CN110441211A - 单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置及方法，旨在克服确定错动带渗透破坏水力坡降的现有技术方案中不足之处，提供一种基于单向流原位试验装置，根据阶梯边界水头条件下错动带中非稳定流公式解析解确定错动带渗透破坏水力坡降的方法。所述装置包括进水仓、出水仓、测压管、压力仪和注水加压装置。所述方法步骤包括现场平洞内选取合适试验点，形成原位试样；开展现场试验，记录流量数据及破坏征兆时间；基于试验数据获得错动带渗透性参数；计算错动带渗透破坏水力坡降。

Description

单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置及方法，尤其是一种现场确定错动带非稳定流状态下的临界水力坡降、破坏水力坡降的试验装置及方法。

背景技术

错动带主要是指地质历史时期由于构造运动在坚硬岩层中形成的缓倾角软弱结构面。错动带根据其发育位置又可分为层间错动带和层内错动带，在自然界普遍存在，尺度上远远大于岩体工程结构物尺寸，给许多工程带来了渗流控制、岩体稳定性问题和地质灾害。金沙江下游已建的溪洛渡水电站和在建的白鹤滩水电站坝址区玄武岩中就广泛发育有缓倾角的层间错动带和层内错动带。这些错动带物质一般为泥、碎屑、碎石混杂，透水性远大于原岩。溪洛渡水电站、白鹤滩水电站都是280m以上坝高的高坝大库，水库蓄水后上下游水头差在200m以上，坝址区地下水工建筑物工程承受着巨大的错动带渗透力作用问题、渗透破坏问题和疏干排水问题，因此错动带渗透性大小、渗透破坏水力坡降值直接影响到坝址区地下厂房、隧洞、坝基防排水方案的设计。

对于错动带渗透性以往一般可以通过室内或现场渗透变形试验基于稳定流达西公式确定临界水力坡降、破坏水力坡降。但是在试验中试样的渗透破坏可能在水流未达到稳定状态下发生，若此时通过稳定流达西公式计算会使结果存在一定误差。通过简单可行、节约试验时间的原位试验准确获得错动带发生渗透破坏时的水力坡降是一个非常有使用价值的方法。

发明内容

本发明是为了克服确定错动带渗透破坏水力坡降的现有技术方案中上述不足之处，提供一种基于单向流原位试验，根据阶梯边界水头条件下错动带中非稳定流公式解析解确定错动带渗透破坏水力坡降的单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置，所述试验装置用于对主洞的洞壁上选取的层间错动带原位试样进行单向流试验，包括进水仓、出水仓、测压管、压力仪和注水加压装置，所述进水仓和出水仓分别设置在原位试样两侧，原位试样表面在进水仓和出水仓之间的部分由混凝土封堵层封堵，所述进水仓设置有进水管，所述进水管连接注水加压装置，出水仓设置有出水管，所述进水仓内填充有砂砾石滤层，原位试样在出水仓这一侧设置有钢丝网，钢丝网内填充有砂砾石滤层，所述测压管均匀设置在原位试样及两侧的砂砾石滤层内，所述压力仪连接测压管。

作为优选，所述注水加压装置包括流量表、稳压水箱、调压阀、水泵和蓄水池，蓄水池依次连接水泵、调压阀、稳压水箱和进水管，稳压水箱设置流量表。

作为优选，所述出水仓设有透明观察面。

本发明同时提供一种单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在主洞内选取合适试验点，通过打两个支洞和一个连通洞将层间错动带在水平向上与周围切断，安装上述的试验装置，并在试验开始前进行试样饱和，待水流稳定后开始试验；

步骤2，根据错动带试样填充物性质及细颗粒含量对渗透破坏的形式进行初步判断，注水加压装置对进水仓内注水并逐级加压，试样破坏时结束试验；

步骤3，在注水加压后每隔0.5min记录一次进水流量、出水流量、测压管水压力和温度，同时观测出水口处的变化，当出现细颗粒被带出和水变浑浊现象及时记录发生时间t_cr及对应水头当试样破坏或水头无法增加时，记录时间t_f和对应水头试验终止；

