CN115935710B - 一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数、评估渗流安全的方法 - Google Patents

一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数、评估渗流安全的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数和评估心墙堆石坝渗流安全的方法，对待评估心墙堆石坝进行现场取样抽检，对其中少量抽检点样品测定饱和渗透系数ksat，并计算得到掺和系数α；再根据掺和系数α及掺砾黏土心墙料渗透系数计算方法，计算得到其他未测定饱和渗透系数的抽检点样品的渗透系数，根据规范规定的渗透系数控制值，判断每个抽检点样品的渗透系数是否均小于规范规定的渗透系数控制值，如果都满足，就采用渗流有限单元法进行计算分析；对不满足的抽检点，开展钻探取样复核工作，再决定是否有必要对该部位进行补强和布置针对性的渗流监测网络。

Description

一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数、评估渗流安 全的方法
技术领域
本发明涉及心墙堆石坝技术领域，具体涉及一种计算掺砾黏土心墙料渗透系数、评估心墙堆石坝渗流安全的方法。
背景技术
掺砾黏土心墙料是掺砾黏土心墙堆石坝的心墙填筑料，也是决定了大坝能否有效承担坝前水头的关键防渗土料。作为一种混合堆积的非连续孔隙介质，掺砾黏土心墙料在工程中一般由黏土料与砾石土料掺配而成，是一种兼具大粒径砾石、细颗粒粉黏土的特殊工程岩土体，常呈现出渗透差异大、均匀性差异大等特征。掺砾黏土心墙料对掺砾黏土心墙堆石坝的渗流安全影响巨大，相关渗透特性与掺和质量的科学、快速评价是保障掺砾黏土心墙堆石坝平稳运行的重中之重。
考虑到土石坝现场开展试验所耗费的大量人力物力以及对施工的影响，本领域现有的技术大多是在现场取样并在实验室内进行级配、压实度、渗透系数等基本指标的测定，通过将测定的基本指标数值和阈值进行对比，判定填筑用掺砾黏土心墙料是否合格，但未从大量的试验数据中提炼掺砾黏土心墙料各项渗透参数之间的数学关系式，相关研究成果仅直接服务于所研究的单个工程，其定性化的研究表述导致难以在其他类似工程中进行推广应用。
另外，针对掺砾黏土心墙料这一关键土石材料渗透系数变化规律的研究极为有限，鉴于其相对特殊的工程级配特质，尚未形成严格的推导理论和成熟的经验数据，掺砾黏土心墙料的渗透系数只能依靠大量的原位、室内试验进行取值，使得耗费工期加长、测试流程复杂，从而抬高了建设成本，并增加了大坝建成后评价其安全性状的难度。
因此，亟需提出一种能够科学、便捷计算掺砾黏土心墙料渗透系数、评估心墙坝渗流安全的新技术，通过由基本参数推导目标参数的数学关系式，弥补对掺砾黏土心墙料渗透特性认识的不足。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中缺乏掺砾黏土心墙料渗透参数的数学关系式，相关研究成果仅服务于所研究的单个工程的技术问题，而提出一种计算掺砾黏土心墙料渗透系数、评估堆石坝渗流安全的方法，构造出该堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数数学表达式，可快速对该掺砾黏土心墙堆石坝的渗流安全进行评估，可缩减工期、大幅减少对测试的依赖，有效节约建设开支。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种计算掺砾黏土心墙料渗透系数的方法，包括以下步骤：
步骤1：在待评估心墙堆石坝填筑掺砾黏土心墙料的区域，选择施工控制点位，在每个施工控制点位分别进行取样和原位测试，原位测试测定出每个施工控制点位的掺砾黏土心墙料的天然密度ρ、掺砾量P>5、细粒含量P<0.075的数值；
