（岩土工程专业论文）黑河引水工程岩土介质的渗透特性及三维渗流有限元分析.pdf

摘要 黑河引水工程岩土介质的渗透特性及 三维渗流有限元分析 学科名称：岩土工程答辩日期：2 0 0 5 年l o 月 导师姓名：邵生俊教授作者姓名：刘惹梅 邢义j | i 教授级高工 摘要 渗流与渗透稳定问题是土石坝的关键技术问题。本文针对黑河引水工程金盆 水利枢纽，在详细分析场地工程地质和水文地质条件和挡水土石坝结构的基础 上，通过大量的填土、反滤层及接触面渗透试验，合理确定了坝体岩土材料的渗 透特性参数；通过两岸地质构造和岩层分布评价，合理确定了坝址区渗流涉及的 范围，应用三向渗流计算程序，进行了渗透坝区l _ 2 1 2 k m 2 范围内的三向渗流 数值计算。试验与计算分析表明：心墙填筑土料在控制干密度条件下的渗透系 数均小于1 0 一c m s ，满足规范对粘土心墙防渗的要求：渭河砂粗包线、细包线、 平均线及不同含泥量的细包线级配砂、堆料场砂、混合反滤料粗包线、细包线级 配砂，在控制干密度条件下发生管涌的允许坡降在0 6 4 2 0 9 3 7 之问，均满足 设计要求；反滤砂细包线与混合反滤料粗包线级配料接触流失的临界坡降为 1 1 3 7 ，混合反滤料细包线与坝壳料粗包线级配料接触流失的临界坡降为2 0 0 7 ； 心墙填筑土料与渭河砂接触冲刷的临界坡降范围在1 1 3 4 9 4 之间，与反滤 砂接触冲刷的临界坡降范围在1 1 3 4 9 4 之间，与混凝土接触冲刷的l 临界坡降 范围在8 0 1 5 2 之间：三维渗流计算模型模拟了坝体、坝肩两岸及单薄山梁和 副坝体中的防渗墙、灌浆帏幕构成的反渗体系，以及从右岸至左岸中沿东西向贯 穿断层破碎带裂隙发育，集中渗流等；坝下基岩、左岸单薄山梁及北岭为主 l 西安理工大学工程硕士学位论文 要的渗流通道，年渗漏量约为4 7 8 万立方：心墙内最大渗透坡降为3 8 4 6 ，反滤 层内最大渗透坡降为2 5 5 ，在反滤保护条件下无渗透破坏。 本文的研究工作对于黑河引水工程水利枢纽的建设具有重要的指导作用。 关键词：土石坝渗透试验三向渗流有限元分析 2 s e e p a gc h a r a c t e r i s t i c so fr o c k - s o i lm e d i u m s a n df i n i t e e l e m e n t a n a l y z i n go nt h r e e - d i m e n s i o n a ls e e p a g ef l o wi n h e i h ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t m a j o r ：g e o t e c h n i e a le n g i n e e r i n g t u t o r ：p r o f s h a ns h e n g j t m p r o f x i n gy i c h u a n d a t eo f d e f e n d i n g ：s e p2 0 0 5 a u t h o r ：l ur e m e i a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo ft h es e e p a g ef l o wi st h ek e yt e c h n i q u ei nc o n s t r u c t i o no fa e a r t h r o c kd a m i nt h i sp a p e r , p o i n t i n gt oj i n p e nh y d r oa r o j e c to f h e i h ew a t e r c o n s e v v a n c yp r o j e c ta n db a s e do nd e t a i l e da n a l y s e so ft h ec o n d i t i o no ft h e e n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g y i ns i t ea n dt h es t r u c t u r eo ft h e e a r t h r o c kd a mf o rw a t e rr e t a i n i n g ，t h es e e p a g ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f r o c k - s o i lm a t e r i a l sf o rt h ed a mb o d ya r ed e t e r m i n e dr a t i o n a l l yt h r o u g hal a r g e n u m b e ro ft h es e e p a g et e s t sa b o u tt h ef i l l e de a r t h ，r e v e r s e df i l t e