步骤4，根据错动带原位试样的渗透系数K、贮水率μ_s、t_cr和t_f，计算获得临界水力坡降J_cr、破坏水力坡降J_f。

作为优选，所述步骤1中的错动带原位试样厚度为0.15～0.3m，并在垂直向上保留一定厚度的原岩，形成渗径2m、宽1.5m、高1.5m的原位试样。

作为优选，所述步骤2中注水加压装置对进水仓内注水并逐级加压的方式具体是：初始水压为0.05MPa，每隔20min左右按0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa其后每次增量0.5MPa逐级增加边界水压。

作为优选，所述步骤4具体包括以下步骤：

根据在阶梯边界条件下试样中的非稳定流水力坡降公式：

式中a为传导系数；J(x,t)为试样中x点t时刻的水力坡降变化值；M为试验水头加压次数；为第i阶段施加的水头，单位为m；t为试验进行时间，单位为s；t_i为第i阶段水头加压时间，单位为s；l为试样错动带长度，单位为m。

将出现细颗粒被带出和水变浑浊现象的发生时间t_cr及对应水头代入公式中，计算获得临界水力坡降J_cr；将试样破坏或水头无法增加时，记录时间t_f和对应水头代入公式中，计算破坏水力坡降J_f。

本发明实验装置及实验过程简单、易操作，解析解理论严密，基于非稳定流解析公式确定渗透破坏水力坡降，可以解决在非稳定流情况下原位确定错动带渗透破坏水力坡降的关键技术问题，克服了现场取样后在实验室进行测试的误差；同时，一次试验可以求得错动带渗透系数、传导系数、贮水系数、临界水力坡降和破坏水力坡降，获取的参数多，因此，该方法有很好的推广应用价值。

与现有错动带渗透破坏水力坡降确定方法相比，本发明所提供的方法具有以下优点：

(1)推得的解析解，理论严密，因此方法有严格的理论依据。

(2)实现渗透破坏水力坡降的单向流原位测试，并且试验装置及试验过程简单、易操作。

(3)可准确得到当渗透破坏发生在非稳定流状态下的水力坡降，避免现有方法一概将渗透破坏水力坡降按稳定流达西公式计算带来的误差。

(4)一次试验可以同时求得错动带渗透系数、传导系数、贮水系数、临界水力坡降和破坏水力坡降，获取的参数多。因此，该方法有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的单向流原位试验现场示意图；

图2为本发明实施例的现场试验Ⅰ-Ⅰ剖面图；

图3为本发明实施例的边界水头变化。

图中：

1、原位试样；2、进水仓；3、出水仓；4、测压管；5、压力仪；6、混凝土封堵层；7、进水管；8、出水管；9、砂砾石滤层；10、钢丝网；11、流量表；12、稳压水箱；13、调压阀；14、水泵；15、蓄水池；16、透明观察面；17、量水桶；18、主洞；19、支洞；20、连通洞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1、图2所示，本发明的一种单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置，所述试验装置用于对主洞的洞壁上选取的层间错动带原位试样进行单向流试验。所述原位试样1是在主洞18洞壁的选取合适位置，在试样位置两侧开设支洞19，再在支洞的内端设置连通洞20。从而将层间错动带四周与原岩分离，层间错动带原位试样厚度为0.15～0.3m，并在垂直向上保留一定厚度的原岩，形成渗径2m、宽1.5m、高1.5m的原位试样。

所述试验装置包括进水仓2、出水仓3、测压管4、压力仪5和注水加压装置。所述进水仓和出水仓分别设置在原位试样两侧。在本实施例中进水仓设置在连通洞内，出水仓设置在主洞内。

原位试样表面在进水仓和出水仓之间的部分由混凝土封堵层6封堵。所述进水仓设置有进水管7，所述进水管连接注水加压装置。出水仓设置有出水管8。在出水管一侧设置量水桶17，用于测量某段时间内的出水量，换算成相应时段里的渗流量。

所述进水仓内填充有砂砾石滤层9。所述出水仓设有透明观察面16。原位试样在出水仓这一侧设置有钢丝网10，钢丝网内填充有砂砾石滤层，所述测压管均匀设置在原位试样及两侧的砂砾石滤层内，所述压力仪连接测压管。所述注水加压装置包括流量表11、稳压水箱12、调压阀13、水泵14和蓄水池15，蓄水池依次连接水泵、调压阀、稳压水箱和进水管，稳压水箱设置流量表。

