CN113075106B - 一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，该方法包括以下步骤：根据分级侵蚀原理，计算各级粒径的土壤颗粒含量P和土壤孔隙率n，绘制各级粒径的PSD曲线及在每个侵蚀阶段下的PSD曲线簇；根据PSD曲线中的平均粒径Dj计算土壤颗粒的等效直径Dh，根据等效直径Dh计算土壤颗粒的最小等效孔隙直径d0；根据土壤颗粒含量P计算颗粒侵蚀的临界水力梯度icr；根据土壤孔隙率n及PSD曲线簇中的土壤颗粒的几何参数值，计算渗透系数kh；根据渗透系数kh计算渗流流速v及总渗流量Q，本发明通过计算总渗流量，反推出砾石土侵蚀程度和危险状况，以便采取相应措施予以治理和保护，进而避免事故发生。

Description

一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法
技术领域
本发明涉及地质岩土工程领域，特别是涉及一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法。
背景技术
在影响基坑开挖稳定性和岩溶塌陷安全性的诸多因素中，砾石土的浸水渗透侵蚀受到大家的广泛关注。特别是在岩溶地区分布的中间粒径缺失的双峰型砾石土、或宽级配砾石土，对岩土结构物防水防渗及岩溶塌陷的形成来说是一个重要的影响因素。
现有的技术中已经有很多针对砾石土浸水后因其颗粒分布特征客观上容易引发细颗粒流失、管涌等渗透侵蚀性问题的研究，不同于流土侵蚀，在管涌渗透侵蚀情况下及水力梯度较小的情况下，发生有关土体的渗透侵蚀及其稳定性问题，国外Sherard、Mace和Indraratna和Radampola的研究从渗透侵蚀的物理机理、实验手段到评价方法均有许多研究成果；国内则以刘杰和谢定松、毛昶熙等的研究具有代表性，特别是对于宽级配的砾石土分级评价模型的总结。
由于岩土体渗流量的直接影响基坑或坝体工程的突涌水量，因此，岩土体在不同侵蚀状态下，其水力特征参数的确定是尤为重要的，现有研究和相关规范很难定量评价和界定由渗透侵蚀直至突涌水发生的渗透稳定性问题，即涌水量的问题难以确定，从而导致突发的安全问题，因此，需要提供一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法。
发明内容
发明实施例提供了一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，可以解决现有研究和相关规范很难定量评价和界定由渗透侵蚀直至突涌水发生的渗透稳定性问题，即涌水量的问题难以确定，从而导致突发的安全问题。
本发明提供了一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，包括以下步骤：
根据分级侵蚀原理，计算各级粒径的土壤颗粒含量P和土壤孔隙率n，绘制各级粒径与各级粒径的土壤颗粒含量P的PSD曲线及在每个侵蚀阶段下各级粒径与各级粒径的土壤颗粒含量P的PSD曲线簇；
根据PSD曲线中的某两个粒径级区间内的平均粒径Dj计算土壤颗粒的等效直径Dh，根据等效直径Dh计算土壤颗粒的最小等效孔隙直径d0；
根据各级粒径的土壤颗粒含量P计算各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr；
根据土壤孔隙率n及PSD曲线簇中的土壤颗粒的几何参数值，计算渗透系数kh；
根据渗透系数kh计算渗流流速v及总渗流量Q。
优选地，各级粒径的土壤颗粒含量P和土壤孔隙率n的计算方法为：
根据下式(1)计算第j级粒径在(i+1)状态下的土壤颗粒含量Pj (i)及更新至(i+1)状态下的土壤孔隙率n(i+1)：
Figure BDA0002994787270000021
式中，Pj (i)为第j级粒径在(i)状态下的土壤颗粒含量；n i为在(i)状态下的土壤孔隙率；S为渗透侵蚀程度，即被冲走侵蚀的小于某粒径的土壤颗粒质量，其所占原土壤颗粒质量的百分比；Px为细粒含量，即土壤颗粒流失质量占总体土壤质量百分比。
优选地，根据等效直径Dh计算土壤颗粒的最小等效孔隙直径d0的方法为：
根据下式(2)计算土壤颗粒的等效直径Dh
Figure BDA0002994787270000031
根据下式(3)计算最小等效孔隙直径d0
Figure BDA0002994787270000032
式中，Dj是粒径级在j1到第j2之间的平均粒径，ΔSj为第j级粒径的重量与样本总重量之比，n是孔隙度，α是颗粒的形状系数。