其中ρ的单位为g/cm3；掺砾量P>5沿用工程定义，即粒径大于5mm的颗粒在掺砾黏土心墙料的含量，P>5的单位为％；细粒含量P<0.075即粒径小于0.075mm的颗粒在掺砾黏土心墙料的含量，P<0.075的单位为％。
原位测试方法包括灌水法、筛分法等，具体测定方法都属于现有技术，在此不再赘述。
步骤2：分别对步骤1中取得的样品进行测定，得到所有样品的比重Gs，选择部分样品测定其饱和渗透系数ksat，Gs为无量纲数，ksat的单位为cm/s；
步骤3：由掺砾量P>5、细粒含量P<0.075的数值划分每个样品的砾石组分与黏土组分，计算每个样品的砾石组分特征粒径De，其中De的单位为mm；
步骤4：由天然密度ρ与比重Gs计算得到每个样品土体孔隙比n的数值，其中n为无量纲数；
步骤5：由砾石组分特征粒径De、孔隙比n，计算每个样品砾石组分渗透系数kG、黏土组分渗透系数kC，其中kG、kC的单位为cm/s；
kG＝ρw×g×n3×De 2/(Ck×μw×(1-n)2)
kC＝g×n3/(5×S0 2×(1-n)2×104)
其中，kG、kC的单位为cm/s；ρw为液体密度，单位是kg/m3，g为重力加速度，单位是m/s2，μw为液体(水)在20℃时的动力黏滞系数，单位是Pa×s，Ck为分选系数，为无量纲数；S0为比表面积，单位是m2/g。
步骤6：由掺砾量P>5、砾石组分渗透系数kG、黏土组分渗透系数kC计算每个样品掺砾黏土心墙料平行排列渗透系数kCG-p、掺砾黏土心墙料并列排列渗透系数kCG-s，计算公式如下：
kCG-p＝P>5×kG+(100-P>5)/100×kC
kCG-s＝kG×kC/(P>5×kG+(100-P>5)/100×kC)
其中，kCG-p、kCG-s的单位为cm/s，掺砾量P>5即粒径大于5mm的颗粒在掺砾黏土心墙料的含量，P>5的单位为％；
步骤7：由每个样品的掺砾黏土心墙料平行排列渗透系数kCG-p、掺砾黏土心墙料并列排列渗透系数kCG-s计算该样品的掺砾黏土料渗透系数kCG，计算公式如下：
kCG＝α×kCG-s+(1-α)×kCG-p
其中kCG的单位为cm/s，α为掺和系数，为无量纲数。
进一步地，掺和系数α的确定方法为：
在步骤2中测定样品的饱和渗透系数ksat，将该饱和渗透系数数值代入公式kCG＝α×kCG-s+(1-α)×kCG-p中，即公式中掺砾黏土料渗透系数kCG取值为该饱和渗透系数数值，开展回归分析，根据最优拟合度确定掺和系数α的取值。
一种根据掺砾黏土心墙料渗透系数评估堆石坝渗流安全的方法，具体包括：对待评估心墙堆石坝进行现场取样抽检，对其中少量抽检点样品测定饱和渗透系数ksat，并计算得到掺和系数α；再根据掺和系数α及掺砾黏土心墙料渗透系数计算方法，计算得到其他未测定饱和渗透系数的抽检点样品的渗透系数，根据规范规定的渗透系数控制值，判断每个抽检点样品的渗透系数是否均小于规范规定的渗透系数控制值，如果都满足，就采用渗流有限单元法进行计算分析；对不满足的抽检点，开展钻探取样复核工作，再决定是否有必要对该部位进行补强和布置针对性的渗流监测网络。渗流有限单元法的计算分析、评价方法属于现有技术，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明针对堆石坝施工现场的不同坝料填筑区域，采集掺砾黏土心墙料样品，通过开展少量的掺砾黏土心墙料室内测试，得到掺和系数，再计算得到掺砾黏土心墙料渗透系数；同时可根据掺砾黏土心墙料渗透系数数学表达式中的掺和系数，评估该土石坝对应施工工艺下的土料掺和均匀性，从而有针对性地服务于掺砾黏土心墙料掺和质量的定量刻画，本发明只用开展少量试验就能确定掺砾黏土心墙料渗透系数，然后用于堆石坝渗流安全评估。
本发明解决了目前掺砾黏土心墙堆石坝中起关键防渗作用的掺砾黏土心墙料渗透系数研究尚不充分、相关掺和质量评价方法极为有限、每个工程均需单独开展专项研究的问题；本发明操作简单，与以往技术相比可大幅节约坝料质量控制的经济、时间成本，减少大坝施工现场反复取样的人力物力投入。