ra n dc o n t a c t f a c e ；t h er a n g eo fs e e p a g ea r e ai nt h ed a ms i t ei sd e t e r m i n e dr a t i o n a l l y t h r o w 【g ht h ee v a l u a t i o nf o rg e o l o g i cs t r u c t u r ea n ds t r a t ad i s t r i b u t i o no fb o t h b a n k s ；t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa b o u tt h r e e d i m e n s i o n a ls e e p a g ef l o ww i t h i nt h e r a n g eo f1 2 1 2 k m i nd a ma r e aa r ep e r f o r m e e db yu s i n gt h e c a l c u l a t i n gp r o g r a m sf o rt h r e e - d i m e n s i o n a ls e e p a g ef l o w n ea n a l y s e so ft h e t e s t sa n dc a l c u l a t i o ns h o ws u c ht h ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ：t h es o i l m a t e r i a lf i l l e di nc o r ew a l l ，w i t ha l lt h es e e p a g ec o e f f i c i e n t sb e i n gl i t t l et h a n 1 0 c m su n d e rt h ec o n d i t i o n o fc o n t r o l l e dd r yd e n s i t y , c a l lm e e tw i t ht h e d e m a n d so ft h es e e p a g ec o n t r o lo ft h ed a mc o r e ；t h eg r a d e ds a n d sf r o m w e i h es a n d sw i t lt h ed o w n - e n v e l o p ec u r v e , u p - e n v e l o p ec u v ea n da v e r a g e e n v e l o p e c u r v ea n dt h ed i f f e r e n ts e d i m e n tp e r c e n t a g es a n dw i mt h e u p e n v e l o p ec u r v e ，a n dt h eg r a d e ds a n d sf r o mt h es a n d si ns t a c k i n gs i t ea n d t h ec o m p o u n df i l t e rm a t e r i a l sw i t hd o w n - e n v e l o p ec u l v ea n du p - e n v e l o p e c r r v ec a na l lm e e tt h ed e m a n d so ft h ed e s i g nw i t ht h ea l l o w e dg r a d i e n to f p i p i n gb e i n go 6 4 2 - - 0 9 3 7u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n t r o l l e dd r yd e n s i t y ； t h ec r i t i c a lg r a d i e n to ft h ec o n t a c tl o s i n gf o rt h eg r a d e dm a t e r i a l sf r o mt h e f i l t e rs a n d sw i t hu p - e n v e l o p ec u r v ea n dt h ec o m p o u n df i l t e rm a t e r i a l sw i t h 西安理工大学工程硕士学位论文 d o w n - e n v e l o p ec u r v ei s1 1 3 7 血ec r i t i c a lg r a d i e mo ft h ec o n t a c tl o s i n gf o r t h eg r a d e dm a t e r i a l sf r o mt h ec o m p o u n df i l t e rm a t e r