（土木工程专业论文）宁化桥下水库大坝渗流稳定分析.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：蔓l 国垫2 0 0 6 年3 月1 4 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 壹e 国垫2 0 0 6 年3 月1 4 日 河海大学工程硕士学位论文 摘要 堤坝的渗漏破坏与渗透变形的理论始终是堤坝研究的重要课题之一。渗漏破坏给 国民经济带来了巨大的损失，因此倍受人民的关注。如何认识堤坝渗漏机理、渗透破 坏类型和渗流计算具有很大的意义。 本文首先简要地回顾了近年来国内外堤坝发生的溃坝事故，大部分的大坝事故是 由渗流引起的。论文重点讨论了土的渗漏破坏类型和有限元计算堤坝渗流计算原理， 建立有限元计算模型。土的渗漏破坏包括四种形式，它们是流土、管涌、接触流土和 接触冲刷。根据渗漏形式分析接触冲刷破坏形成集中渗漏通道的模型，推导接触冲刷 的地下水流场和渗透系数。针对不同类型的渗漏破坏的机理进行了详细的分析，从微 观的角度分析影响无粘性土渗透性的原因。依据渗流基本理论、质量守恒定理、渗流 连续方程从而推导渗流微分方程。由变分原理求渗流微分方程的解，经过一系列的数 学推导，建立了有限元求解渗流的计算公式。 在文章的最后一章，依据渗流理论和有限元渗流计算原理，对宁化桥下水库大坝 按不同工况计算大坝的渗流，研究分析宁化桥下水库发生的渗漏是属于何种渗流形 式；在不同工况下大坝渗流的等势线及渗漏量，计算水库大坝的渗流量及水力坡降； 在不同工况下大坝的稳定分析。经过渗流计算宁化水库大坝渗流不稳定，水库大坝存 在集中渗漏通道，大坝渗漏量大对大坝安全存在危险。 关键词：渗漏破坏渗流形式渗流方程渗流模型渗流计算稳定渗流计算 河海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e o r yo fs e e p a g ed e f o r m a t i o na n ds e e p a g ef a i l u r eh a sb e e nam o s ti m p o r t a n t p r o b l e mf o ral o n gt i m ei nt h ed y k er e s e a r c h s e e p a g ef a i l u r ec a u s e sg r e a tl o s st oo u r n a t i o n a le c o n o m y , i th a v eb e e ng i v e nm u c ha t t e n t i o n h o wt or e c o g n i z et h ed a m s e e p a g e a n ds e e p a g ef a i l u r et y p ea n dc a l c u l a t es e e p a g eo fd a mi sv e r yi m p o r t a n c e i n t h i sp a p e r , t h ea u t h o rf i r s tr e v i e w st h en e w l yo c c u r r e dd a m a g eo fe m b a n k n e b t f a i l u r ea th o m ea n da b r o a d i nag r e a td e g r e e ，t h em o s td a m a g eo fe m b a n k n e b tf a i l u r ei s c a u s e db ys e e p a g ef a i l u r e t h ea r t i c l em a j o rt a l k sa b o u tt h ec a l t hs e e p a g ef a i l u r et y p ea n d t h et h e o r yo fl i m i t e dc e l l s e e p a g ef l o wc a l