土石坝的渗透场及渗透破坏研究

1、1土石坝的渗透场及土料渗透破坏研究土石坝的渗透场及土料渗透破坏研究陈陈 群群 2013 2013年年1212月月2525日日四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院成勘院报告成勘院报告2内内 容容u 研究背景研究背景u 高土石坝的渗流场u大型高压渗透仪和环状水平径向渗透仪u 抗渗试验研究及结果u 渗透破坏的细观数值模拟u 结论和研究展望四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院3四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院研究背景研究背景砾石土心墙堆石坝的典型剖面砾石土心墙堆石坝的典型剖面堆石坝壳堆石坝壳砾石土砾石土心墙心墙堆石坝壳堆石坝壳反滤层反滤层4水头高，应水头高，应力状态复杂力状态复杂四川大

2、学水利水电学院四川大学水利水电学院需要大尺寸的需要大尺寸的仪器开展研究仪器开展研究研究背景研究背景高坝高坝渗流安全对土石坝非常重要，尤其是对高土石坝渗流安全对土石坝非常重要，尤其是对高土石坝掺砾掺砾粘土粘土高坝高坝需要模拟复杂应需要模拟复杂应力、高水头、大力、高水头、大尺寸的仪器尺寸的仪器坝体渗流场坝体渗流场三维效应三维效应高山高山峡谷峡谷应力变形影响应力变形影响施工期施工期非饱和问题非饱和问题三维非饱和三维非饱和耦合问题耦合问题防渗料的抗渗性能防渗料的抗渗性能离散元数离散元数值模拟值模拟5内内 容容u 研究背景u 高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场u大型高压渗透仪和环状水平径向渗透仪u 抗渗试

3、验研究及结果u 渗透破坏的细观数值模拟u 结论和研究展望四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院6高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院水流在均质坝体中的流动过程水流在均质坝体中的流动过程坝料各向异性、不均匀及三维效应坝料各向异性、不均匀及三维效应050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z

4、(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)

5、(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m) (a) t = 2 天天 (b) t = 4.5 天天 (a) t = 6.5 天天 (b) t = 9 天天7003060306030600306090120150030

6、601501202103009000306006030高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院水流流动过程中均质坝轴线截面的孔隙水压力分布水流流动过程中均质坝轴线截面的孔隙水压力分布坝料各向异性、不均匀及三维效应坝料各向异性、不均匀及三维效应 (a) t = 2 天天 (b) t = 4.5 天天 (a) t = 6.5 天天 (b) t = 9 天天8高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院各向异性坝体中水流的流动过程各向异性坝体中水流的流动过程坝料各向异性、不均匀及三维效应坝料各向异性、不均匀及三维效应 (a) t = 3.2

7、5 天天 (b) t = 4.5 天天050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150

8、200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m

9、)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m) (a) t = 1 天天 (b) t = 2.25 天天 9高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院坝体中存在透水夹层时水流的流动过程坝体中存在透水夹层时水流的流动过程坝料各向异性、不均匀及三维效应坝料各向异性、不均匀及三维效应 050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m

10、)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m

11、)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m)050Y050100150200250X050100150200Z(m)(m)(m) (a)

12、t = 0.04天天 (b) t = 0.1天天 (c) t = 0.2天天 (d) t = 0.4天天10005050500050100500500000505010010050010050005010050高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院水流流动过程中均质坝轴线截面的孔隙水压力分布水流流动过程中均质坝轴线截面的孔隙水压力分布坝料各向异性、不均匀及三维效应坝料各向异性、不均匀及三维效应 (a) t = 0.04 天天 (b) t =0.1天天 (a) t = 0.2 天天 (b) t = 0.4 天天11高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电

13、学院四川大学水利水电学院概化的高土石坝计算剖面概化的高土石坝计算剖面应力变形对渗流场的影响应力变形对渗流场的影响 12高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院不同时刻坝体中的孔隙水压力分布不同时刻坝体中的孔隙水压力分布应力变形对渗流场的影响应力变形对渗流场的影响 (a) t = 100天天 (b) t = 150天天 (c) t = 270天天13高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院上游坝壳上游坝壳A点的水力坡降随水位升高的变化过程点的水力坡降随水位升高的变化过程应力变形对渗流场的影响应力变形对渗流场的影响 (a) 坝料均质坝