i a l sw i mu p e n v e l o p e c u r v ea n dt h ed a ms h e l lm a t e r i a l sw i t hd o w n e n v e l o p ec u r v ei s2 0 0 7 ；1 1 1 e c r i t i c a lg r a d i e n to ft h ec o n t a c ts c o u r i n go fe a r t hm a t e r i a lf i l l e di nc o r ew a l l w i t hw e i h es a n di s1 1 3 4 9 4 i ti s1 1 3 一9 4w i t hf i l t e rs a n da n d8 肚1 5 2w i t h c o n c r e t e ；( d t h er e v e r s eo s m o s i ss y s t e mc o n s t i t u t e dw i t ht h es e e p a g ec o n t r o l w a l l sa n dg r o u t i n gc u r t a i n si nt w ob a n k so ft h ed a mb o d ya n dd a ma b u t m e n t a sw e l la si nt h et h i nh i l l sa n ds e c o n d a r yd a mb o d yi sm o d e l e db yu s i n gt h e c a l c u l a t e dm o d e lf o rl h r e e - d i m e n s i o n a ls e e p a g ef l o w , a n dt h ec m s h e dz o r l e ， f i s s u r eg r o w t ha n dt h ec e n t r a ls e e p a g ef l o wf r o mr i g h tb a n kt ol e f tb a n ka l o n g t h ee a s tt ow e s td i r e c t i o na l ea l s om o d e l e db yu s i n gt h ea b o v em o d e l ；t h e b e d r o c kb e l o wt h ed a m t h et h i nh i l l so i ll e f tb a n ka n dn o r t hr i d g e sa 聆t h e m a i ns e e p a g ep a s s a g e s ，t h ea n n u a ls e e p a g eq u a n t i t yo fw h i c hi sa b o u t 4 7 8 0 0 0 0 m 3 t h em a x i m u ms e e p a g eg r a d i e n ti nc o r ew a l li s3 8 4 6 ，t h e m a x i m u ms e e p a g eg r a d i e mi nr e v e r s e df i l t e ri s2 5 5 ，s ot h e r ei sn os e e p a g e f a i l u r eu n d e rt h ee o n d i t i o no f f i l t e rp r o t e c t i o n t h es t u d i e si n t h i sp a p e rh a v eai m p o r t a n td i r e c t i n gf u n c t i o nf o r c o n s t r u c t i o no f j i n p e nh y d r op r o j o c to f h e i h ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t k e y w o r d s ：e a r t h - r o c kd a m ；s e e p a g et e s t ；t h r e e d i m e n s i o n a ls e e p a g e f l o w ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n g i i 独创性申明 v8 3 l 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：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成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并己致谢。 