CN105178259A - 一种面板堆石坝垫层与过渡层的联合设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面板堆石坝垫层与过渡层的联合设计方法，其将过渡层与垫层结合起来设计而达到最佳使用效果。这种面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，包括步骤：(1)将过渡层与垫层的渗透系数比值作为参数；(2)计算垫层和过渡层在未施工时大坝临时度汛垫层直接挡水时的渗透坡降与渗流速度、运用期面板或止水出现破损时垫层和过渡层中的渗透坡降与渗流速度；(3)根据步骤(1)和(2)的结果来设计坝体土层厚度和土料的颗粒级配。

Description

一种面板堆石坝垫层与过渡层的联合设计方法

技术领域

本发明属于水利水电工程的面板坝设计的技术领域，具体地涉及一种面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，主要用于面板堆石坝的结构设计和土料设计。

背景技术

面板堆石坝是一种技术经济性很好的坝型，其设计技术已经发展到250m级，并向300m级发展。高面板堆石坝面板的破损和止水破坏是大概率事件。垫层和过渡层形成的第二道防渗体系，是面板及其止水系统部分失效时确保大坝安全的第二道防线，也是大坝填筑过程中面板未形成时作为临时度汛时的防渗体系，必须要能保持在渗流作用下自身渗透稳定。

目前在设计垫层和过渡层时，尚未将过渡层与垫层的渗透系数比值作为设计分析指标。而此指标对过渡层中的渗透坡降和渗流速度有显著影响。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，其将过渡层与垫层的渗透性结合起来设计而达到最佳使用效果。

本发明的技术解决方案是：这种面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，包括以下步骤：

(1)将过渡层与垫层的渗透系数比值作为参数；

(2)计算垫层和过渡层在未施工时大坝临时度汛垫层直接挡水时的渗透坡降与渗流速度、运用期面板或止水出现破损时垫层和过渡层中的渗透坡降与渗流速度；

(3)根据步骤(1)和(2)的结果来设计坝体土层厚度和土料的颗粒级配。

本发明通过将过渡层与垫层的渗透系数比值作为联合设计的重要指标，所以将过渡层与垫层结合起来设计而达到最佳使用效果。

附图说明

图1是垫层与过渡层渗流的示意图。

图2示出了根据本发明的面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法的流程图。

具体实施方式

如图2所示，这种面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，包括以下步骤：

(1)将过渡层与垫层的渗透系数比值作为参数；

(2)计算垫层和过渡层在面板未施工时大坝临时度汛垫层直接挡水时的渗透坡降与渗流速度、运用期面板或止水出现破损时垫层和过渡层中的渗透坡降与渗流速度；

(3)根据步骤(1)和(2)的结果来设计坝体土层厚度和土料的颗粒级配。

本发明通过将过渡层与垫层的渗透系数比值作为联合设计的重要指标，从而使设计达到抵抗渗透破坏的最佳使用效果。

另外，在步骤(1)中，根据垫层和过渡层土料的颗粒级配曲线上特征粒径的比值，来计算垫层和过渡层的渗透系数的比值。

另外，采用太沙基反滤准则和过渡层与垫层渗透系数比值较大的原则来确定垫层和过渡层的土料的特征粒径。

另外，如图1所示，过渡层与垫层渗透系数比值满足公式(1)、(2)

k₂/k₁>(p/b+cosα)cosα(1)

k₁/b<v_c/(p+bcosα)(2)

其中P为垫层受到的最大压力水头，采用长度量纲，b为垫层的厚度，α为垫层下表面与水平轴的夹角，v_c为过渡层的非饱和向下渗流渗透破坏的临界渗流速度，k₁为垫层的饱和渗透系数，k₂为过渡层的饱和渗透系数。

另外，所述太沙基反滤准则为公式(3)

D₁₅/d₈₅<4，或D₁₅/d₈₅<5(3)

其中D₁₅、d₈₅分别为过渡层和垫层土料的颗粒级配曲线上重量含量15％和85％所对应的颗粒粒径。

另外，所述过渡层与垫层的渗透系数比值根据公式(4)估算

k₂/k₁＝(φ₂/φ₁)³(D/d)²(4)

其中φ₂、φ₁分别为过渡层与垫层的土体的孔隙率，D、d分别为过渡层与垫层的土料的颗粒级配曲线上指定重量含量所对应的颗粒粒径。

另外，所述指定重量含量为20％。公式(4)变为

k₂/k₁＝(φ₂/φ₁)³(D₂₀/d₂₀)²(5)

其中φ₂、φ₁分别为过渡层与垫层的土体的孔隙率，D₂₀、d₂₀分别为过渡层与垫层的土料的颗粒级配曲线上重量含量20％所对应的颗粒粒径。

渗透系数比值的估算还可以采用别的特征粒径来估算。实际的比值通过渗透试验确定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种面板堆石坝垫层与过渡层的联合设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将过渡层与垫层的渗透系数比值作为参数；

(2)计算垫层和过渡层在未施工时大坝临时度汛垫层直接挡水时的渗透坡降与渗流速度、运用期面板或止水出现破损时垫层和过渡层中的渗透坡降与渗流速度；

(3)根据步骤(1)和(2)的结果来设计坝体土层厚度和土料的颗粒级配。

2.根据权利要求1所述的面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，其特征在于：在步骤(1)中，根据垫层和过渡层土料的颗粒级配曲线上特征粒径的比值，来计算垫层和过渡层的渗透系数的比值。

3.根据权利要求2所述的面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，其特征在于：采用太沙基反滤准则和过渡层与垫层渗透系数比值较大的原则来确定垫层和过渡层的土料的特征粒径。

4.根据权利要求3所述的面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，其特征在于：过渡层与垫层渗透系数比值满足公式(1)、(2)

k₂/k₁>(p/b+cosα)cosα(1)

k₁/b＜v_c/(p+bcosα)(2)

其中P为垫层受到的最大压力水头，b为垫层的厚度，α为垫层底面与水平轴的夹角，v_c为过渡层的非饱和向下渗流渗透破坏的临界渗流速度，k₁为垫层的渗透系数，k₂为过渡层的渗透系数。

5.根据权利要求4所述的面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，其特征在于：所述太沙基反滤准则为公式(3)

D₁₅/d₈₅＜4，或D₁₅/d₈₅<5(3)

其中D₁₅、d₈₅分别为过渡层和垫层土料的颗粒级配曲线上重量含量15％和85％所对应的颗粒粒径。

6.根据权利要求5所述的面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，其特征在于：所述过渡层与垫层的渗透系数比值根据公式(4)计算

k₂/k₁＝(φ₂/φ₁)³(D/d)²(4)

其中φ₂、φ₁分别为2种土体的孔隙率，D、d分别为过渡层与垫层的土料的颗粒级配曲线上指定重量含量所对应的颗粒粒径。

7.根据权利要求6所述的面板堆石坝垫层与过渡层的设计方法，其特征在于：所述指定重量含量为20％。