c u l a t i o n a n da b o u tt oe s t a b l i s ht h ef i n i t e e l e m e n ts e e p a g ef l o wm o d e l t h ee a r t hs e e p a g ef a i l u r ei n c l u d e sf o u rt y p e s i t sa b o u tm a s s f l o w 、p i p i n g 、c o n t a c tm a s sf l o w 、c o n t a c tr u s h a c c o r d i n gt h et y p eo fs e e p a g ef a i l u r e ， a n a l y s i st h em o d e lo fc o n t a c tr u s hs e e p a g ef a i l u r e ，d e d u c ec o e f f i c i e n to fp e r c o l a t i o na n d g r o u n d w a t e rf l o wf i e l do fc o n t a c tr u s h d e t a i l sa n a l y z ed i f f e r e n tt y p eo fs e e p a g ef a i l u r e m e c h a n i s m ，a n da n a l y z et h er e a s o no fa f f e c to s m o s i so ft h ei n c o h e r e n te a r t hf r o m m i c r o s c o p i cs t u d y a c c o r d i n gt ot h e o r yo fb a s i ss e e p a g ef l o w 、c o n s e r v a t i o no fm a s s 、 s e e p a g ef l o we q u a t i o no fc o n t i n u i t y ，d e d u c es e e p a g ef l o wd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s o l v e s e e p a g ef l o wd i f f e r e n t i a le q u a t i o nb yp r i n c i p a lo fv a r i a t i o n ，e s t a b l i s hc a l c u l a t i o nf o r m u l a o f f i n i t ee l e m e n ts o l v es e e p a g ef l o wd u n n gas e r i e so f m a t h e m a t i c sd e d u c t i o n a tl a s t ，b a s e dt h et h e o r yo fs e e p a g ef l o wa n df i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n ，t h ea u t h o r c a l c u l a t es e e p a g ef l o wo fr e s e r v o i rd a mo fn i n f u au n d e rb r i d g eb yt h ed i f f e r e n tc a s e ， a n a l y s i sa n dr e s e a r c hw h i c ht y p eo fs e e p a g ef a i l u r eo c c u r r e dr e s e r v o i rd a mo fn i n f u a u n d e rb r i d g e ，c a l c u l a t ee q u i p o t e n t