本论文及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名：型l 篓丝竹年，a 月，2 目 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，诀不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：到羔( 盛导师签名：i 9 塑致l 巧年，。月，：日 1 概述 1 概述 土石坝是指由土、石料等当地材料建成的坝，是历史最为悠久的一种 坝型，是目前世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。国外 土石坝在4 0 年代以后才有所发展的，其背景是土力学理论和实践的发展， 以及具备大型施工机具，可以合理工期内完成大量土石方。以后对高坝来 说已成为主要坝型，特别对2 0 0 m 以上的高土石坝，无一例外的都是这种坝 型，其最大坝高已达j i u 3 0 0 多m ，如前苏联已建成的努列克坝和罗贡坝。中 国的高土石坝起步比较晚，直到1 9 9 0 年以后鲁布革、小浪底、瀑布沟一大 批百米以上土石坝的建设使该类坝型在坝高和规模上又进了一步。该类坝 型的优点是：就地取材料：结构简单；便于维修和加高、扩建；对地质条 件要求较低。能适用地基变形；施工技术较简单，工序少，便于组织机械 化施工；有较丰富的修建经验。正是这些突出的优点，在当今高坝大库建 设中，土石坝这种坝型仍是规划设计的首要方案。 土石坝坝体主要由散粒材料填筑而成，有些坝由于施工和管理不当曾 发生过一些失事现象，其原因主要有以下几种： ( 1 ) 因坝顶高程不足，或水库控制运用不当等原因，导致坝顶漫水直 至溃坝的严重事故； ( 2 ) 水库蓄水后不仅坝身和坝基内产生渗流，而且库水还会绕过坝端 经两岸渗向下游，形成绕坝渗流，渗透水流不但损失水量，更重要的是在 渗流逸出处可能将土料中的细粒带走或局部主体被冲动，导致坝身、坝基 产生危害性的渗透变形，甚至引起溃坝： ( 3 ) 坝身和坝基由于设计不当或施工质量不良，在外力作用下，可能 造成坝坡或坝基的坍塌破坏； ( 4 ) 坝基不均匀沉陷、施工质量以及地震荷载等因素的影响，坝身可 能产生不均匀的沉陷，一旦形成大的裂缝，就会危机坝身安全； ( 5 ) 雨水沿坡面流动可能冲毁坝坡，冰冻可能破坏坝坡等。 据国内外大量资料证实，在失事的大坝中4 0 5 是由渗透破坏引起， 1 9 7 6 年美国的提堂土坝和1 9 9 3 年我国的沟后水库失事就是例证。所以对于 土石坝的安全问题，渗流的渗透作用至关重要。 西安理工大学工程硕士学位论文 1 1 土石坝的渗透破坏研究 在“六五”、“七五”、“八五”国家重点科技攻关中，都列入了高 土石坝课题，结合具体工程，进行了系统的试验研究。对于坝体材料的选 取，除考虑土体的强度、变形以夕 ，最主要的是所选土料应有很好的抗渗 透破坏性能。其渗透破坏类型有“管涌”、“流土”、“接触冲刷”和“接 触管涌”。 对于作为坝壳料的堆石料和砂砾石料。堆石应是自由排水材料，在堆 石体内不会因渗流而形成浸润线，也不用考虑因水位降落而引起的附加孔 隙压力。而砂砾石料因其中细粒含量不同，渗透系数可以在i 0 - l - l o - 4 c m s 范围内变化，甚至更少。所以要考虑上游水位降落时上游坡的稳定，运行 期形成稳定渗流后下游坡的稳定。另外，堆石是非冲蚀性材料，没有渗透 稳定问题。而砂砾石则可能发生渗流变形和破坏，要做好渗流控制措施才 能确保安全。 对于防渗土料。防渗土料历来是土石坝研究的重点，过去选材要求较 为严格，但以后经系统研究及广泛实践，拓宽了防渗土料的适用范围，特 别是过去视为“劣质土料”的红土、膨胀土、砾质土、风化料等都能很好 的运用。特别是砾石风化材料为高坝防渗体，更有其独特优势。该方面的 研究具有突破性进展。 对于下游反滤排水设施。对下游反滤排水设施在渗流控制中的作用受 到越来越多的重视。不管采用何种防渗措施，它作为最后一道防线总是要 设置的，以便防止渗透破坏和降低浸润线，以确保坝的安全运行。对坝的 土质防渗心墙的裂缝问题做过许多研究，其成因可以是不均匀沉降，也可 以是由拱作用而引起的水力劈裂，情况比较复杂，其分析方法和判断论据 都不成熟。因此，有人提出不管是裂还是不裂。只要按裂缝情况做好下游 反滤，就可保证安全。如美国顾问工程师谢膳德就对此做过研究，认为在 裂缝情况下，裂缝下游端的水力梯度可高达i 0 0 0 以上，要按此最极端情况 设计下游反滤，而不管坝体裂缝分析结果如何，这种观点很有代表性，我 国坝工界也基本上持同一观点。 在现代，越来越多的坝工专家相信控制渗流出口是避免土体发生渗流 2 1 概迷 破坏的主要措施。从而对反滤料选择的研究工作给以重视，有了不少进展。 对砂砾料，认为前人对均匀土得出的一些规律不适用缺中间粒径的砂 砾料。这种砂砾料的渗透变形型式取决于其细料台量，一般在级配曲线水 平段以下的颗粒含量小于2 5 的基本上是管涌，大于3 5 时是流土，在 2 5 3 5 只为过渡型。选择反滤料时要以保护细料为原则这是被保护土的 特征粒径应为变数，而不是取d 。那样的定值。对可能出现裂缝的粘性土的 反滤料，近来倾向于按开裂情况选择，而且与粘土的结构稳定有关。