相比针对单一大坝掺砾黏土心墙料的专项研究，本发明通过对不同工程来源土料开展大量室内外试验，测试总结所得的渗透系数表达式具有普适性，能够为后续大坝安全数值仿真模拟提供可信的掺砾黏土心墙料渗透系数变化规律，对于掺砾黏土心墙堆石坝的掺和质量与安全评价具有显著的适用性优势。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为实施例中某工程掺砾黏土心墙料基本特性；
图3为实施例中某工程掺砾黏土心墙料掺和系数拟合情况；
图4为实施例中计算的渗透系数与其他模型计算结果对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的应用原理做进一步阐述。
实施例1
本实施例中针对中国中西部某流域拦河修筑的掺砾黏土心墙堆石坝，该大坝最大坝高超过250m，心墙填筑用量大，施工质量控制难度大。
如图1所示，本发明一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数的方法，具体步骤如下：
步骤1：在该心墙堆石坝的心墙位置，选择施工控制点位，在每个施工控制点位分别进行取样和原位测试，利用灌水法、筛分法等原位测试手段，测定出每个施工控制点位的掺砾黏土心墙料的天然密度ρ、颗粒级配，由颗粒级配测试结果分别得到各个施工控制点位的掺砾黏土心墙料样品的掺砾量P>5、细粒含量P<0.075的数值；通过对比掺砾量P>5、细粒含量P<0.075这两个指标在《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2020)的施工控制值，对取样所得掺砾黏土心墙料样品进行初步核验，并剔除不满足施工控制质量的异常样品，剩余符合施工控制质量的掺砾黏土心墙料样品的天然密度、掺砾量和细粒含量的具体数值如图2所示；
步骤2：分别对步骤1中取得的样品送至实验室开展变水头渗透试验、比重瓶法等室内土工试验，测定得到所有样品的比重Gs，选择部分样品测定其饱和渗透系数ksat；测试得到的该堆石坝掺砾黏土心墙料基本特性如图2所示。
其中，室内土工试验如变水头渗透试验、比重瓶法，测定掺砾黏土心墙料样品的比重Gs以及饱和渗透系数ksat的方法是现有技术，在此不再赘述具体试验方法。
步骤3：由掺砾量P>5、细粒含量P<0.075的数值划分每个样品的砾石组分与黏土组分，计算每个样品的砾石组分特征粒径De；由掺砾量P>5、细粒含量P<0.075的数值计算砾石组分特征粒径De的方法是现有技术；在本实施例中砾石组分特征粒径De采用D10，即砾石组分中颗粒累计分布为10％的粒径，该砾石组分特征粒径De可通过查询级配分布表直接得到，为岩土工程领域的现有知识。
步骤4：由孔隙比n与天然密度ρ、比重Gs的试验关系式，推算得到每个样品土体孔隙比的数值，计算公式为：
n＝1-ρ/Gs
步骤5：由本实施例中采用的砾石组分特征粒径D10、孔隙比n和砾石组分渗透系数kG、黏土组分渗透系数kC的试验关系式估算得到每个样品砾石组分渗透系数和黏土组分渗透系数，本实施例采用如下公式进行计算：
kG＝ρw×g×n3×D10 2/(Ck×μw×(1-n)2)
其中，ρw为液体密度，单位是kg/m3，g为重力加速度，单位是m/s2，μw为液体(水)在20℃时的动力黏滞系数，单位是Pa×s，Ck为分选系数，为无量纲数；
kC＝g×n3/(5×S0 2×(1-n)2×104)
其中，S0为比表面积，单位是m2/g；
步骤6：由掺砾量P>5、砾石组分渗透系数kG和黏土组分渗透系数kC计算得到每个样品的掺砾黏土心墙料平行排列渗透系数kCG-p、掺砾黏土心墙料并列排列渗透系数kCG-s，计算公式为：
kCG-p＝P>5×kG+(100-P>5)/100×kC
kCG-s＝kG×kC/(P>5×kG+(100-P>5)/100×kC)
