某水利枢纽围堰基底砂卵石层的室内管涌试验研究_许现旭.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）1概述某水利枢纽是一座以发电为主，兼有航运、灌溉、水产养殖、旅游等综合利用效益的水利枢纽。工程上游围堰座落在砂卵石层上，在渗流作用下，该砂卵石层存在发生渗透变形而导致破坏的可能。因此，通过试验研究和判别其渗透变形发生的形式和机理便十分重要。因此，在工程区砂卵石层中，取了3组具有代表性的试样，其编号分别为cg1、cg2和cg3，分别进行渗透变形试验，以判别其渗透变形的形式，测定其发生渗透变形时的临界坡降和破坏坡降，为设计提供依据。2试验方法2.1试样级配首先对3组试样分别进行现场颗粒大小分析试验，确定它们各自的原始颗粒级配，并分别绘制颗粒分析曲线（见图1图3），作为试验制样的参考。从颗粒分析的结果来看，3组试样的最大粒径都在120 mm以上，小于5 mm颗粒含量较少，cg1号样为收稿日期2023-01-31作者简介许现旭（1964-），男（壮族），广西祟左人，广西壮族自治区水利科学研究院高级工程师，学士，主要从事岩土工程及材料方面的试验研究工作。试验与研究 某水利枢纽围堰基底砂卵石层的室内管涌试验研究许现旭（广西壮族自治区水利科学研究院广西水工程材料与结构重点实验室，南宁530023）摘要在某水利枢纽工程区砂卵石层中取了3组具有代表性的试样进行室内渗透变形试验，对其渗透变形破坏形式提出了判别，并确定临界坡降值，为设计部门采取相应预防措施提供依据。关键词渗透；级配；管涌；坡降中图分类号TV223.6文献标识码A文章编号1003-1510（2023）02-0001-03图2cg2颗粒分析曲线图3cg3颗粒分析曲线图1cg1颗粒分析曲线1DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.02.020许现旭:某水利枢纽围堰基底砂卵石层的室内管涌试验研究19.4%，cg2号样为13.2%，cg3号样为17.4%。3组试样的不均匀系数较大，分别为82.9、28.3和156.6，均属不良级配的砂卵石。细粒含量和不均匀系数的大小，将决定其发生渗透变形的形式。2.2试验仪器对试验仪器的基本要求是：首先应能测定试样的总坡降及局部坡降，其次是能测定试样的渗透性，然后是能肉眼直接观察到变形现象或运用其它方法测定变形。因此，采用的试验仪器为垂直渗透变形仪，仪器分进水段、试样段和出水段，仪器筒身为无机玻璃制成，以便观察，两侧为测压管，筒身内径为30 cm，筒身高度为内径的2倍。仪器筒身内径对试样允许的最大粒径有严格的要求。按仪器筒身内径与试样最大粒径之比值为5计，则仪器允许试样的最大粒径为60 mm，而试样原级配中最大粒径达120 mm，因此，原试样存在超粒径问题，不能按原级配装样试验，必须进行超径处理。2.3试样的超径处理为了不改变原试样的相对级配比例，也就是经过超径处理后基本上保持试样的不均匀系数不变。因此，选择相似级配法进行超径处理，就是将原有试样级配曲线向右平移，把所有颗粒粒径按比例缩小，然后根据平移后级配曲线，配料装入仪器内进行试验。3 组试样粒径缩小倍数n均为2。n值是这样确定的：原级配最大粒径d0 max与仪器允许最大粒径dmax之比值。即d0 max/dmax=120/60=2。而粒径缩小2倍后相应的小于某粒径含量百分数不变，以此绘制相似级配曲线（见图1图3），并以此相似级配曲线为准，进行配料备样。2.4试样的装填试样装入仪器中的密度以现场测得的干密度为控制标准。称取按相似级配备好的样，均匀分层装入仪器中，用击实锤击实到控制密度。3组试样cg1、cg2、cg3的干密度分别为2.13、2.05、2.07 g/cm3，试样的总厚度以上、下游测压管可以测定试样总坡降为准。在试样装填的过程中，同时进行边壁处理，防止形成边壁通道而导致试验成果失真。2.5试样的饱和与排气由于试样本身存在空气，为了比较彻底地排除试样中的空气，试验以滴水饱和的方式对试样进行饱和，在饱和的过程中将空气排除。因为试样中如果存在过多的空气，则空气形成的气泡易将试样中的孔隙封闭，造成阻力增大，使其渗透系数减小，影响试验成果的精度，因此，排气的彻底与否对取得可靠的成果十分关键。饱和与排气结束后，便可以逐步提高水头对试样进行试验，试验的水流方向为由下向上。3管涌的判别根据试样中细粒的含量和不均匀系数，可初步推断3组试样渗透变形的破坏形式为管涌。在试验中对管涌的判别，采取以下几种方法：（1）从仪器周壁及试样表面，直接用肉眼观察。（2）在双对数纸上，以渗流坡降i为纵坐标，渗透速度v为横坐标，绘制lgi lgv关系曲线，在管涌发生前，iv线段应为直线，斜率等于1。管涌开始后，该直线将发生明显转折。（3）供水水箱位置升高，而上游测压管水位并不相应升高，甚至下降，流量加大，说明试样已破坏。（4）试样表面有2/3的面积出现细粒跳动或泉眼翻滚，说明试样已破坏。对管涌而言，其变形有一个发展过程。