对粒 间结合力强而有耐水的稳定结构的土如南方红粘土，可取粗一些，而对极 不耐冲蚀的分散性粘土则应选用细砂作第一层反滤，用试验方法确定反 滤料级配时，应按开裂情况，用尽可能大的水力比降做试验。 综上所述，通过填筑坝料的渗透试验和渗透变形试验选择土石坝筑坝 材料，是工程中常用的方法也是该方面的主要研究方向之一。 1 2 土石坝的渗流模拟研究 土石坝渗流分析方法很多，大体可以归结以下几种： ( 1 ) 水力学方法：土石坝工程中使用的方法，简便实用，用于l 、2 级坝和高坝的初设以及3 、4 级的初设和技术设计阶段； ( 2 ) 手画流网法；简便快捷，足够精度较好，可分析复杂断面的渗流 问题； ( 3 ) 电比拟试验法：利用电流场来模拟渗流场，简便，直观，可咀用 二维问题和三维问题； ( 4 ) 数值解法：有限方法，有限差分法、边界元等。 从以上分析方法中，可以看出，对于库区和坝肩岸坡的渗流问题是三 维问题，必须采用数值分析方法或电比拟试验法。经多年的研究和工程实 验应用，三维渗流有限单元法是分析土石坝渗流的一种较好方法。它可以 完全代替电比拟试验法，并具有突出的优点。 有限元法是数值方法中应用最广的一种，其最早应用于流体力学领域 可追溯到z i e n k i e w i c z 和c h e u n g 于1 9 6 5 年发表关于求解拟调和微分方程的 论文。该法在稳定渗流领域内得到广泛应用。到7 0 年代，有限元已扩展到 论文。该法在稳定渗流领域内得到广泛应用。到7 0 年代，有限元已扩展到 3 西安理工大学工程硕士学位论文 求解非饱和渗流问题、岩体裂隙渗流问题、渗流场与热力场、应力场相耦 合的问题。有限元法应用广泛，发展之快，引人注目。在我国，有限元法 被引用到渗流计算领域是在七十年代，南京水利科学研究所渗流组与黄河 水利科学研究所、上海计算技术研究所合作研究了黄河小浪底水库心墙坝 的稳定渗流问题，计算结果与电阻网模拟试验结果极为一致。此后，渗流 的数值模拟分析应用发展迅速，稳定、非稳定渗流有限元分析己基本成熟。 土石坝渗流分析方法虽己基本成熟，但是对于每一个工程，工程地质 和水文地质条件千差万别，填筑的坝料性质各异，数值计算的边界条件和 初始条件也各不相同，所以该方面的研究仍具有广阔的发展空间。 1 3 本文研究的内容 本文紧密结合陕西省黑河引水工程金盆枢纽土石坝工程的建设开展填 筑坝料的渗透特性和坝区三维渗流分析研究工作。 在填筑坝料渗透特性方面，开展了心墙土料的渗透试验，反滤砂、混 合反滤料、坝壳料及坝基砂卵石的管涌试验，筑坝材料不同组合条件下的 接触流失试验，土料与反滤砂的接触冲刷试验，土与混凝土板接触冲刷试 验等。通过这些试验，得出了一系列成果，全面反映了黑河土石坝的筑坝 材料的渗透变形特性，这些成果已应用于该土石坝的建设中，指导了设计 和施工，从工程建成运行情况看，效果良好。 在坝区三维渗流分析方面，根据黑河引水工程金盆枢纽的特点，确定了 计算范围1 2 1 2 k m 2 ：依据初设地质勘测报告中地质条件和水文地质条件， 确定了边界条件和剖分断面2 2 个，每个剖面设3 4 9 个节点，剖分的节点总数 为7 6 7 8 个，四面体单元总数为3 7 6 1 1 个；由试验资料、勘探资料以及类比法 确定了地层、断层破碎带、心墙、帷幕、混凝土垫板、反滤层、砂砾石坝壳 等的渗透系数；采用三维稳定渗流有限元程序对该坝区进行了渗流计算，确 定了土石坝坝体浸润面的位置、渗流的动水压力、水力坡降以及坝体的渗流 流量，从而可以分析坝坡的整体稳定性和局部渗流情况下坝体的安全性。并 针对黑河水库具体运行条件，分析其最高水位的稳定渗流和水位降落时的渗 流自由面分布，以便为水库的运行提出了一些有价值的，合理的建议。 4 2 黑河水利枢纽工程概况及地质条件 2 黑河水利枢纽工程概况及地质条件 2 1 工程概况 西安市黑河引水工程金盆水利枢纽位于陕西省周至县马召镇黑河峪口 处。该枢纽包括大坝、泄洪洞、引水洞、溢洪洞、坝后电站及金盆古河道 防渗工程几部分。大坝为粘土心墙砂砾石坝壳填筑坝。坝顶高程为6 0 0 m ， 最大坝高1 3 3 m ，坝顶长4 2 2 m ，水库正常高水位为5 9 4 m ，总库容2 亿m 3 。 属大( 2 ) 型工程。枢纽布置见图2 1 所示。 图2 - 1 黑河引水工程金盆水利枢纽平面布置图 5 西安理工大学_ t - 程硕士学位论文 该工程由陕西省水利电力土木建筑勘测设计研究院设计，工程完工之 后，每年向西安市供水3 0 5 亿m 3 ，日平均供水量为7 6 万吨。每年为农业 灌溉供水1 2 3 亿m 3 ，灌溉面积2 4 6 7 公顷。坝后电站装机2 0 万k w ，年平 均发电量为7 3 0 8 万k w h ，是一座阻供水为主，结合灌溉、发电等综合效益 的大型水利工程。 该工程坝区地质构造复杂，大坝左岸有一条宽4 5 0 5 0 0 m 的单薄山梁 ( 古河道东岭) ，其下存在一条切岭断层，断层破碎带最宽达1 0 1 5 m 。这 使得坝区渗流状态异常复杂，主要表现在： 1 、渗流场复杂存在着通过坝体由南向北渗向下游，通过单薄山梁 由西向东渗向下游河谷，以及通过北岭副坝由南向北渗向北岭北坡三个方 向的渗流。 