其中，掺砾黏土心墙料平行排列渗透系数kCG-p为黏土组分与砾石组分符合理想平行排列分布规律时的饱和渗透系数，单位是cm/s，掺砾黏土心墙料并列排列渗透系数kCG-s为黏土组分与砾石组分符合理想并列排列分布规律时的饱和渗透系数,单位是cm/s。上述kCG-p、kCG-s计算公式用来反映黏土组分与砾石组分在不同理想混合状态下的渗透系数，是一种能够综合考虑黏性土、无黏性土渗透特性差异的计算方法。
步骤7：由掺砾黏土心墙料平行排列渗透系数kCG-p、掺砾黏土心墙料并列排列渗透系数kCG-s计算该样品的掺砾黏土料渗透系数kCG；数学关系式如下：
kCG＝α×kCG-s+(1-α)×kCG-p
由此，即可得到仅包含掺砾量P>5唯一变量的掺砾黏土心墙料渗透系数表达式，以及反映该掺砾黏土心墙堆石坝施工控制点位掺砾黏土心墙料掺和情况的掺和系数α。
结合实测掺砾黏土心墙料样品的饱和渗透系数ksat开展回归分析，根据最优拟合度确定掺和系数α的取值，确定过程及对应掺和系数取值如图3所示，图3中横坐标所述实测渗透系数是指步骤二中测定得到的饱和渗透系数ksat。
实施例2
通过其他模型计算掺砾黏土心墙料渗透系数的结果如图4所示，与之相比，本发明所述方法计算得到的掺砾黏土心墙料渗透系数结果与实测渗透系数更接近。可见，本发明提出的一种计算掺砾黏土心墙料渗透系数方法，由于建立在掺砾黏土心墙料兼具大粒径砾石、细颗粒粉黏土的工程认识基础上，将大粒径砾石、细颗粒粉黏土分别进行考虑，并基于颗粒的排列形式进行了数学推导与大量的测试试验研究，在描述掺砾黏土心墙料的渗透系数上具有更高的准确性。
现有模型一方面不是为了计算掺砾黏土心墙料渗透系数而提出的；另一方面，现有方法仅从黏性土/无黏性土的单一角度着手，例如Kozeny-Carman公式为具有代表性的无黏性土渗透系数计算方法，Mbonminpa公式为具有代表性的黏性土渗透系数计算方法，以上方法均无法反映出掺砾黏土心墙料兼具大粒径砾石、细颗粒粉黏土的工程认识，与掺砾黏土心墙料的自身土体性质不契合，因此在描述掺砾黏土心墙料的渗透系数上误差很大。
实施例3
参照大坝安全评价规范及相关计算手册，即可快速对该掺砾黏土心墙堆石坝的渗流安全进行初步评价。以本实施方式为例，借助本发明得到的掺砾黏土心墙料渗透系数表达式，以及对该大坝掺砾黏土心墙料现场控制点取样得到的掺砾情况，计算出的各控制点掺砾黏土心墙料渗透系数，所有渗透系数均小于《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2020)中的渗透系数控制值10-5cm/s，可见掺砾黏土心墙料的渗流安全满足规范要求，将上述渗透系数计算结果按照《水库大坝安全评价导则》(SL 258-2017)的规定代入渗流有限单元法进行计算分析，本实施例中该掺砾黏土心墙堆石坝的浸润线分布合理，各种岩土材料，特别是掺砾黏土心墙料的渗透坡降均小于允许渗透坡降，大坝渗流性态安全。
可根据评价结果与工程安全等级，针对性选取渗透坡降(渗透坡降即水力坡降，用来表述土在水流作用下是否会被冲走，是用来评价是否发生渗透破坏的一个渗流领域物理指标)较大的高危险性掺砾黏土心墙部位，开展钻探取样复核工作，根据步骤1-步骤7的方法计算出局部的高危险性渗透系数并进行对比，评估该高危险性防渗部位的渗流安全性，再决定是否有必要对该部位进行补强和布置针对性的渗流监测测点网络。

Claims (5)

1.一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在待评估心墙堆石坝填筑掺砾黏土心墙料的区域，选择施工控制点位，在每个施工控制点位分别进行取样和原位测试，原位测试测定出每个施工控制点位的掺砾黏土心墙料的天然密度ρ、掺砾量P >5、细粒含量P <0.075的数值；
步骤2：分别对步骤1中取得的样品进行测定，得到所有样品的比重G s ，选择部分样品测定其饱和渗透系数k sat；