i a ll i n ea n da m o u n to fl e a k a g eo fr e s e r v o i rd a ma tt h e d i f f e r e n tc a s e ，a n dc a l c u l a t et h eh y d r a u l i cg r a d ea n da m o u n to f l e a k a g eo f r e s e r v o i r d a m ， a n a l y s i st h es t a b l eo f r e s e r v o i rd a m a tt h ed i f f e r e n tc a s e a c c o r d i n gt os e e p a g ec a l c u l a t ew e f m dt h a ti t su n s t a b l es e e p a g ei nt h er e s e r v o i rd a mo fn i n f u a ，a n di t se x i s tc o n v e r g e n c e s e e p a g ei nt h ed a m a l s oag r e a to fs e e p a g ew i l lm a k e t h er e s e r v o i rd a mo f n i n f u at op e r i l k e yw o r d s ：s e e p a g ef a i l u r e t y p eo fs e e p a g ef l o ws e e p a g ee q u a t i o ns e e p a g ef l o w m o d e l s e e p a g ef l o wc a l c u l a t i o n s t a b l es e e p a g ef l o wc a l c u l a t i o n 河海大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 - l 课题研究的背景和意义 河流两岸历来是人类繁衍生息的主要场所。一方面，人们要依赖江河、湖泊、滩 地维持生活，另一方面，又饱受其洪水灾害。据史料统计，自公元前2 0 6 年至1 9 4 9 年的2 1 5 5 年中，我国共发生较大洪水灾害1 0 2 9 次，平均每两年发生一次。其中洪水 灾害特别严重的黄河下游，自公元前6 0 2 年至1 9 3 8 年的2 5 4 0 年问，决口泛滥的年份 有5 4 3 年，决溢次数达1 5 9 0 次，重要改道2 6 次“1 。长江流域自唐代至清末( 公元6 1 8 至1 9 1 i 年) 1 2 9 3 年内，共发生较大洪灾2 2 3 次。2 0 世纪5 0 年代前的4 0 年中，共发 生洪灾8 次，其中1 9 3 1 年、1 9 3 5 年、1 9 4 9 年和1 9 5 4 年4 次最为严重，受灾农田共 9 8 8 万h m 2 ，受灾人口6 5 4 9 万人，死亡人数达3 2 6 万。洪灾随时间推移而日趋频繁， 从古代的2 0 年左右一遇，演变到1 0 至5 年一遇。本世纪9 0 年代以来，长江中下游 已经相继在1 9 9 1 年、1 9 9 6 年、1 9 9 8 年发生了三次严重的洪涝灾害。其它江河如淮河、 海河、辽河、松花江、珠江等频繁发生涝灾。洪水灾害是我国历史上和当代最严重的 自然灾害之一“1 。 由此而见在水利工程中，水对工程的破坏作用是主要的，必须予以充分的认识和 重视。一般说来有地表水和地下水两种破坏作用，地表水的冲刷破坏常会引起人们注 意，也比较容易发现和挽救；而地下水的渗流冲刷是不能眼见的，常常被忽视，有时 问题经发现，会立即导致工程的破坏，难以补救。因此一般水利工程受地下水渗流 冲刷破坏者常比地表水冲刷破坏者为多；特别是土石坝，由于多填筑在透水的土基上 以及坝体本身的透水性，渗流问题就更为严重。 首先，从调查统计资料来说明渗流问题的重要性及其破坏的严重性。