首先是填料中最细一级颗粒开始跳动，在lgi lgv曲线上斜率为1的直线段发生转折，此时到达临界坡降，这是管涌的第一阶段；随着水头增高，细粒流失部位增多，流失粒径增大，试样的渗透性加大，出现若干通道，lgi lgv直线与横轴成某一角度继续上升，这是管涌的第二阶段，它只是量变的程度有所增加；随着水头不断升高，试样破坏程度加剧，各通道连通，细粒流失大量增多，试样表面细粒呈泉眼翻滚，试样内部结构发生了质的变化，渗流量增大，测压管水位升不上去，lgi lgv曲线i值随v值的增大而减小，其相应的水力坡降为破坏坡降，这是管涌的第三阶段，也是最后阶段。试验时，仔细观察3组试样在试验过程中出现的各种现象，并记录下来，如水的浑浊程度，细颗粒的跳动、移动或被水流带出，渗流量和测压管水位的变化等。根据管涌发展的各个阶段，绘制3组试样cg1、cg2和cg3的lgi lgv关系曲线（见图4）。根据观察到的现象，结合lgi lgv关系曲线斜率的变化，判别3组试样渗透破坏的形式，并分别确定其临界坡降和破坏坡降。2广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）图4砂卵石料管涌试验lgilgv曲线3.1cg1试样情况当水力坡降升到0.59时，可观察到细粒跳动，lgilgv曲线的斜率也发生了变化（见图4中cg1号lgilgv关系曲线上点5），此时试样达到了临界坡降ik，其值为ik=（i2+i1）/2=（0.59+0.475）/2=0.533，其中i2为开始出现管涌时的坡降，i1为开始出现管涌前一级的坡降。随着水头的继续上升，细粒流失部位增多。当坡降达到0.76时，各通道连通，细粒大量流失，5 mm颗粒跳动，测压管水位上不去，渗流量变大，在lgilgv曲线上出现转折点（见图4中cgl号lgilgv曲线上点6），i随v增大而减小，表现为管涌破坏，试样达到破坏坡降if，其值为if=（i4+i3）/2=（0.76+0.59）/2=0.675，其中i4为试样破坏时的渗流坡降，i3为试样破坏前一级的渗流坡降。3.2cg2试样情况当水力坡降升到0.17时，细粒开始回旋跳动，iv曲线斜率发生变化（见图4中cg2号lgilgv曲线上点 3），试样达到临界坡降 ik，此时 ik=（i2+i1）/2=（0.17+0.12）/2=0.145。随着水头的上升，当水力坡降达到0.20时，细粒大量冲出，表面呈泉眼翻滚，lgilgv曲线出现转折（见图4中cg2号lgilgv曲线上点4），i值随v的增大而减小，试样管涌破坏，此时破坏坡降if=（i4+i3）/2=（0.20+0.17）/2=0.185。3.3cg3试样情况当水力坡降升到0.174时，细粒开始回旋跳动，lgilgv曲线斜率发生变化（见图4中cg3号iv曲线上点 3），试样达到临界坡降 ik，此时 ik=（i2+i1）/2=（0.174+0.130）/2=0.152。随着水头的提高，细粒跳动愈来愈多，当水力坡降达到0.236时，细粒被大量冲出，水变得十分浑浊，渗流量增大，测压管水位下降，lgilgv曲线上出现转折点（见图4中cg3号lgilgv曲线上点5），i值随v的增大而减小，试样管涌破坏，此时破坏坡降if=（i4+i3）/2=（0.236+0.207）/2=0.222。4结语3 组试样均为无黏性土，且以粒径20100 mm的卵石为主，小于5 mm的细粒含量较少，均在20%以下，不均匀系数较大，均在25以上。在渗流作用下，颗粒极易沿着孔隙通道被水流带走而发生管涌。3组试样在相同条件下均进行了两次平行试验，结果基本一致，渗透变形破坏形式均为管涌破坏，发生管涌时的临界坡降都较低。因此，作为该水利枢纽工程上游围堰地基的砂卵石层，应对其采取一些必要的渗流控制措施，以防止管涌的发生。（责任编辑：窦波元）Indoor piping test and study of cofferdam foundation sandy gravellayer for a hydraulic complexXU Xian-xu(Guangxi Hydraulic Research Institute,Guangxi Key Laboratory of Water Engineering Materials and Structures,Nanning 530023,China)Abstract:From the sandy gravel layer in the project area of a hydraulic complex,three groups of representative samples were taken to conduct indoor seepage deformation test,based on which the type of failure by seepage deformation was judged and the critical gradient was determined,so as to provide basis for the design of prevention measures.Key words:Seepage;grading;piping;gradient3