步骤3：由掺砾量P >5、细粒含量P <0.075的数值划分每个样品的砾石组分与黏土组分，计算每个样品的砾石组分特征粒径D e；
步骤4：由天然密度ρ与比重G s计算得到每个样品土体孔隙比n的数值；
步骤5：由砾石组分特征粒径D e、孔隙比n，计算每个样品砾石组分渗透系数k G、黏土组分渗透系数k C：
步骤6：由掺砾量P >5、砾石组分渗透系数k G、黏土组分渗透系数k C计算每个样品掺砾黏土心墙料平行排列渗透系数k CG-p、掺砾黏土心墙料并列排列渗透系数k CG-s，计算公式如下：
k CG-p = P >5×k G+(100-P >5)/100×k C
k CG-s = k G×k C/(P >5×k G+(100-P >5)/100×k C)
其中，k CG-p、k CG-s的单位为cm/s，掺砾量P >5为粒径大于5mm的颗粒在掺砾黏土心墙料的含量，P >5的单位为%；
步骤7：由每个样品的掺砾黏土心墙料平行排列渗透系数k CG-p、掺砾黏土心墙料并列排列渗透系数k CG-s计算该样品的掺砾黏土料渗透系数k CG，计算公式如下：
k CG = α×k CG-s+(1-α) ×k CG-p
其中，k CG的单位为cm/s，α为掺和系数，α为无量纲数。
2.根据权利要求1所述的一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数的方法，其特征在于，掺和系数α的确定方法为：
在步骤2中测定样品的饱和渗透系数k sat，将该饱和渗透系数数值代入公式k CG = α×k CG-s+(1-α) ×k CG-p中，从而将公式中掺砾黏土料渗透系数k CG取值为该样品的饱和渗透系数数值，开展回归分析，根据最优拟合度确定掺和系数α的取值。
3.根据权利要求2所述的一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数的方法，其特征在于，步骤4中由天然密度ρ与比重G s计算土体孔隙比n的公式为：
n = 1-ρ/G s
其中，ρ的单位为g/cm3，G s为无量纲数，n为无量纲数。
4.根据权利要求3所述的一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数的方法，其特征在于，步骤5中砾石组分渗透系数k G、黏土组分渗透系数k C计算公式分别为：
k G = ρ w ×g×n 3×D e 2/(C k ×μ w ×(1-n)2)
其中，k G、k C的单位为cm/s；ρ w 为液体密度，单位是kg/m3，g为重力加速度，单位是m/s2，μ w 为液体在20°C时的动力黏滞系数，单位是Pa×s，C k 为分选系数，为无量纲数；
k C = g×n 3/(5×S 0 2×(1-n)2×104)
其中，S 0为比表面积，单位是m2/g。
5.一种评估心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗流安全的方法，其特征在于，具体包括：对待评估心墙堆石坝进行现场取样抽检，对其中少量抽检点样品测定饱和渗透系数k sat，并计算得到掺和系数α；再根据掺和系数α及权利要求1-4任一项所述的一种计算心墙堆石坝掺砾黏土心墙料渗透系数的方法，计算得到其他未测定饱和渗透系数的抽检点样品的渗透系数，根据规范规定的渗透系数控制值，判断每个抽检点样品的渗透系数是否均小于规范规定的渗透系数控制值，如果都满足，就采用渗流有限单元法进行计算分析；对不满足的抽检点，开展钻探取样复核工作，再决定是否进行补强和布置针对性的渗流监测网络。
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水泥土搅拌桩防渗墙对土坝防渗效果的模拟研究;郝洁 等;河北工程大学学报( 自然科学版);全文 *

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