14、料均质 (b) 渗透性各向异性渗透性各向异性14高土石坝的渗流场高土石坝的渗流场四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院心墙下游渗流出逸点心墙下游渗流出逸点C的水力坡降随水位升高的变化过程的水力坡降随水位升高的变化过程应力变形对渗流场的影响应力变形对渗流场的影响 (a) 坝料均质坝料均质 (b) 渗透性各向异性渗透性各向异性15内内 容容u 研究背景u 高土石坝的渗流场u大型高压渗透仪和环状水平径向渗透仪大型高压渗透仪和环状水平径向渗透仪u 抗渗试验研究及结果u 渗透破坏的细观数值模拟u 结论和研究展望四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院16大型高压渗透仪大型高压渗透仪四川大学水利水电学院

15、四川大学水利水电学院仪器的全景照片仪器的全景照片17大型高压渗透仪大型高压渗透仪四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院仪器的构成仪器的构成(1) 长方体试样箱 (2) 水压力系统(3) 水平和竖向加荷系统 (4) 控制和数据采集系统(2)供水供水箱箱回水管回水管变频泵变频泵频率显示频率显示 调节阀调节阀(3)压缩氮气瓶压缩氮气瓶加压油缸加压油缸油泵油泵出水口出水口入水口入水口长方体长方体试样箱试样箱(1)数据采集数据采集和显示和显示控制柜控制柜(4)18大型高压渗透仪大型高压渗透仪四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试样箱和加压油缸试样箱和加压油缸顶板顶板高强高强螺钉螺钉肋梁肋梁前侧墙前

16、侧墙孔压传感器孔压传感器油压表油压表位移计位移计19大型高压渗透仪大型高压渗透仪四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院可移动盖板详图可移动盖板详图BAARubber stripMovable plateHole for screwRubber stripSteel barScrewS c re wR u b b e r s tripM o v a b le p la teS te e l b a r7.5923131 02 41 28螺螺 钉钉橡橡 皮皮 条条螺螺 钉钉钢钢 条条橡皮条橡皮条螺孔螺孔钢钢 条条可移动盖板可移动盖板可移动盖板可移动盖板橡橡 皮皮 条条20大型高压渗透仪大型高压渗

17、透仪四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院供水箱供水箱水压力系统水压力系统可变调节阀可变调节阀调节阀调节阀回水管回水管21大型高压渗透仪大型高压渗透仪四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院竖向加压油缸竖向加压油缸双向加荷系统双向加荷系统水平加压油缸水平加压油缸油泵和邮箱油泵和邮箱22大型高压渗透仪大型高压渗透仪四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院双向加压系统可实现的应力和应变状态双向加压系统可实现的应力和应变状态(c) H orizontal fix, vertical loading(a) Tw o directional fixFixed boundryStressFixed bo

18、undryStressFixed boundryFixed boundryStress(b) V ertical fix, horizontal loading(d) Tw o directional loading双向约束竖向约束水平加荷双向加荷约束竖向加荷水平约束 双向约束双向约束 水平加荷，竖向约束水平加荷，竖向约束 水平约束，竖向加荷水平约束，竖向加荷 双向加荷双向加荷23防渗料填筑防渗料填筑试样箱的分隔试样箱的分隔四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院大型高压渗透试验大型高压渗透试验试验安装试验安装反滤料的填筑反滤料的填筑24四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院大型高压渗透大型

19、高压渗透试验试验加荷加荷土样安装后试样箱剖面图土样安装后试样箱剖面图砾石土砾石土反滤料反滤料多孔板多孔板进水口进水口多孔板多孔板出口水箱出口水箱PhPvPv出水口出水口可移动加压板可移动加压板加荷活塞加荷活塞加压油缸加压油缸顶板顶板25试验后土样剖面试验后土样剖面四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院大型高压渗透大型高压渗透试验试验拆样、观察并取样试验拆样、观察并取样试验26试验后反滤料的开挖剖面及取样试验后反滤料的开挖剖面及取样四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院大型高压渗透大型高压渗透试验试验拆样后取样进行试验拆样后取样进行试验27环状径向水平渗透仪环状径向水平渗透仪四川大学水利水电