优选地，计算各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr的方法为：
根据下式(4)计算临界水力梯度icr
Figure BDA0002994787270000033
式中：(icr)j为第j级颗粒侵蚀临界水力梯度，s为相对密度，即总体土壤密度相对于水体的密度；d85为土壤颗粒流失质量占总体土壤质量的85％的颗粒的粒径；dj是从土壤中被侵蚀的第j级的颗粒粒径，pj第j级粒径的颗粒含量。
优选地，计算渗透系数kh的方法为：
根据下式(5)计算渗透系数kh
Figure BDA0002994787270000034
式中，e为孔隙比，由土壤孔隙率计算得到e＝n/(1-n)，μw是水的动力粘滞系数，γw是水的重度，d10为土壤颗粒流失质量占总体土壤质量的10％的颗粒的粒径，Cu为不均匀系数。
优选地，根据渗透系数kh计算渗流流速v及总渗流量Q的方法为：
根据下式(6)计算土壤颗粒的渗流流速v
v＝Kh·icr (6)
根据下式(7)计算土壤颗粒的总渗流量Q
Q＝n·v·A (7)
式中：v是渗流流速，icr是临界水力梯度，Q是总渗流量，A是面积，n为土壤孔隙率。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
本发明的方法是通过砾石土分级侵蚀情况下移动的PSD曲线，计算其动态几何参数及变化的临界水力梯度和渗透系数，再由达西公式计算渗流速度和涌水量，进而得出岩土水力特征参数及突涌水量的方法，使得在出现渗透侵蚀时，通过计算总渗流量，可反推出砾石土侵蚀程度和危险状况，以便采取相应措施予以治理和保护，进而避免事故发生，值得推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程框图；
图2为本发明的三种不同土类的土壤颗粒粒径分布的PSD曲线；
图3为本发明土壤颗粒的各级粒径与各级粒径的土壤颗粒含量P的PSD曲线；
图4为本发明砾石土S2的在各个侵蚀阶段下的PSD曲线簇；
图5为本发明砾石土S3的在各个侵蚀阶段下的PSD曲线簇；
图6为本发明颗粒分级侵蚀过程中临界水力梯度计算框图；
图7为本发明砾石土临界水力梯度与各级土颗粒粒径之间的关系图；
图8是本发明砾石土临界水力梯度与颗粒百分含量之间的关系图；
图9是本发明不同侵蚀度下砾石土S2的几何参数及渗透系数的关系图；
图10是本发明不同侵蚀度下砾石土S3的几何参数及渗透系数的关系图；
图11是本发明在不同阶段的临界水力梯度icr低值区对渗流流速v和涌水量Q变化图；
图12是本发明在不同阶段的临界水力梯度icr高值区对渗流流速v和涌水量Q变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1到附图11，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法：
在实施该方法前，需要根据含砾石土的主要建筑场地勘察资料，绘制出如图2所示的三种不同土类的土壤颗粒粒径分布的PSD曲线，从PSD曲线中获取各类砾石土的几何参数，几何参数包括d10、d30、d60、d70、d85、dq，d10表示为土壤颗粒流失质量占总体土壤质量的10％的颗粒的粒径；d30、d60、d70、d85与d10的意义相同，dq为两种砾石土类的粗细颗粒的分界直径，将几何参数代入
Figure BDA0002994787270000051
计算砾石土类的不均匀系数Cu，代入
Figure BDA0002994787270000052
计算曲率系数Cc，代入
Figure BDA0002994787270000053
计算dq，确定粗细颗粒分界直径dq，获得图2中对应的细粒含量Px。
表1为基于PSD曲线三种不同土类的几何参数
Figure BDA0002994787270000061
根据分级侵蚀原理，计算各级粒径的土壤颗粒含量P和土壤孔隙率n如图4和图5所示，根据每个状态下的土壤颗粒含量P绘制各级粒径分布的PSD曲线，两种砾石土分级侵蚀情况下右移动的PSD曲线簇，每条曲线对应的是细颗粒逐级被侵蚀冲走，土壤颗粒组成逐渐变得简化和单一，最终接近级配为卵砾石的新土类；比较两种砾石土的级配曲线(如图3)和移动的PSD曲线簇(图如图4和图5)可以看出，砾石土S2的初始状态(0％侵蚀度PSD曲线)相当于S3的第五级侵蚀状态(25％侵蚀度PSD曲线)情况。由此可以看出两种砾石土具有相似的沉积物质来源，前者的组分结构是后者在长期水力侵蚀作用之后所形成的阶段产物。