本发明实施例同时提供基于上述试验装置的一种单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在主洞内选取合适试验点，通过打两个支洞和一个连通洞将层间错动带在水平向上与周围切断，安装上述的试验装置，并在试验开始前进行试样饱和，待水流稳定后开始试验。

所述步骤1中层间错动带原位试样厚度为0.15～0.3m，并在垂直向上保留一定厚度的原岩，形成渗径2m、宽1.5m、高1.5m的原位试样。

步骤2，根据错动带试样填充物性质及细颗粒含量对渗透破坏的形式进行初步判断，注水加压装置对进水仓内注水并逐级加压，试样破坏时结束试验。

所述步骤2中注水加压装置对进水仓内注水并逐级加压的方式具体是：初始水压为0.05MPa，每隔20min左右按0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa其后每次增量0.5MPa逐级增加边界水压。

步骤3，在注水加压后每隔0.5min记录一次进水流量、出水流量、测压管水压力和温度，同时观测出水口处的变化，当出现细颗粒被带出和水变浑浊现象及时记录发生时间t_cr及对应水头当试样破坏或水头无法增加时，记录时间t_f和对应水头试验终止；

步骤4，根据层间错动带原位试样的渗透系数K、贮水率μ_s、t_cr和t_f，计算获得临界水力坡降J_cr、破坏水力坡降J_f。

所述步骤4具体包括以下步骤：

考虑错动带试样饱和，水流为水平单向流。假设进水口处水头抬升一定值取错动带试样进水口为坐标原点，一维非稳定水流模型为：

式中：u(x,t)为试样中x点t时刻的水位变化值，m；t为试验水头加压时间，s；K为错动带渗透系数，cm/s；μ_s为错动带贮水率，cm^-1；为试样进水口水头增量，m；l为试样错动带长度，m。

令a为传导系数。将上式经分离变量和傅立叶变换，得到：

试样中各处水力坡降随时间变化公式：

单位流量q：t时刻，在x位置单位截面积内通过的流量

将式(4)进行无量纲化，得到

可将实测数据绘制成q-t曲线与式(5)绘制的标准曲线配线，使两条曲线重叠，任选一匹配点，记下对应坐标值[q]、和[t]，代入相应公式计算错动带渗透系数K、贮水率μ_s。

当边界条件为阶梯状水头变化时，将整个变化过程理解为各个时段水位变幅的叠加，而各时段的水位变化可看作是在定水头边界条件下的变化。

同理推出在阶梯边界条件下试样中的非稳定流水力坡降公式：

式中a为传导系数；J(x,t)为试样中x点t时刻的水力坡降变化值；M为试验水头加压次数；为第i阶段施加的水头，单位为m；t为试验进行时间，单位为s；t_i为第i阶段水头加压时间，单位为s；l为试样错动带长度，单位为m。

将出现细颗粒被带出和水变浑浊现象的发生时间t_cr及对应水头代入公式中，计算获得临界水力坡降J_cr；将试样破坏或水头无法增加时，记录时间t_f和对应水头代入公式中，计算破坏水力坡降J_f。

在一个实际示例中选取白鹤滩水电站平洞内C₂层间错动带YS2试样进行单向流原位试验。

如图3，当水头增加至第三级(Δh＝1058cm)时观测到出水口有泥水带出，该阶段试验时间为240min～360min，此阶段的水力坡降可看作临界水力坡降；当水头加压至4264cm时，发现流量明显增大，大量泥沙被带出，视为试样破坏，该水头阶段实验时间为720min～840min。该试样长度l＝210cm，a取40.29cm²/s。

由于该实例的试验过程中流量测量在水流趋于稳定时进行，用非稳定流公式配线不能得到较好的参数，且出现破坏征兆及试样破坏的时刻记录不及时，通过本发明提出的算法给出临界水力坡降和破坏水力坡降的范围。

若试样在第三级水头刚加压时出现泥水带出现象，则t₁＝241min，计算得到临界水力坡降J_cr1＝3.57；若试样在第三级水头加压结束时出现特征现象，则令t₂＝360min，计算得到J_cr2＝4.65。同理计算破坏水力坡降：令t₁＝721min，J_f1＝16.13；令t₂＝840min，J_f2＝20.30。

