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不同反滤准则及其在宁南山区水库设计中的应用

杨佩瑶 王红雨 张刚 何金沙

杨佩瑶,王红雨,张刚,等. 不同反滤准则及其在宁南山区水库设计中的应用[J]. 水利水运工程学报,2021(1):86-94 doi:  10.12170/20191227001
引用本文: 杨佩瑶,王红雨,张刚,等. 不同反滤准则及其在宁南山区水库设计中的应用[J]. 水利水运工程学报,2021(1):86-94 doi:  10.12170/20191227001
(YANG Peiyao, WANG Hongyu, ZHANG Gang, et al. Different filter design criteria and their applications to reservoir design in mountainous areas of southern Ningxia[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(1): 86-94. (in Chinese)) doi:  10.12170/20191227001
Citation: (YANG Peiyao, WANG Hongyu, ZHANG Gang, et al. Different filter design criteria and their applications to reservoir design in mountainous areas of southern Ningxia[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(1): 86-94. (in Chinese)) doi:  10.12170/20191227001

不同反滤准则及其在宁南山区水库设计中的应用

doi: 10.12170/20191227001
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41962016);宁夏回族自治区重点研发资助项目(2018BFH03010)
详细信息
    作者简介:

    杨佩瑶(1995—),女,河南洛阳人,硕士研究生,主要从事坝体渗透侵蚀性能方面的研究。E-mail:906366284@qq.com

    通讯作者:

    王红雨(E-mail:why.nxts@nxu.edu.cn

  • 中图分类号: TV640.33

Different filter design criteria and their applications to reservoir design in mountainous areas of southern Ningxia

  • 摘要: 渗流作用是引起土石坝破坏的主要原因之一,合理设置反滤层能有效控制土体发生渗透破坏。为评价不同反滤准则在以黄土为筑坝材料的土坝中的效果,探讨黄土丘陵山区水利工程反滤系统适宜的设计准则,结合宁夏南部山区乔家沟水库土坝反滤系统设计案例,在反滤料级配曲线的上、下包线范围内平行选取4条不同的级配曲线,通过理论计算得出不同反滤准则所需的反滤料和被保护土料的特征粒径,对比分析了国内外7种反滤准则在该工程中的适用性。结果表明:当被保护土料为粉质黏性黄土时,我国现行碾压式土石坝设计规范(SL 274—2001)反滤准则在该工程反滤料级配曲线的上下包线内适用范围大、效果好,能同时满足滤土与排水条件。
  • 图  1  乔家沟水库反滤系统设计

    Figure  1.  Design of filter system of Qiaojiagou reservoir

    图  2  乔家沟水库反滤料颗粒级配曲线和孔隙通道尺寸分布曲线

    Figure  2.  Filter particle size distribution and constriction size distribution of Qiaojiagou reservoir

    图  3  基于乔家沟水库反滤料上包线的CSD修改后的填筑土样(6号)的PSD

    Figure  3.  Modified PSD of filling soil sample (No. 6) based on CSD of filter material upper envelope of Qiaojiagou reservoir

    表  1  美国水土保持局反滤准则

    Table  1.   Filter criteria of NRCS

    分类被保护土料反滤料
    名称d<0.075 mm颗粒质量分数/%
    1细砂、黏土>85${D_{{\rm{15}}}} \leqslant {\rm{9}}{d_{85}}$
    2砂、粉砂、粉
    质黏土、粉质砂
    40~85${D_{ {\rm{15} } } } \leqslant {\rm{0} }{\rm{.7\; mm} }$
    3砂、粉质砂、
    砂砾石
    15~39${D_{ {\rm{15} } } } \leqslant \left( {\dfrac{ { {\rm{40 - } }A} }{ { {\rm{40 - 15} } } }} \right)\left( {4{d_{85} } - 0.7} \right) + {\rm{0} }{\rm{.7} }$④⑤
    4砂和砂砾石<15${D_{{\rm{15}}}} \leqslant {\rm{4}}{d_{85}}$
      注:反滤层应满足排水条件:D15≥4d15;①~⑥相关含义及用法具体参见文献[14]。
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    表  2  碾压式土石坝设计规范(SL 274—2001)反滤准则(黏性土)

