.0 7 5 mm以下的占比不超过5%。2模型参数由于模型尺寸限制,模型和原大坝尺寸比例为1:15 0。但若是按此比例会因为坝顶宽度太小而导致模型无法正常建立,所以对于坝顶宽度额外将其放大至10 cm。根据比例设定坝前稳定水位为5 8 c
4、m,包含防浪墙高度的坝高为6 2 cm。在心墙中心处布设了3层孔隙水压力计来对孔隙水压力大小进行监测,监测位置与坝底的距离依次为15 cm、30 c m、40cm,在各层内有设置压力计2 个(编号依次为A、B、C、D、E、F),2 0 c m 为压力计间隔。大坝实验模型图和压力计分布情况见图1。坝体分区从内至外依次是堆石区、过渡区和心墙区。波流水槽中间为钢结构,槽尾、槽首、底部为混凝土结构,在水槽两侧安装钢化玻璃,可借助透明玻璃来对槽中情况进行观察。设定2 0 mm与10 mm分别是模型堆石区、过渡区土料粒径。土料在全部分区中的粒径均不超过2 0 mm,达到低于水槽宽度的0.1倍的要求,其中8
5、 0 0 mm为水槽宽度。因为反滤区与过渡区的渗透系数都较大,可将两者整合为一高渗区监测计心墙堆石区过渡区图1大坝实验模型图和压力计分布情况表1工况具体情况工况类型备注1无渗透区2低位3中位4高位3实验过程及结果分析3.1实验过程将工况1作为例子,将模型坝剖面轮廓画在水槽双侧钢化玻璃上,之后将1cm高的高岭土铺设在坝基部位,并将硅胶涂抹在钢化玻璃内侧,涂抹厚度为5 mm,以此黏结坝体材料和提高玻璃界面摩擦力,达到降低界面渗流的目的。从心墙开始朝两侧依次填筑土料,土料厚度5 cm,填筑时放置好孔隙水压力计。坝体填筑完毕后,借助热风枪对外侧玻堆石区过渡区厚度/cm距坝基高度/cm415430440
6、收稿日期2 0 2 2-11-17【作者简介王萍(19 7 9-),山东兰陵人,工程师,主要从事农田水利及水利工程相关工作。.181第9 期2023年9 月璃进行加热和静置的方式来提高硅胶凝固速度,硅胶凝固2 4小时后进行坝体渗透试验。先将水槽控制台软件和数据收集仪器调试到正常状态,开始采集数据并同步对坝体下游渗漏量和孔隙水压力进行监测,在水位到达预定水位时不再放水,但监测活动继续进行。因为存在渗漏,所以在试验时进行了略微补水来确保坝前水位保持稳定。其余工况(2、3和4)和工况1大致相同,不同处分别是在坝基15 cm、30 c m 和40cm处的心墙布设了高渗透区(厚4 cm)。3.2监测结果
7、因为孔隙水压力计高度一致同时对称分布,所以两者读数基本一致,所以这里对于每层孔隙水压力计只给出一个的监测数据,具体见图2。从图2 中能够看出,监测刚开始阶段,孔隙水压力计大小基本为0,表示孔隙水压力计接近饱和状态。57监测计A监测计C一监测计F20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.85.0一监测计A监测计C一监测计F0.50.00.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8对于没有设置高渗透区的工况1,当水位增大时,各位置的孔隙水压力计监测值也持续提高,增大至坝前水位不再升高时,监测数据随之保持稳定。离坝基15 cm处的孔隙水压力计A设置的
8、高度不大,孔隙水压力大小在0.35 h时开始从0 快速提高,于0.8 4 h处趋于稳定;离坝基30 cm处的孔隙水压力计C,其孔隙水压力大小在0.5 6 h时开始从0 快速提高,于0.8 4 h处趋于稳定;离坝基4 0 cm处的孔隙水压力计F,其孔隙水压力大小在0.6 4 h时开始从0 快速提高,于0.84h处趋于稳定。当水位在0.8 4 h后到达预设水位时,各个监测计的数值均逐渐保持不变,孔隙水压力计A、C、F 稳定后的大小依次是3.33Pa、2.36 Pa 和1.5 3Pa,见表2。由达西定律可以得知,因为监测计A、C、F 距离坝前水位面越来越近,压力水头随之减小,故孔隙水压力值逐渐减小。
9、坝体渗流的水在4 6 min后到达挡水板部位,渗漏水体的高度在80min后达到5 mm,9 0 m i n 后接近7 mm,这时监测活动不再继续,对渗漏水量进行测算得出其值为9.5 L,平均渗漏速度达到 6.4 L/h。:182陕西水利Shaanxi WaterResources工况类型1234如图2(b)所示为工况2 的监测数据,各部位设置的孔隙水压力计监测数据随着水位的变高而持续增大,直至坝前水位保持稳定不再变化时,监测数据随之保持稳定。与上一工况相比,监测计C、A 部位的孔隙水压力监测值增大明显,依次为2.6 2 kPa和3.7 7 kPa,同时孔隙水压力也更早从0 开始增大。这是由于有
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