2 、单薄山梁中沿东鹾向贯穿断层破碎带，裂隙发育，存在集中渗流问 题。 因此，确定坝区渗流场问题成了该工程设计中需解决的关键性技术问 题之一。一般的平面渗流分析只能分段单独计算某一流向的渗流，而不能 考虑三个方向渗流的耦合影响。要确定坝区渗流场的问题，必须进行三向 渗流分析。主要计算库水位为正常高水位5 9 4 m 时，稳定渗流条件下坝区的 三维渗流场分布。 2 2 工程地质及水文地质情况条件 该工程位于秦岭山脉北麓，地势为由南向北降低，海拔高度在4 0 0 8 0 0 m ，河谷呈狭窄的“v ”字型，两岸及山麓斜坡带多分布崩塌、滑坡等重力 堆积体地形及河流变迁形成的古河道地形。坝区地形见图2 1 所示。 坝区基岩均为前震旦系宽坪群大镇沟组( a n z k d l 一3 ) 变质岩。岩性主 要有云母石英片岩( s e ) 、绿泥石片岩( s c ) 及钙质石岩( o u ) 三大类，还 有部分后期侵入的石英岩脉( q ) 、煌斑岩( x ) 、斜长斑岩脉( n ) 。 该坝区在地质构造上位于西骆峪一田峪背斜的南翼，岩层走向近东西 方向，倾向上游，倾角在3 0 。4 0 。之间。地质勘测表明，坝区共有断层 8 l 条，大部分断层为东西走向，以层间错动的逆断层为主，断层破碎带宽 6 2 黑河水利枢纽工程概况及地质条件 一般为0 1 4 0m ，最宽达1 0 0n l 以上。两岸岩体受卸荷作用影响，平行 岸边的高倾角构造裂隙发育，形成较强的渗流通道。 坝基河床覆盖有卵石层( a l 毡4 ) ，最大厚度为1 6 8 m ，左岸一级阶地上 覆盖着冲积、坡积碎石质壤土，厚度一般在2 0 1 0 5 m ，透水性较弱：下 部卵石层厚度为2 0 7 1 4 3 7 m ，透水性很强。左岸二级阶地覆盖有冲积、 坡积壤土，碎石质壤土及卵石层，透水性较强。右岸覆盖层较薄。 金盆古河道位于大坝左侧，长约2 5 公里，底宽约1 5 0 2 0 0 m ，顶宽 2 5 0 3 0 0 m 。其入口为车车沟，之后绕象山于金盆村南坡出口，在金盆村北 形成胃状盆地，见图2 - - 1 所示。河谷上部堆5 0 7 0 m 厚透水性极强的冲积、 洪积( d l _ p l q 2 3 ) 粘土，下部堆积1 5 2 0 m 厚透水性极强的冲积( a 1 q 3 4 ) 砂 卵石及砂壤土，古河道东岸与黑河左岸之间就是单薄山梁，该山梁基岩以 云母石英片岩和钙质石英岩为主，岩石片理垂直于山岭的走向，其间有五 条切岭断层f 5 、f 2 3 、f 3 7 、f 7 5 、f 7 6 ，极易发生渗漏。 坝址区地下水主要以第四系孔隙潜水为主，基岩裂隙水受大气降水补 给，水量不大，其流向是坝区两岸向河道补给。古河道处地下水高程5 2 3 7 5 2 5 9 m ，潜水埋藏于砂卵石层及壤土中，地下水由北向南在古河道出口排 泄于黑河。单薄山粱地下水高程为5 2 6 0 5 3 7 o m ，为基岩裂隙水，分别向 两侧的古河道及黑河排泄。北岭哑口处地下水以基岩裂隙水的方式从库区 向北岭北坡排泄。 2 3 坝体及古河道防渗设施 该工程大坝为粘土心墙砂砾石坝，坝体主要通过心墙和坝基、坝肩防 渗帷幕来构成纵向防渗体。该坝心墙坡比为1 ：0 3 1 ：0 4 6 ，顶宽7 m ， 顶部高程5 9 8 m ，最大底宽8 3 m 。心墙下设有厚0 3 0 8 m 的砼板，与灌浆 廊道及防渗帷幕连成一体，坝下帷幕全长5 4 5 m ，其宽度为1 9 3 6 m 。 金盆古河道采用沿单薄山梁西侧到北岭南侧布设的灌浆帷幕防渗，该 帷幕长1 4 1 4 m ，并与坝下帷幕连成一体。在北岭哑口处还设有一座高1 3 m 、 长1 0 2 m 的副坝。坝下设砼截流墙及防渗帷幕。工程防渗设施的平面布置见 图2 1 所示。坝体及古河道防渗工程的详细情况见参考文献。 7 3 黑河引水工程岩土介质的渗透特陛 i i 3 黑河引水工程岩土介质的渗透特性 本章将从八个方面介绍黑河引水工程岩士介质的渗透特性。 1 心墙土料渗透性。对筑坝心墙土料按1 6 6 1 7 0 9 c m 3 的控制干密 度制样，进行渗透试验。从料场土料的常规渗透试验结果看，渗透系数在给 定密度条件下均小于1 0 “c m s ，满足规范对粘土心墙防渗的要求。 2 渭河砂粗包线、细包线、平均线及不同含泥量的细包线级配砂、堆 料场砂管涌破坏特性。对渭河砂粗包线、细包线、平均线及不同含泥量的 细包线级配砂、堆料场z # 砂，t 8 # 砂进行渗透试验，以确定可能管涌渗透破 坏的比降。试样制备干密度按1 7 2 9 一1 9 0 8 9 c m 3 控制，从试验结果看，渗 透系数在相应密度情况下发生管涌的允许坡降在0 6 4 2 o 9 3 7 之间，渗透 系数小于1 3 9 1 0 c m s 。 3 混合反滤料粗包线、细包线级配试料，坝壳料粗包线、细包线级配 试料及坝基砂卵石管涌破坏特性。