根据我国水 利电力部1 9 8 1 年调查统计资料，全国2 4 1 座大型水库先后发生过的i 0 0 0 宗工程事故； 渗漏管涌事故最多，占3 1 7 ；其次是坝体和铺盖的裂缝、滑坡坍塌等。1 。各种事故 类型及所占比数如表1 1 所示： 塑塑盔堂三堡堕主兰篁鲨茎 表1 1 我国1 9 8 1 年调查大型水库工程事故的分析( 包括溢洪道等附属工程事故) - 1 1 事故类型渗漏管涌裂缝滑坡坍坑护坡破坏 空蚀破坏闸门失控冲刷破坏 白蚁及其他 所赫例3 1 7 2 5 31 0 9 6 53 o4 8 1 1 26 6 至于垮坝失事，据1 9 8 1 年全国水库失事统计资料，由于小型水库缺少水文资料 演算而导致漫坝顶冲垮者最多，占5 1 5 ，其次就是渗漏导致垮坝，占2 9 1 ( i l 妻o e 坝体渗漏占2 2 7 ) 同。 在国外，据维也纳世界大坝失事数据站所作的分析，失事原因最多的也为漫顶和 渗流，原因弄不清楚的占第三位，约为1 4 ，而没有失事于地震的坝。国内外垮坝原 因调研分析如表1 2 所示4 ，“。 表1 2 水库大坝失事调查统计 从表卜2 统计数字可知，水库垮坝失事于渗漏管涌者占约3 0 - 4 0 ；即使被列 河海大学工程硕士学位论文 入裂缝、滑动及滑坡等的破坏类型者也无不与渗流发生密切关系。由此可见，渗流破 坏作用的严重性；没有渗流安全，就没有大坝安全”1 。 其次，从我国建国5 0 多年来水利建设的现状来看渗流问题的严重性，将是更为 突出。新中国建立以来，全国已建成各类水库8 万多座，总库容5 6 5 8 亿m 3 。其中： 大型( 库容1 亿m 3 以上) 4 5 3 座，中型( 座容1 0 0 0 万m 3 到1 亿m 3 ) 2 8 2 7 座，小型 水库8 1 8 7 3 座。在这些已建水库中，土石坝占9 0 ，其中又以均质土坝最多。同时还 整修和新修了2 7 9 万多千米的河堤、圩堤和2 5 万多座水闸，说明了水利建设的巨大 成就”1 。但也应看到，这些工程也存在如下几个普遍问题： 一是标准低，不少工程是通过不断改建、加固逐步提高。如黄河下游自1 9 5 0 年 以来己进行了三次全面加固，沿河涵闸及河道防护工程也因河床不断淤积和堤防的加 固而多次改建。 二是其中不少工程是6 0 年代的“三边”( 边勘测、边设计、边施工) 工程，因此 设计欠周密，施工质量差，存在不少病情和隐患，处于长期带病运行之中。 三是其中质量好的工程，至今运用已超过3 0 年，出现材料老化、结构磨损、水 流淘刷腐蚀、泥沙淤积、管理不善等原因而险象丛生的情况。 从上述情况可见，我国目前的堤防、大坝工程存在的问题是比较突出的，每逢大 汛期间矛盾集中暴露，到处处于被动挨打的局面。因此应该扭转这一形势，大力贯彻 “以防为主”的方针，在非汛期认真切实做好探险、查险、除险等工作。 大量的资料和实践经验表明：在汛期发生的各种险情中，大部分是由于渗透破坏 造成的，例如，在1 9 9 8 年大洪水中有7 0 的险情是由于渗透造成的，除溢漫险情外， 溃口险隋几乎全部是由于渗透破坏所致”1 。 但是由于绝大多数小型水库缺少水文和地质资料，未经勘测设计就动工兴建，大 跃进中旋工控制不严，以致遗留下不少工程质量和防洪标准不够的后患。根据1 9 8 1 年统计资料，垮坝率高达3 4 ，若按水库安全标准排队，约有一半被列入病险库。 河海大学工程硕士学位论文 仅就大型水库来说，工程质量达不到标准而被列为病险水库的当时也有4 0 。这里所 谓质量不好主要指导致渗流破坏危险“。 1 2 本论文的主要研究工作 堤坝渗漏是造成垮堤垮坝的主要原因之一，对于渗流的形成原因及其机理就成为 一个重要的问题。由于堤坝渗流问题本身的复杂性，按照确保工程安全可靠的要求， 采用多种研究方法，不断的去了解它、认识它、改造它，十分必要。如何正确地认识 堤坝渗流破坏的类型，采取有效的防护措施及防止渗透破坏的形成是工程安全稳定研 究的重要主题。本文在阅读了大量的文献的基础上，探讨了宁化桥下大坝渗流安全稳 定分析，研究大坝的安全和解决方案。 从下章开始，本文分四个部分来探讨宁化桥下水库大坝渗流安全稳定分析的一些 工作。 第二章对宁化桥下水库大坝工程地质、水文等背景进行分析，导出接下对大坝需 要解诀的一些问题。 