    Table  2.   Design code for rolled earth-rock fill dams (cohesion soil)

    被保护土为黏性土
    d<0.075 mm颗
    粒质量分数/%
    第一层反滤级配
    滤土准则排水准则
    >85${D_{{\rm{15}}}} \leqslant {\rm{9}}{d_{85}}$${D_{{\rm{15}}}} \geqslant {\rm{4}}{d_{15}}$
    40~85${D_{ {\rm{15} } } } \leqslant {\rm{0} }{\rm{.7\;mm} }$
    <15${D_{ {\rm{15} } } } \leqslant \left( {\dfrac{ { {\rm{40 - } }A} }{ { {\rm{40 - 15} } } }} \right)\left( {4{d_{85} } - 0.7} \right) + 0.7$③④
      注:①~⑤相关含义及用法与表1稍有区别,具体参见文献[17]。
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    表  3  太沙基、IWHR、威特反滤准则应用到乔家沟水库反滤设计的结果

    Table  3.   Results of Terzaghi, IWHR and Witt filter criteria applied to the filter design of Qiaojiagou reservoir

    填筑土
    样编号
    D15/(4d85)(太沙基)D20/(7d70)(IWHR)威特
    ${D_{ {\rm{10} } } }{\rm{/(2} }{\rm{.5} }{d_{95} )}$${D_{\rm{5} } }{\rm{/(2} }{\rm{.5} }{d_{95} )}$
    1 3.00 0.64 1.79 1.47 2.57 0.57 1.57 1.24 2.60 0.56 1.58 1.24
    2 3.00 0.64 1.79 1.47 2.49 0.55 1.52 1.20 2.84 0.61 1.72 1.35
    3 3.34 0.71 2.00 1.64 3.09 0.69 1.89 1.49 2.84 0.61 1.72 1.35
    4 3.00 0.64 1.79 1.47 2.49 0.55 1.52 1.20 2.56 0.55 1.55 1.22
    5 3.08 0.66 1.84 1.51 2.49 0.55 1.52 1.20 2.84 0.61 1.72 1.35
    6 2.85 0.61 1.71 1.40 2.14 0.48 1.31 1.03 2.84 0.61 1.72 1.35
    7 3.08 0.66 1.84 1.51 2.66 0.59 1.63 1.28 2.84 0.61 1.72 1.35
    8 3.08 0.66 1.84 1.51 2.66 0.59 1.63 1.28 2.54 0.54 1.54 1.22
    9 3.25 0.69 1.94 1.60 2.97 0.66 1.81 1.43 2.84 0.61 1.72 1.35
    10 3.08 0.66 1.84 1.51 2.49 0.55 1.52 1.20 2.60 0.56 1.58 1.24
      注:表中下、上、平、三分别为下包线、上包线、平均线和三等分线的简写。
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    表  4  Indraratna & Raut反滤准则应用到乔家沟水库反滤设计的结果

    Table  4.   Results of Indraratna & Raut filter criteria applied to the filter design of Qiaojiagou reservoir

