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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 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 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(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(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
    太沙基IWHR威特
    ${D_{{\rm{15}}}}{\rm{/4}}{d_{85}}$${D_{{\rm{20}}}}{\rm{/7}}{d_{{\rm{70}}}}$${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
    Indraratna & Raut准则
    ${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和莱夫勒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
    NRCS/规范(本工程)Lafleur
    ${D_{{\rm{15}}}}{\rm{/9}}{d_{85}}$${D_{{\rm{15}}}}{\rm{/0}}{\rm{.4}}$
    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、莱夫勒和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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  • 收稿日期:  2019-12-27

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