分别对混合反滤料粗包线、细包线级配 试料，坝壳料粗包线、细包线级配试料及坝基砂卵石试料进行了渗透试验， 对超粒径部分试料用等重量代替法替换，试验表明级配连续土的管涌允许 坡降在0 1 5 0 2 5 之间，除坝壳料粗包线和坝基砂卵石，由于细粒( 5 m m ) 含量太少，不能充满粗料骨架空间，很小的渗透坡降即可使其颗粒移动， 临界坡降比设计中确定的范围低外，其余几组样的允许坡降符合设计要求。 4 混合反滤料、坝壳料以及坝基砂卵石管涌破坏特性。混合反滤料、 坝壳料以及坝基砂卵石渗透试验测定的管涌临界坡降范围为0 0 5 3 0 8 4 2 。结果表明，在同一密实度下( d 。= o 8 ) ，试料越粗，其临界坡降越小， 混合反滤料临界坡降平均值最大( i = o 7 9 ) ，坝壳料临界坡降平均值居中 ( i = o 1 0 6 ) ，坝基砂卵石临界坡降平均值最小( i = o 0 7 3 ) 。坝基砂卵石垂 直与水平方向的临界坡降接近。 5 反滤砂渗透性。黑河料场土料在有反滤砂保护条件下，其抗渗性能 的高低，主要与土料的干密度有关。干密度越大，抗渗强度越高( 临界坡 降大) 。试验用的几种反滤砂在相对密度达到0 8 以上时，均能满足黑河筑 r 西安理工大学工程硕士学位论文 坝土料反滤排水的要求。 6 反滤料接触面流失特性。从渭河砂细包线级配与混合反滤料粗包线级 配组合样、混合反滤料细包线级配与坝壳料粗包线级配组合样接触流失试 验表明，反滤砂细包线与混合反滤料粗包线级配料接触的临界坡降为 1 1 3 7 ，混合反滤料细包线与坝壳料粗包线级配料接触的临界坡降为2 0 0 7 ， 反滤结构的渗透破坏是管涌形式的破坏，样越粗临界坡降越小；试验结果 同时说明，在有反滤料保护下，被保护土的临界坡降会大幅度提高，远远 大于被保护士的管涌试验结果。 7 心墙填土与反滤砂的接触冲刷特性。通过土料与反滤砂接触冲刷试 验表明，几个土料场的试样与渭河砂接触冲刷的临界坡降范围在1 1 3 4 9 4 之间，上黄池料场试样的临界坡降最高，武家庄i i 料场试样的临界坡降最低。 接触冲刷试验的l 临界坡降与土样及砂样的密度有关，当土样干密度接近时， 砂的密度越大，临界坡降越大；当砂样密度相同时，土样密度越大，临界 坡降也越大。 8 心墙填土与混凝土的接触冲刷特性。土样与混凝土接触冲刷试验表 明，其临界坡降范围达到8 0 1 5 2 。从三个料场土样试验结果看出，武家庄 料场土样抗渗能力最强，武家庄i 料场抗渗能力居中，武庄家i 料场土 样抗渗能力最小。可见，其接触面不会发生渗透破坏， 以下分节予以分别介绍。 3 1 心墙土料渗透特性 渗透系数是土石坝渗流计算分析的重要参数，为确定料场土料在设计 干密度情况下的渗透系数，进行了渗透试验。 试验选取土料的物理化学及分散性鉴定试验项目及组次见表3 一l 。试 样制备干密度按1 6 8 9 c m 控制，制样含水率按每组土料击实结果最优含水 率进行控制。试验仪器用南5 5 型渗透仪，采用变水头法进行试验。 七= 2 3 面a l l g 鲁 ( 3 _ 1 ) 式中：a 受水头管截面积c m 2 9 3 黑河引水工程岩土介质的渗透特性 l 渗径，等于试样高度c m h ，一开始时水头c ma 一试样面积c m 2 h 厂终止时水头a mt 一渗流时间s 整理的结果见表3 - 3 。 3 1 1 土样的物理性质 土样的物理性质试验结果列于表3 一l 。从表3 1 中可以看出，黑河 土料场的六十七组士样中，除桃李坪料场的土样t k 8 - 1 是砾、砂、粘土混 合料，属于粗粒土外，其余土样均属于细粒土，颗粒组成以粉粒 ( 0 0 5 o 0 7 5 m n r _ o 0 0 5 m m ) 为主，其含量在4 5 0 9 卜6 8 9 之间， o 0 0 5 m m 粘粒的含量在2 4 o 4 8 0 之间：从界限含水量来看，液限含水量在2 7 o 一4 7 8 之间，塑限含水量在1 3 2 2 5 0 9 6 之间，塑性指数1 2 o 一2 7 5 之 间。其中，荞麦窝土料的塑性指数在1 7 o 1 9 3 之间，按照颗粒组成属于 粉质粘土，按照塑性土属于中液限粘土( c i ) ：金盆土料的塑性指数在1 2 0 1 3 8 之间，按照颗粒组成属于重粉质壤土，按照塑性土属于中液限粘土 ( c i ) ；李家坪土料的塑性指数在1 2 o 2 0 0 之间，按照颗粒组成属于粉 质粘土重粉质壤土，按照塑性土属于低液限至中液限粘土( c l c i ) ：铁 匠岭土料的塑性指数在1 5 3 2 1 7 之间，按照颗粒组成属于粉质粘土，按 照塑性土属于中液限至高液限粘土( c i c h ) ；涌泉土料的塑性指数在 1 7 6 2 3 1 之间，按照颗粒组成属于粉质粘土，按照塑性土属于中液限粘 土( c i ) ；狮子头土料的塑性指数在1 7 6 2 0 8 之间，按照颗粒组成属于 粉质粘土重粉质壤土，按照塑性土属于中液限粘土( c i ) ；上黄池士料的 塑性指数在1 6 6 2 7 5 之间，按照颗粒组成属于粉质粘土。按照塑性土属 于中液限至高液限粘土( c i c h ) ；钟楼山土料的塑性指数在1 5 3 2 0 4 之间，按照颗粒组成属于粉质粘土重粉质壤土，按照塑性土属于低液限 粘土( c l ) ；武家庄士料的塑性指数在1 6 o 2 4 3 之间，按照塑性土属于 低液限粘土( c l ) 。 