    填筑土
    样编号
    ${D_{{\rm{c35}}}}{\rm{/}}{d_{85{\rm{SA}}}}$${D_{{\rm{c}}35}}/d_{85}^*$
    下包线上包线平均线三等分线下包线上包线平均线三等分线
    1 2.39 0.52 1.39 1.12 1.93 0.55 1.18 0.97
    2 2.32 0.50 1.35 1.09 2.03 0.52 1.21 1.00
    3 2.93 0.63 1.70 1.37 2.19 0.59 1.31 1.09
    4 2.32 0.50 1.35 1.09 1.98 0.53 1.18 0.97
    5 2.32 0.50 1.35 1.09 2.08 0.52 1.24 1.03
    6 2.14 0.46 1.24 1.00 1.88 0.46 1.12 0.93
    7 2.55 0.55 1.48 1.19 2.08 0.53 1.24 1.03
    8 2.47 0.53 1.44 1.16 2.08 0.53 1.24 1.03
    9 2.72 0.59 1.59 1.28 2.19 0.59 1.31 1.09
    10 2.32 0.50 1.35 1.09 1.98 0.53 1.18 0.97
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    表  5  规范、NRCS和Lafleur反滤准则应用到乔家沟水库反滤设计的结果

    Table  5.   Results of design code for rolled earth-rock fill dams, NRCS and Lafleur filter criteria applied to the filter design of Qiaojiagou reservoir

    填筑土
    样编号
    D15/(9d85)(NRCS/规范(本工程))D15/0.4(Lafleur)
    下包线上包线平均线三等分线下包线上包线平均线三等分线
    1 1.33 0.29 0.80 0.66 1.17 0.25 0.70 0.58
    2 1.33 0.29 0.80 0.66 1.17 0.25 0.70 0.58
    3 1.49 0.32 0.89 0.73 1.17 0.25 0.70 0.58
    4 1.33 0.29 0.80 0.66 1.17 0.25 0.70 0.58
    5 1.37 0.29 0.82 0.67 1.17 0.25 0.70 0.58
    6 1.27 0.27 0.76 0.62 1.17 0.25 0.70 0.58
    7 1.37 0.29 0.82 0.67 1.17 0.25 0.70 0.58
    8 1.37 0.29 0.82 0.67 1.17 0.25 0.70 0.58
    9 1.44 0.31 0.86 0.71 1.17 0.25 0.70 0.58
    10 1.37 0.29 0.82 0.67 1.17 0.25 0.70 0.58
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    表  6  太沙基、NRCS、规范、Lafleur和IWHR反滤准则排水条件应用于乔家沟水库的结果

    Table  6.   Results of drainage conditions of Terzaghi, NRCS, Design code for rolled earth-rock fill dams, Lafleur and IWHR filter criteria applied to Qiaojiagou reservoir