第三章讨论发生渗透破坏的形成形式，从土的颗粒可以形成渗透破坏形式，根据 此理论分析宁化桥下水库大坝应属于何种形式。 第四章讨论了非稳定渗流自由面确定的有限单元方法，用于确定渗流自由面并求 解各结点的水头值。 第五章也是本文作为实际工程的应用，本文用基于渗流有限元的方法，从大坝下 游反滤层是否受破坏两种情况，分析大坝应是属于何种情况下，并以此情况下所计算 宁化桥下水库大坝在不同工况下的浸润线及等势线，并以此结果计算大坝的稳定，同 时分析了大坝的安全、稳定性。 4 河海大学工程硕士学位论文 第二章工程概况及地质特征研究 2 1 工程概况 桥下水库位于闽赣交界的宁化县淮土乡，坝址拦截江西省琴江水系横江支流的泗 溪和荷山塘溪。坝址以上集雨面积2 1 5 k m 2 ，桥下水库枢纽工程于1 9 7 2 年1 0 月动工 兴建，1 9 7 6 年6 月大坝工程竣工投入运行。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水隧 洞、坝后电站等建筑物组成。桥下水库是一座以灌溉为主，结合防洪、发电、养殖等 效益的综合性中型水库。大坝为多种土质坝，坝顶高程4 3 8 4 0 m ，坝顶宽6 m ，最大坝 高4 4 9 0 m ，坝长1 8 0 m 。迎水坡坡比自上而下分别为：1 ：1 9 、1 ：2 5 、l ：3 5 、1 ： 1 5 ，坝坡为干砌块石护坡，背水坡坡比自上而下分别为1 ：2 0 、1 ：2 2 5 、l ：1 5 ， 坝脚处殴排水棱体。水库设计标准为1 0 0 年一遇洪水设计，1 0 0 0 年一遇洪水校核， 水库正常蓄水位4 3 4 5 0 m ，设计洪水位4 3 6 7 4 m ，校核洪水位4 3 7 4 1 m 。大坝基础为 硅质细砂岩。 2 2 工程地质 2 2 1 工程地质 桥下水库地处闽赣交界地带，武夷山脉中段东南侧，属中低山区，山脉走向以北 东东向为主，地势以高低起伏中低山为特征，海拔3 5 0 m 5 0 0 m 。出露的地层主要有 白垩系下统禾口组砂岩、粉砂岩、砂砾岩，震旦系绢云千枚岩、深灰色黑云母斜长变 粒岩，前震旦系青灰色黑云母斜长变粒岩和后期侵入花岗岩脉及第四系等，水库区内 地层、岩性复杂。 水库区处于闽西北隆起带和闽西南拗陷带的两大构造单元交接部位中段，同时又 有多条省内主要断裂带在附近通过，地质构造十分复杂。 河海大学工程硕士学位论文 根据区域地质和相关资料及钻探揭露，大坝两岸及河床下部为白垩系下统禾口组 第一段( k 。h 8 ) 砂岩，岩层产状：s nv z 4 5 。坝基岩体除距i 卜i1 勘探线水平距离 1 5 6 m 1 9 5 m 段为弱风化外其余地方风化较强烈，且不均匀，全风化带厚度5 m 一一1 7 m ， 强风化带厚度o m 4 m ，详见地质平面、剖面图2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 。据钻孔注水及 压水试验全强风化岩体渗透系数k 平均值为6 0 6 x1 0 一c m s ，呈中等透水；弱风化上 部岩体的透水率为6l u 一9 l u ，平均透水率7 5 l u ，整体为弱透水。相对隔水层( q 5 l u ) 埋深左岸1 9 m - 。3 1 m ，河床3 1j i 卜4 5 m ，右岸2 0m 4 5 m 。大坝坝基全强风化岩体，在大 坝坝基存在隐蔽的渗漏问题。在高库水位情况下，左岸山体下游出现渗漏逸出。” 图2 1 宁化桥下水库大坝地质平面图 河海大学工程硕士学位论文 2 2 2 坝体防渗 桥下水库大坝为多种土质坝，实际只是在背水坡4 1 2 0 0 高程以上，底宽3 4 m 河海大学工程硕士学位论文 高度2 6 m 的三角形代替料，近似认为均质坝，坝体上下游设置堆石棱体，并做好防滤 层，坝体粘土防渗体底宽达1 0 4 m ，符合规范要求，根据地质勘探及注水试验，综合 室内试验成果坝身填土渗透系数k 值为4 5 1 0 一c m s ，在规范要求值1 o 1 0 1c m s 附近，但坝料含砂量偏高，由此认为坝体填筑料源差，施工质量也差，需深入进行渗 流稳定分析。 