其中，根据下式(1)计算各级粒径的土壤颗粒含量P和土壤孔隙率n
Figure BDA0002994787270000062
如图3所示，根据每个状态下的土壤颗粒含量P绘制各级粒径分布的PSD曲线；从图中获取粒径级从j1到第j2之间的平均粒径Dj，根据平均粒径Dj确定土壤颗粒的等效直径Dh，根据等效直径Dh计算最小等效孔隙直径d0，
其中，根据下式(2)计算土壤颗粒的等效直径Dh
Figure BDA0002994787270000063
根据下式(3)计算最小等效孔隙直径d0
Figure BDA0002994787270000071
根据土壤颗粒含量P，计算各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr
其中，根据下式(4)计算各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr：
Figure BDA0002994787270000072
如图6所示，通过Pj(i)与Pj(i+1)之间交替循环迭代，同时判定每次迭代后是否满足继续侵蚀条件，从而实现不同侵蚀度下，一系列更新的PSD曲线簇和各级颗粒侵蚀临界水力梯度icr。
根据各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr绘制出如图7所示的两种砾石土临界水力梯度与各级土颗粒粒径之间的关系图，图7中，砾石土S2的临界水力梯度icr大于S3的临界水力梯度icr，这是由于其粒径范围小且粒径大，土颗粒的移动需要更大的渗透力，且砾石土S3在25％侵蚀度下，将其PSD曲线作为新土类计算获得的临界水力梯度icr随颗粒粒径变化情况，它与砾石土S2的初始临界水力梯度icr变化极为相似，Pearson相关系数达到90.4％。由此可进一步证实两种砾石土沉积物质具有同源性，前者是后者长期侵蚀下的阶段产物。
根据各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr绘制出如图8所示绘制出两种砾石土临界水力梯度与颗粒百分含量之间的关系图，图中砾石土S2中以砂粒作为可冲蚀细颗粒的主要成分；而S3中则以粉粒和少量粘粒作为可冲蚀细颗粒的主要成分，砂粒可冲蚀量偏少。
根据各土类几何参数值及所述最小等效孔隙直径d0，计算渗透系数kh。
通过式(2)和式(3)进行计算得到的最小等效孔隙直径d0及从PSD曲线直接读取方式获得几何参数，再代入式(5)获得砾石土的渗透系数kh。
Figure BDA0002994787270000073
如图9所示，不同侵蚀度下砾石土S2的几何参数及渗透系数图，其中的数据从移动的PSD曲线读取或由公式计算获得的几何参数取值，如粒径d10、d15可直接读取，而孔隙直径d0需通过式(3)计算获得，从图9中可见，,考虑孔隙度n值(0.20～0.47)影响，以充填区域表示孔隙度n值影响下几何参数和渗透系数的取值范围，其随着侵蚀度S的增加，S＝20％的时候，几何参数或渗透系数取值将趋于一致。
如图10所示，不同蚀度下砾石土S3的几何参数及渗透系数关系图，无论是取有效粒径d10还是d15，其渗透系数取值在侵蚀度S<15％情况下，计算结果与经典水力学公式的结果吻合，考虑了式(5)中不均匀系数Cu的影响，渗透性在数量级上变化范围较大，细颗粒的影响得以突显，如砾石土S3从10-6～10cm/s，能够涵盖从粉土到砾石的渗透系数范围。
根据达西定律和土壤渗流流量计算公式，计算渗流流速v及总渗流量Q；
其中，根据下式(6)计算土壤颗粒的渗流流速v
v＝Kh·icr (6)
根据下式(7)计算土壤颗粒的总渗流量Q
Q＝n·v·A (7)
根据图11和图12，得出如表2所示，在各个侵蚀阶段下砾石土的水力侵蚀性质；
在渗滤阶段(S＜5％)，临界水力梯度为icr＜0.01，渗透流速v小于5.0×10-4cm/s，可侵蚀的颗粒直径为0.01mm以下的粉细颗粒；
在细粒侵蚀阶段(5％≤S＜30％)，临界水力梯度icr为0.01～0.13，渗透流速v＝5.0×10-4～4.0×10-1cm/s；可侵蚀的颗粒直径为0.01～0.1mm的粉粒至细砂颗粒；
在粗粒侵蚀阶段(30％≤S≤40％)，临界水力梯度icr为0.13～0.50，渗透流速v＝0.4～2.8cm/s；可侵蚀的颗粒直径为0.1～0.57mm的细至中粗砂颗粒；