1 0 剥陬 辎掣 涨 刊刊刊 群 刊 耀据 巷 嵯 怊 蟋蜓 霹 蚓 套 萋 鑫嚣 察 鑫 群 镁 刊刊刊 刊刊刊 刊 刊 刊 岛 刊州刊刊 h 崔 球群 枢耀拯 群 耀 惶 惶 _ l | 基 梨 螺耀耀据耀 催憾喀 蜜杂 涮 鑫 躁 峰蝗蝗蜓蜂 稻宴禽 恒 瑶密彝窭嚣 倒镧| 鞫i 崧 辎 趟籁 暑 副 醛 童 剥毒 嗟 拿 o d 鬃宣 呷 g 星 g 号垦 童 导 一 键 l 萋 鼎 6 詈 黧 善 氍 害 d 星 ? 昌a g 岫1 。 丑 。 ? 一 “ j出 童 世审 量 窖 芒 鲎 卜 卜卜- 州骠 卜 一 嵴禧 拣州体 娴娟嚣卅骘 毒蚺 州寐堪扑书鼙噪h特q斟懈啊 1 2 u独茸芎|*h靠卜睾濞s渗阿特j|生 揄蓝 藩癣卜毕刊警 灌釜 蓐瞬落 群薄 商捌酬备十_ ；f 号f 赫卜卜 pop驴 矛 嚣嚣嚣唇嚣嚣 = 9。驴岫= c ；eht o 氏 ”擗 v p 昌 鲁 99薅 ； 棼 监 台 爵 。 昌 巷 营 台 。 是 誊 宴 嚣 邑 蔼 瞪 珂 磁嗡 弹枣 茁茁茁 棼棼 l | 畔 棼 嗍 棼茁啦游萤 啉啉 擗 辩 海氰瀛濠巍 港 离 棼 海岛汛离哥 棼啦薄 茁棼棼 期 辞 薄撵薄棼 淘 誉 氯 群辞擗巷群 氰沸氯 阚海氦博 卜卜hh卜卜卜卜 撼 *赫h陪h卜卜 藉燕群 样群簿 h卜卜 阡 阡阡 阡 h卜卜 监 卜 珞艇 毒 辩 嗡 摊 金 碎 圈 圃 盘j d 糕 尉 蜒 求 盛 檀 - h 囊 刊斗刊 州 刊 刊 刊州 _ h 瓣耜握 鼎 摆据摇 辑 撂 黧 l | 基 路蜒 蜒 遐跹 峰螺 蟮 氍 窭轻 弈 嚣 弈弈 榭 襄辐辐 鲻 趔赫 酬靼 醛 剥 醛 艇 冒 鐾 皇 8 一 量 毒害 ? 蠼 搴 崭 蜒 f o 器 d 邑 害 d 恻。 丑。 扯即 d 童菡d 州嫘 蠼嚣 叫掘鼎嚣鄹 囊坤 群硇眯姆烈鳝刚s壮叫 h i 擗端 州帛迥扑书警漠q特一斟懈晒 u独茸竺*h蒲谁卜串濞客泌降帮需 蒋卅i *蔫薄嗵露姆簿湘缸卅 情整 融鼬驰 葵蓝 赶h p手亭 时 一 却尊 。洋 。 | | 【- 苦 。 高 基 强 。 9 毛0 曹 昌 星 7 龄 a 爵 9 宕 窨 雪 一 9 害 量 车 薄 v 弼 争 睦 一 弼 瞄 濞 菇 群 辩 卜卜 嗌 辅 霹毪 圜 摊 林 圃 求 划 群 剥 鲻 刊 籁 靶 划 剥 醛一 剡垂 璺一 型 富 重 g ? e 一 善 毫 昌 号 锓 导 囊 星 g 辑 o ? 6。 氍 善 o o 亩 蚓。 丑。 世印 曲 h “n寸 血蜊 蚓 蚓蚓蚓 刊骠 蠕嚣 葚娟 粥羽眯据翻强剐s婪刊 n i n 懈撩 州牢犁特书譬蜞q廿h尉球啦 3 黑河引水工程岩土介质的渗透特性 3 1 2 土料的渗透特性 表3 2 给出了荞麦窝、武家庄、上黄池、钟楼山、狮子头、桃李坪料 场土料在设计密度条件下的常规渗透试验结果，表明荞麦窝土料1 7 0 9 c m 3 的渗透系数在( 0 1 9 6 1 0 8 ) x1 0 c m s e c ：武家庄土料i1 6 6 9 c m 3 的渗 透系数在( 0 1 8 6 2 3 ) x1 0 1c m s e c ，土料1 i1 6 8 9 c m 3 的渗透系数在 ( 0 2 4 2 0 2 9 ) 1 0 1c m s e c ，土料i i n 6 6 1 6 8 9 c m 3 的渗透系数在( o 4 3 61 6 1 ) 1 0 “c m s e c ：上黄池土料1 6 8 9 c m 3 的渗透系数在( 0 4 9 6 3 5 0 ) 1 0 1c m s e c ：钟楼山土料1 6 8 9 c m 3 的渗透系数在( 0 2 6 1 9 6 ) x 1 0 1c m s e c ；狮子头土料1 7 0 9 c m 3 的渗透系数在( 1 0 3 1 5 8 ) x 1 0 。6 c m s e c ：桃李坪土料1 7 0 9 c m 3 的渗透系数在( 0 4 9 4 1 9 ) x1 0 1c f l l s e c 。 表3 3 渗透系数与孔隙比关系式中的系数。 1 6 西安理工大学工程硕士学位论文 制样密度渗透系数k 。 料场名称 土样编号 g c m 3c m s e c t k l 7 1 7 09 7 2 1 0 1 荞麦窝 t k l 91 7 0 1 9 6 1 0 1 t k 2 81 7 0 1 0 8 1 0 4 h 5 1 6 6 1 8 6 1 0 1 h 91 6 6 7 3 2 1 0 4 i j 3 1 6 6 4 0 0 1 0 1 武 f 7 1 6 6 2 3 0 1 0 1 家 庄 d 3l - 6 8 2 9 0 1 0 i i d 91 6 8 2 4 2 x 1 0 1 b 91 6 6 1 6 1 1 0 4 i b 1 11 6 6 4 3 6 l0 _ 。 b 31 6 8 1 3 6 1 0 1 c 41 6 8 4 9 6 1 0 _ 。 c 61 6 8 1 2 1 1 0 1 上黄池 d 31 6 8 3 5 0 1 0 吨 e 41 6 8 1 4 0 1 0 “ e 6