2 2 3 基础处理 大坝基础在为硅质细砂岩，基础防渗型式采用清基回填，限于当时的施工条件和 技术要求，基础清理不够彻底，大坝坝脚存在少量的渗漏现象。 2 2 4 反滤层 在大坝上游迎水坡设有干砌块石护坡，下游设有排水棱体。下游排水棱体设有防 滤层，防滤层厚8 0 c m ，共设三层；第一层为粒径0 1 c m o 2 5 c m 的砂，厚3 0 c m ：第 二层为粒料0 1 7 c m 1 8 c m 的砂砾石，厚2 0 c m ；第三层为粒径3 5 7 c m 的碎石，厚 3 0 c m 。上下游反滤层，无粒径级配资料，是否存在反滤层堵塞等情况，在下一步渗流 计算和现场地质及运行情况结合进一步探讨。 2 3 工程运行中的渗流状况 桥下水库1 9 7 6 年投入运行以来，据运行单位现场观测，山体坡脚发现多处漏水， 漏水量随库水位的升高而增加，尤其是库水位4 2 2 o o m 以上，渗漏水量大；水位在 4 2 2 0 0 m 时，测得漏水量约为2 l s 左右，坝顶2 3 m 以下背水坡坝坡湿润，说明大坝 渗漏较为严重。 1 9 7 8 年5 月中旬发现坝后脚有一股漏水，随后在坝后下游进行漏水观测，漏水 量自4 5 l s 升高至1 0 1 4 1 s ，1 9 7 9 年1 1 月1 3 日水库蓄水位4 2 8 8 0 m 时，大坝右端 离原山坡2 m 左右砌石护坡处有漏水响声，清理反滤层的砂石，发现一道上下游走向 的横向裂缝，裂缝上限在4 3 0 o o m 高程消失，下限在4 2 7 o o m 高程消失，裂缝总长 河海大学工程硕士学位论文 1 4 m ，最宽处在4 2 8 8 0 m 高程，表面宽4 m m 5 r a m 。裂缝漏水处理从1 9 7 9 年1 2 月开始， 至1 9 8 0 年4 月1 5 日完成，根据裂缝位置、宽度、深度，从4 1 7 o o m 至4 3 5 5 0 m 高程， 开挖顶宽3 0 m ，深度比裂缝尽头再往里挖深0 5 m 、l m ，山坡开挖成l ：1 坡度，将原山 坡的破碎风化石挖除，在漏水部位回填0 8 m l m 厚，长l o m 左右的混凝土作封闭层， 然后对坝肩进行灌浆，灌浆排孔距1 m 梅花排列，人工钻孔深1 0 m 1 5 m ，用手摇灌 浆机灌浆。 宁化水库大坝存在着较大的渗漏量，大坝是否安全稳定，接下对大坝坝体填筑材 料和对大坝渗流稳定计算分析研究大坝的安全稳定性。 2 4 本章小结 本章主要研究了宁化水库大坝所处地理位置，大坝的结构形式，大坝的地质情况， 以及本工程在生产运行过程中的存在问题，初步了解水库大坝特性。 9 河海大学工程硕士学位论文 第三章大坝填筑材料渗流形式判定 水或其他流体在岩土等孔隙或裂隙介质中的流动，可以统称为渗流，其流动性质 取决于作为渗流骨架的岩土性质与其中流体的性质。由于这些性质，特别是介质的孔 隙大小形状及其分布异常复杂，就很难用孔隙形式表征其渗透性，也不易像地表水那 样寻求水流质点的真实流速；所以常用平均概念和综合性的参数代表其渗流性质。因 此要确定宁化桥下水库大坝坝体是属于何种性质的渗流形式，必须分析了解大坝填筑 土料的性质和形成渗透破坏所具有的一些特征，从而揭露水库大坝一些渗流性质。 3 1 土的渗透破坏 3 1 1 土的渗透系数的确定 土的渗透系数的确定有实验和计算两种方法。渗透系数的计算是岩土工程问题中 的一项重要的研究课题，因为它不仅可以给出工程实用的计算方法，而且可以揭示渗 透系数的物理意义，以及影响渗透系数的各个影响因素，如孔隙直径，等效粒径等。 达西定律中的渗透系数，最初只是经实验确定的经验参数，多年来，许多学者采 用量纲分析、毛细模型、水力半径、孔隙平均直径模型和统计模型理论来推导，阐明 f r2 其物理薏t y v = 二- _ 屁 ( v ：毛细管中实际的平均流速；v ：液体的运动粘滞系 x 1 。 数；g ：重力加速度；r ：毛细管半径；胁：毛细管中实际的水力坡降) 为基础，采用 土体孔隙平均直径代替毛细管半径“。 对于均匀上可直接使用如下模型简化： ( i ) 理想化将均匀士视为颗粒大小相等的球体； ( 2 ) 理想化将均匀上的孔隙通道看作一束束平行的毛细管道。