在突涌水或水淹阶段(S不考虑)，临界水力梯度icr为0.50～0.89，渗透流速v>2.8cm/s。
表2砾石土侵蚀各阶段参数及取值范围表
Figure BDA0002994787270000091
注：1：孔隙度n取0.47，即砾石土处于松散状态；A取1.0m2。
2：参考国内矿井突水流量大小，当流量小于50.0m3/h，即为小规模突水点。
综上，本发明的计算方法，通过砾石土分级侵蚀情况下移动的PSD曲线，计算其动态几何参数及变化的临界水力梯度和渗透系数，再由达西公式计算渗流速度和涌水量，进而得出岩土水力特征参数及突涌水量的方法，使得在出现渗透侵蚀时，通过计算总渗流量，可反推出砾石土侵蚀程度和危险状况，以便采取相应措施予以治理和保护，进而避免事故发生，值得推广。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据分级侵蚀原理，计算各级粒径的土壤颗粒含量P和土壤孔隙率n，绘制各级粒径与各级粒径的土壤颗粒含量P的PSD曲线及在每个侵蚀阶段下各级粒径与各级粒径的土壤颗粒含量P的PSD曲线簇；
计算各级粒径的土壤颗粒含量P和土壤孔隙率n的方法为：
根据下式(1)计算第j级粒径在(i+1)状态下的土壤颗粒含量Pj (i)及更新至(i+1)状态下的土壤孔隙率n(i+1)：
Figure FDA0003795916940000011
式中，Pj (i)为第j级粒径在(i)状态下的土壤颗粒含量；ni为在(i)状态下的土壤孔隙率；S为渗透侵蚀程度，即被冲走侵蚀的小于某粒径的土壤颗粒质量，其所占原土壤颗粒质量的百分比；Px为细粒含量，即土壤颗粒流失质量占总体土壤质量百分比；
根据PSD曲线中的某两个粒径级区间内的平均粒径Dj计算土壤颗粒的等效直径Dh，根据等效直径Dh计算土壤颗粒的最小等效孔隙直径d0；
根据各级粒径的土壤颗粒含量P计算各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr；
根据土壤孔隙率n及PSD曲线簇中的土壤颗粒的几何参数值，计算渗透系数kh；
根据渗透系数kh计算渗流流速v及总渗流量Q。
2.如权利要求1所述的一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，其特征在于，根据等效直径Dh计算土壤颗粒的最小等效孔隙直径d0的方法为：
根据下式(2)计算土壤颗粒的等效直径Dh
Figure FDA0003795916940000021
根据下式(3)计算最小等效孔隙直径d0
Figure FDA0003795916940000022
式中，Dj是土壤颗粒粒径级在j1到第j2之间的平均粒径，ΔSj为第j级粒径的重量与样本总重量之比，n是孔隙度，α是颗粒的形状系数。
3.如权利要求2所述的一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，其特征在于，计算各级颗粒侵蚀的临界水力梯度icr的方法为：
根据下式(4)计算第j级颗粒侵蚀临界水力梯度(icr)j
Figure FDA0003795916940000031
式中：(icr)j为第j级颗粒侵蚀临界水力梯度，s为相对密度，即总体土壤密度相对于水体的密度；d85为土壤颗粒流失质量占总体土壤质量的85％的颗粒的粒径；dj是从土壤中被侵蚀的第j级的颗粒粒径，pj第j级粒径的颗粒含量。
4.如权利要求1所述的一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，其特征在于，计算渗透系数kh的方法为：
根据下式(5)计算渗透系数kh
Figure FDA0003795916940000032
式中，e为孔隙比，由土壤孔隙率计算得到e＝n/(1-n)，μw是水的动力粘滞系数，γw是水的重度，d10为土壤颗粒流失质量占总体土壤质量的10％的颗粒的粒径，Cu为不均匀系数。
5.如权利要求3所述的一种砾石土侵蚀阶段的水力参数及涌水量的确定方法，其特征在于，根据渗透系数kh计算渗流流速v及总渗流量Q的计算方法为：
根据下式(6)计算土壤颗粒的渗流流速v
v＝Kh·icr (6)
根据下式(7)计算土壤颗粒的总渗流量Q
Q＝n·v·A (7)
式中：v是渗流流速，icr是临界水力梯度，Q是总渗流量，A是面积，n为土壤孔隙率。
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