可确定YS2试样的临界水力坡降在3.57～4.65之间，破坏水力坡降在16.13～20.30之间。

本发明试验装置及试验过程简单、易操作，解析解理论严密，基于非稳定流解析公式确定渗透破坏水力坡降，可以解决在非稳定流情况下原位确定错动带渗透破坏水力坡降的关键技术问题，克服了现场取样后在实验室进行测试的误差；同时，一次试验可以求得错动带渗透系数、传导系数、贮水系数、临界水力坡降和破坏水力坡降，获取的参数多，因此，该方法有很好的推广应用价值。

与现有错动带渗透破坏水力坡降确定方法相比，本发明所提供的方法具有以下优点：

(1)推得的解析解，理论严密，因此方法有严格的理论依据。

(2)实现渗透破坏水力坡降的单向流原位测试，并且试验装置及试验过程简单、易操作。

(3)可准确得到当渗透破坏发生在非稳定流状态下的水力坡降，避免现有方法一概将渗透破坏水力坡降按稳定流达西公式计算带来的误差。

(4)一次试验可以同时求得错动带渗透系数、传导系数、贮水系数、临界水力坡降和破坏水力坡降，获取的参数多。因此，该方法有很好的推广应用价值。

Claims (7)

1.一种单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置，所述试验装置用于对主洞的洞壁上选取的层间错动带原位试样进行单向流试验，其特征是，包括进水仓、出水仓、测压管、压力仪和注水加压装置，所述进水仓和出水仓分别设置在原位试样两侧，原位试样表面在进水仓和出水仓之间的部分由混凝土封堵层封堵，所述进水仓设置有进水管，所述进水管连接注水加压装置，出水仓设置有出水管，所述进水仓内填充有砂砾石滤层，原位试样在出水仓这一侧设置有钢丝网，钢丝网内填充有砂砾石滤层，所述测压管均匀设置在原位试样及两侧的砂砾石滤层内，所述压力仪连接测压管。

2.根据权利要求1所述的单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置，其特征是，所述注水加压装置包括流量表、稳压水箱、调压阀、水泵和蓄水池，蓄水池依次连接水泵、调压阀、稳压水箱和进水管，稳压水箱设置流量表。

3.根据权利要求1所述的单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的试验装置，其特征是，所述出水仓设有透明观察面。

4.一种单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在主洞内选取合适试验点，通过打两个支洞和一个连通洞将层间错动带在水平向上与周围切断，安装权利要求1～4所述的试验装置，并在试验开始前进行试样饱和，待水流稳定后开始试验；

步骤2，根据错动带试样填充物性质及细颗粒含量对渗透破坏的形式进行初步判断，注水加压装置对进水仓内注水并逐级加压，试样破坏时结束试验；

步骤3，在注水加压后每隔0.5min记录一次进水流量、出水流量、测压管水压力和温度，同时观测出水口处的变化，当出现细颗粒被带出和水变浑浊现象及时记录发生时间t_cr及对应水头当试样破坏或水头无法增加时，记录时间t_f和对应水头试验终止；

步骤4，根据错动带原位试样的渗透系数K、贮水率μ_s、t_cr和t_f，计算获得临界水力坡降J_cr、破坏水力坡降J_f。

5.根据权利要求4所述的单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的方法，其特征是，所述步骤1中的层间错动带原位试样厚度为0.15～0.3m，并在垂直向上保留一定厚度的原岩，形成渗径2m、宽1.5m、高1.5m的原位试样。

6.根据权利要求4所述的单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的方法，其特征是，所述步骤2中注水加压装置对进水仓内注水并逐级加压的方式具体是：初始水压为0.05MPa，每隔20min左右按0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa其后每次增量0.5MPa逐级增加边界水压。

7.根据权利要求4所述的单向流原位试验确定错动带渗透破坏水力坡降的方法，其特征是，所述步骤4具体包括以下步骤：

根据在阶梯边界条件下试样中的非稳定流水力坡降公式：

式中a为传导系数；J(x,t)为试样中x点t时刻的水力坡降变化值；M为试验水头加压次数；为第i阶段施加的水头，单位为m；t为试验进行时间，单位为s；t_i为第i阶段水头加压时间，单位为s；l为试样错动带长度，单位为m。

将出现细颗粒被带出和水变浑浊现象的发生时间t_cr及对应水头代入公式中，计算获得临界水力坡降J_cr；将试样破坏或水头无法增加时，记录时间t_f和对应水头代入公式中，计算破坏水力坡降J_f。