20、学院四川大学水利水电学院仪器的全景照片仪器的全景照片28环状径向水平渗透仪环状径向水平渗透仪四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院环状径向渗透仪结构图环状径向渗透仪结构图29环状径向水平渗透试验环状径向水平渗透试验四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院装样过程装样过程30内内 容容u 研究背景u 高土石坝的渗流场u大型高压渗透仪和环状水平径向渗透仪u 抗渗试验研究及结果抗渗试验研究及结果u 渗透破坏的细观数值模拟u 结论和研究展望四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院31四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验土料试验土料砾石土防渗料的级配曲线砾石土防渗料的级配曲线32四川大学水利水

21、电学院四川大学水利水电学院试验土料试验土料反滤料的级配曲线反滤料的级配曲线33四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验方案试验方案试验方案试验方案试验试验分组分组砾石含量砾石含量P5 (%)防渗料干密防渗料干密度度(g/cm3)级配曲线级配曲线反滤料干密度反滤料干密度(g/cm3)I552.084平均线平均线2.0502.075452.054II502.075下包线下包线2.0下包外延线下包外延线1下包外延线下包外延线2III502.075平均线平均线2.01.91.834四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果不同水平应变下渗透系数随水力坡降的变化曲线不同水平应变下渗透系

22、数随水力坡降的变化曲线h = 0 h = 0.024h = 0.036CAB渗透系数(cm/s) 水力坡降水力坡降35四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果不同竖向应变下渗透系数随水力坡降的变化曲线不同竖向应变下渗透系数随水力坡降的变化曲线CABv = 0 v = 0.012v = 0.029渗透系数(cm/s) 水力坡降水力坡降36四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果试样不同位置的孔隙水压力试样不同位置的孔隙水压力Interface孔隙压力 (kPa) 孔隙传感器编号孔隙传感器编号37四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果渗透系数随防渗

23、料的砾石含量渗透系数随防渗料的砾石含量 P5的变化的变化38四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果临界坡降随防渗料的砾石含量临界坡降随防渗料的砾石含量 P5的变化的变化39四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果临界坡降随反滤料密度的变化临界坡降随反滤料密度的变化40四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果临界坡降随反滤料控制粒径临界坡降随反滤料控制粒径D15的变化的变化41四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果一维压缩时渗透系数与压力的关系一维压缩时渗透系数与压力的关系42四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验

24、结果一维压缩时破坏坡降与压力的关系一维压缩时破坏坡降与压力的关系43四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果水平压缩、竖向卸载时不同密度反滤水平压缩、竖向卸载时不同密度反滤料试样的破坏坡降随水平压力的变化料试样的破坏坡降随水平压力的变化44四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院试验结果试验结果水平压缩、竖向卸载时不同级配反滤料试样的破坏水平压缩、竖向卸载时不同级配反滤料试样的破坏坡降随水平压力的变化坡降随水平压力的变化45内内 容容u 研究背景u 高土石坝的渗流场u大型高压渗透仪和环状水平径向渗透仪u 抗渗试验研究及结果u 渗透破坏的细观数值模拟渗透破坏的细观数值模拟u 结论

25、和研究展望四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院46接触流失的离散元模拟接触流失的离散元模拟四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院反滤料的级配不同时防渗料颗粒的移动反滤料的级配不同时防渗料颗粒的移动(2009)(a)(b)(c)(d)47接触流失的离散元模拟接触流失的离散元模拟四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院流失率 (%) 防渗料颗粒的流失率与距离接触面的关系防渗料颗粒的流失率与距离接触面的关系(2013) 距接触面的距离距接触面的距离(cm)48接触流失的离散元模拟接触流失的离散元模拟四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院流失率与时间的关系流失率与时间的关系 (2013)计算时

26、间计算时间 (s)流失率 (%) 49接触流失的离散元模拟接触流失的离散元模拟四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院侵入深度与特征粒径比侵入深度与特征粒径比D15/d*85的关系的关系(2013)反滤料与防渗料中细粒的特征粒径比反滤料与防渗料中细粒的特征粒径比D15/d*85侵入深度 (cm) 50接触流失的离散元模拟接触流失的离散元模拟四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院n=0.350n=0.286n=0.300反滤料孔隙率不反滤料孔隙率不同时防渗料颗粒同时防渗料颗粒的移动的移动(2009)51内内 容容u 研究背景u 高土石坝的渗流场u大型高压渗透仪和环状水平径向渗透仪u 抗渗试验研究及结果u 渗透破坏的细观数值模拟u 结论和研究展望结论和研究展望四川大学水利水电学院四川大学水利水电学院52结论及后续研究结论及后续研究u大型高压渗透仪能够满足高