    填筑土
    样编号
    ${D_{ {\rm{15} } } }{\rm{/(4} }{d_{ {\rm{1} }5} )}$(太沙基、NRCS、规范、Lafleur) ${D_{ {\rm{20} } } }{\rm{/(4} }{d_{ {\rm{20} } } )}$(IWHR)
    下包线上包线平均线三等分线 下包线上包线平均线三等分线
    1 18.00 3.85 10.77 8.85 16.46 3.66 10.06 7.93
    2 19.18 4.10 11.48 9.43 17.31 3.85 10.58 8.33
    3 22.50 4.81 13.46 11.06 25.47 5.66 15.57 12.27
    4 19.50 4.17 11.67 9.58 15.52 3.45 9.48 7.47
    5 15.60 3.33 9.33 7.67 12.27 2.73 7.50 5.91
    6 15.60 3.33 9.33 7.67 13.50 3.00 8.25 6.50
    7 19.83 4.24 11.87 9.75 22.50 5.00 13.75 10.83
    8 24.38 5.21 14.58 11.98 22.88 5.09 13.98 11.02
    9 23.88 5.10 14.29 11.74 21.43 4.76 13.10 10.32
    10 18.00 3.85 10.77 8.85 15.70 3.49 9.59 7.56
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  • [1] ROCHIM A, MAROT D, SIBILLE L, et al. Effects of hydraulic loading history on suffusion susceptibility of cohesionless soils[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2017, 143(7): 04017025. doi:  10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001673
    [2] CHANG D S, ZHANG L M. Extended internal stability criteria for soils under seepage[J]. Soils and Foundations, 2013, 53(4): 569-583. doi:  10.1016/j.sandf.2013.06.008
    [3] ZHANG L M, XU Y, JIA J S. Analysis of earth dam failures: a database approach[J]. Georisk: Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards, 2009, 3(3): 184-189. doi:  10.1080/17499510902831759
    [4] FOSTER M, FELL R, SPANNAGLE M. The statistics of embankment dam failures and accidents[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2000, 37(5): 1000-1024. doi:  10.1139/t00-030
    [5] 肖芳玲, 张爱军. 均匀反滤层下黄土的抗渗与颗粒流失特性研究[J]. 人民黄河,2018,40(11):144-149. (XIAO Fangling, ZHANG Aijun. Study on anti-permeability and particle loss characteristics of loess under the protection of uniform filtration layer[J]. Yellow River, 2018, 40(11): 144-149. (in Chinese)
    [6] 陶同康, 鄢俊. 堤防管涌的破坏机理和新型滤层结构设计[J]. 水利水运工程学报,2003(4):7-13. (TAO Tongkang, YAN Jun. Failure mechanism of piping in a dike and design of a new filter structure[J]. Hydro-Science and Engineering, 2003(4): 7-13. (in Chinese)
    [7] 戴永琪, 李宏恩, 刘晓青. 里运河堤防险工险段典型失效模式分析[J]. 水利水运工程学报,2019(2):104-110. (DAI Yongqi, LI Hongen, LIU Xiaoqing. Analysis of failure modes for typical dangerous sections of Li Canal levee[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019(2): 104-110. (in Chinese)
    [8] 沙金煊. 预测堤防背侧管涌的一种方法[J]. 水利水运工程学报,2003(4):57-59. (SHA Jinxuan. A prediction method for piping in the back slope of levee[J]. Hydro-Science and Engineering, 2003(4): 57-59. (in Chinese)
    [9] 刘杰. 土的渗透稳定与渗流控制[M]. 北京: 水利电力出版社, 1992: 1-204.

    LIU Jie. Seepage stability and seepage control of soil[M]. Beijing: Water Resources and Electric Power Press, 1992: 1-204. (in Chinese)
    [10] FANNIN J. Karl Terzaghi: from theory to practice in geotechnical filter design[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2008, 134(3): 267-276. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2008)134:3(267)
    [11] USACE. Filter experiments and design criteria[R]. Technical Memorandum, Vicksburg: Waterways Experiment Station, 1953: 1-53.
    [12] ICOLD. Embankment dams granular filters and drains: review and recommendations[R]. Bulletin 95, París: International Commission on Large Dams, 1994: 50-52.
    [13] LAFLEUR J, MLYNAREK J, ROLLIN A L. Filtration of broadly graded cohesionless soils[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1989, 115(12): 1747-1768. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9410(1989)115:12(1747)
    [14] Natural Resources Conservation Services (NRCS). Gradation design of sand and gravel filters[M]. Washington: United States Department of Agriculture, 1994.
    [15] INDRARATNA B, RAUT A K, KHABBAZ H. Constriction-based retention criterion for granular filter design[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(3): 266-276. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:3(266)
    [16] RAUT A K, INDRARATNA B. Further advancement in filtration criteria through constriction-based techniques[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2008, 134(6): 883-887. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2008)134:6(883)
    [17] 中华人民共和国水利部. 碾压式土石坝设计规范: SL 274—2001[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2002.

    Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. Design code for rolled earth-rock fill dams: SL 274—2001[S]. Beijing: China Water & Power Press, 2002. (in Chinese)
    [18] 孙君实, 相彪. 反滤料级配设计的思考[J]. 岩土工程学报,2011,33(8):1153-1158. (SUN Junshi, XIANG Biao. Thoughts on gradation design of filter materials[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(8): 1153-1158. (in Chinese)
    [19] LOCKE M, INDRARATNA B, ADIKARI G. Time-dependent particle transport through granular filters[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(6): 521-529. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2001)127:6(521)
    [20] INDRARATNA B, RAUT A K. Enhanced criterion for base soil retention in embankment dam filters[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006, 132(12): 1621-1627. doi:  10.1061/(ASCE)1090-0241(2006)132:12(1621)
  • [1] 王锋, 刘德仁, 程富强, 霍源, 白之璋, 徐硕昌.  深厚黄土场地浸水试验及湿陷性评价 . 水利水运工程学报, 2023, (): 1-8. doi: 10.12170/20220411003
    [2] 蔡世兴, 朱海波, 马栋和, 王常明, 韩松伶.  反滤层粒度组成及厚度对大坝渗流特性的影响 . 水利水运工程学报, 2021, (2): 87-93. doi: 10.12170/2020082501
    [3] 李建东, 王旭, 张延杰, 李凡, 李盛, 罗浩洋.  黄土地基地下连续墙基础竖向抗压特性试验研究 . 水利水运工程学报, 2018, (5): 89-94. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.05.013
    [4] 赵明阶,谢鑫,汪魁.  基于边坡锚固荷载监测数据的反分析 . 水利水运工程学报, 2011, (1): -.
    [5] 刘宏泰,张爱军,段涛,连江波,董晓宏.  干湿循环对重塑黄土强度和渗透性的影响 . 水利水运工程学报, 2010, (4): -.
    [6] 黄耀英,吴中如,王德信,苏静波.  区间参数优化反分析在水利工程中的应用 . 水利水运工程学报, 2007, (3): 1-5.
    [7] 文畅平.  黄土边坡稳定性的属性识别模型 . 水利水运工程学报, 2007, (2): 10-16.
    [8] 黄耀英,郭兴文,吴中如.  基于遗传模拟退火算法的岩土弹-粘塑性参数反分析 . 水利水运工程学报, 2006, (4): 10-14.
    [9] 陶同康,鄢俊.  堤防管涌的破坏机理和新型滤层结构设计 . 水利水运工程学报, 2003, (4): 7-13.
    [10] 吉林,赵启林,冯兆祥,卓家寿.  岩土工程中反分析的研究进展 . 水利水运工程学报, 2002, (4): 57-63.
    [11] 李云,张瑞凯.  高水头船闸反弧门后水流流态和收缩系数研究 . 水利水运工程学报, 1996, (2): -.
    [12] 韩昌海,王正臬.  明流泄洪洞反弧段体型的研究 . 水利水运工程学报, 1996, (2): -.
    [13] 胡亚安,郑楚珮,凌国增.  高水头船闸反弧形阀门门顶缝隙流特性及其应用 . 水利水运工程学报, 1995, (4): -.
    [14] 胡亚安,张瑞凯,郑楚珮.  反弧形输水阀门底缘空化减免措施研究 . 水利水运工程学报, 1994, (Z1): -.
    [15] 葛祖立.  广级配砂砾滤层保砂性的设计方法 . 水利水运工程学报, 1990, (4): -.
    [16] 郑楚珮.  反弧形输水阀门水力学试验研究 . 水利水运工程学报, 1989, (2): -.
    [17] 凌国增,郑楚珮.  葛洲坝1号船闸反弧形输水阀门空穴流试验研究 . 水利水运工程学报, 1988, (2): -.
    [18] 王正臬.  高坝泄洪道的幂函数反弧曲线 . 水利水运工程学报, 1987, (3): -.
    [19] 郑楚珮.  船闸输水反弧形阀门启门力试验中的若干水弹性问题探讨 . 水利水运工程学报, 1985, (4): -.
    [20] 郑楚珮,张桂秀.  三三○工程2船闸反弧形阀门减压模型试验 . 水利水运工程学报, 1980, (3): -.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-27
  • 网络出版日期:  2020-12-01
  • 刊出日期:  2021-02-15

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