在理想模型的基 础上进一步假设： ( 3 ) 假想体的毛细管道的孔隙体积等于理想体的孔隙体积 ( 4 ) 假想体的、细管道的管壁总表面积等于理想体即球体的总表面积。由此可 求得孔隙平均直径d o 河海大学工程硕士学位论文 d 0 = 丽2 而n d( 3 1 ) 式中o ：颗粒形状修正系数，为土颗粒表面积与同体积球体表面积之比 n ：土的孔隙率；d ：均匀土颗粒直径。 上式是将均匀土转化为假想土体的数学模型。对均匀土，n 的变化范围在0 3 0 4 5 之间，的变化范围在1 o 1 5 ，带入可得平均孔隙直径： d 。= ( 0 2 0 3 ) d 0 2 5 d ( 3 2 ) 对于无粘性天然土( 不均匀土) 孔隙平均直径，一般采用d o = d 2 0 “。 一1 2 2 按照毛细管中层流公式y 。= 鱼兰，。渗透系数可以表示k 。= 爿珥，于是计算渗 嚣v 透系数时许多学者给出了计算孔隙平均直径的公式： 哈增( a n a z c n ) d o = b d l o ( b 一0 2 1 0 2 5 ) ( 3 3 ) 康德拉且夫d 。= 0 2 1 4nd 5 0 ( 3 4 ) 柯森( k oze n y ) d o ：0 4 d o( 3 5 ) 水利水电科学研究院d o = o 6 3 n d 2 0 ( 3 6 ) 由此可见，对于均匀无粘性土，各学者所给出的孔降平均直径，都具有大致相同 的数值1 。 对于无粘性土的渗透系数的确定也有不同的表达式： r r 2 水利水电科学研究世= o 0 0 3 1 ”3 爹屯( 3 7 ) m k l o = 2 3 4 b n 3 d 2 2 0 哈增( a i - i a z e n ) k = c a ? o ( 3 8 ) n 6 1 扎乌叶布公式k i 。2 c 百兰孑露 ( 3 9 ) “7 3 k i o = 1 0 5 ( q d 5 0 ) 2 康德拉且夫”：旦 ( 3 1 0 ) 1 q m 。 上式表明，决定无粘性土渗透系数的主要因素是颗粒组成和孔隙率，其中颗粒组 成可以以等效粒径来表示。 3 1 2 无粘性土颗粒组成的类型与分类 颗粒组成是研究无粘性土的基本特性的主要依据，通常以各粒径含量的累积曲 线，或分布曲线来表示。无粘性土分为均匀土和不均匀土两类，它们的颗粒组成曲线 河海大学工程硕士学位论文 有明显的区别。前者分布曲线只有单峰一种形式，各粒径级都有一定的含量，而且峰 值粒径的含量占绝对优势，并且峰值粒径及d 5 0 无明显差别。不均匀土的颗粒分布曲 线多呈两种形式，第一种形式为单峰，但与均匀土不同，其峰值远偏离中值，而且多 呈左偏峰。不过有时也出现双峰，但右峰较低，两峰之间的睦线仍连续，谷点粒径的 含量至少有4 一5 。累积曲线的特点，表现为睦线的坡度无明显平缓段。第二种形 式的分布曲线明显呈双峰，双峰之间有的曲线有间断点，有的虽然连接，但最低点的 粒径含量小于或等于3 。累积曲线的形状的特点，明显呈椅子形。这种土称为级配 不连续土，也称为缺乏中间粒径土“。 在自然界中，不均匀土的颗粒组成呈级配不连续型，而且主要出现在河流的中、 上游，这是多沙河流中水流的携带能力随时期的不同而造成的，丰水期河道只能沉积 粗颗粒土，枯水期主要沉积细颗粒土，加之一般河流的特性多为在汛期猛涨猛落，中 间粒径多被分选。 不均匀土的区分原则和方法： 在土力学中将均匀土列为级配不良的土。该土压密性差，孔隙率大，稳定性不好。 太沙基指出，d o o 1 m m ，不均匀系数c u 5 0 0 0 ：( b ) d d ；( c ) 下层细粒土没有任何凝聚性。”雷诺数 按下式确定： r 一：堕 ( 3 2 5 ) 河海大学工程硕士学位论文 0 0 j 图3 4 j c 与茜的关系曲线 式中；v 为渗流平均速度( c m s ) ；v 为液体的运动粘滞系数( c m 2 s ) ；d c p 为下层细 粒d 和上层粗粒d 的平均值，即d 。= l ( d + 。) ，如为非均匀颗粒组成的土体，则d 和d 按下式计算 。一鼻d ， 一乏可 d ：圣堕 “ 鼻 ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) 式中：d i 或d 为土的i 级粒径；p 。为相应于d i 或d ；的百分含量。 3 3 宁化水库大坝土样试验分析 3 3 1 根据水库大坝坝体取芯土样进行试验，”从土样的颗粒组成分析坝体的土料的 性质并根据以上理论判断大坝土体可能产生的破坏类型，试验颗粒组成分析详见表 3 1 ： 9 河海大学工程硕士学位论文 5 22 o 5 3 6 8 9 1 7 3 o 3 7 6 9 3 1 2 5 3 3 5 6 4 | 3 6 7 1 0 _ 3 3 2 3 1 9 3 4 6 3 - 3 4 2 5 2 o 5 0 2 5 3 2 3 5 8 4 2 4 2 5 3 6 2 4 3 6 2 9 3 7 粒径大小( n u n ) 0 2 5 0 0 7 5 0 0 5 0 0 7 50 0 5 0 0 1 5 81 2 7 1 6 1 7 31 8 6 1 7 3 7 8 1 7 81 1 7 2 3 2 2 12 6 8 3 68 11 6 5 4 51 8 6 1 5 3 6 7 1 1 82 3 1 7 21 3 62 2 1 3 11 9 61 4 3 4 2 1 5 61 3 4 0 0 1 0 0 0 5 1 4 3 1 2 8 1 5 3 1 8 2 2 0 3 9 1 8 2 1 1 5 1 5 2 1 6 1 0 0 0 5 4 0 2 4 9 1 1 4 2 5 4 2 2 3 2 7 4 0 1 3 6 2 3 7 4 3 6 2 由表3 1 对坝体各土样颗粒组成分布编制成土样颗粒曲线分别见图3 3 图3 1 2 ， 研究坝体土质颗粒性质。 删删琶 砖虹删圊| 梨如 刊巢 ：露叫 皑：譬 翼囊 媒梨 忡联 o 5o 2 50 0 7 5 0 0 10 0 0 50 0 0 1 土粒粒径以( 脚) 计 图3 5 - 1 - 样1 颗粒分析试验曲线 l 2 3 4 5 6 7 8 9 k 叫踟伯册如加m 0 一、 一+ 土的累积曲线i “冬亨 - - 5 02o 50 2 50 0 7 50 0 10 0 0 50 0 0 1 土粒粒径以( m m ) 计 图3 6 土样2 颗粒分析试验曲线 弋：圭器荔蓦| | | 、i、 一 l i “，二i 一 一r 一一 5 020 50 2 50 0 7 50 0 10 0 0 50 0 0 1 土粒粒径以( 衄) 计 图3 7 土样3 颗粒分析试验曲线 5 0 20 50 2 50 0 7 50 o l0 0 0 50 0 0 1 土粒粒径以( m m ) 计 图3 8 1 样4 颗粒分析试验曲线 2 l 砷印加加0 舳加加0 加如加m 0 一担一删如锺刊s鼎巢球 一女一删姐梨刊名翊樊眯 一冰一删如梨州窖矧梨眯 一承一喇舡巢卅留魁巢球n 一#一删钟巢刊盆鞲梨帐卜、 一96一删如巢卅蛊皑梨眯卜 叫唧誊 扣哪 裂如 卅爨 ：鐾- h 魁g 袋吲 眯翼 h 球 孚 叫唧琶 忸唰 梨奇 刊垡 ：品刊 堪：器 梨霸 = 嘲婪 * 球 誉 蚓琶 忸啦| 梨如 刊鼎 g 州 魁岛 粲矧 = 阱巢 h 1 辎 河海大学工程硕士学位论文 o 2 5o 0 7 5o 0 lo 0 0 5o o o l 土粒粒径以( h i m ) 计 图3 9 土样5 颗粒分析试验曲线 5 0 20 50 2 5 0 0 7 50 。0 10 0 0 50 0 0 1 土粒粒径以( t i m ) 计 图3 1 0 土样6 颗粒分析试验曲线 5 0 20 5 0 2 50 0 7 50 0 10 0 0 5 0 0 0 1 土粒粒径以( m m ) 计 图3 1 1 土样7 颗粒分析试验曲线 鲫阳们m 0 一、 、 一 一 1 + ：i ：f f j 分布曲线 1 + 土的累积曲线 _ 。 叶 一 一卜， 蛐阳的蚰加m 0 一1 h 、一 一 、 一 | + 土的分布曲线 _ 1 + 土的累积曲线 二_ 一一了产： 二_ _ _ 】尸。f 二 二一 鲫砷鲫加0 河海大学工程硕士学位论文 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0