留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

反滤层粒度组成及厚度对大坝渗流特性的影响

蔡世兴 朱海波 马栋和 王常明 韩松伶

蔡世兴,朱海波,马栋和,等. 反滤层粒度组成及厚度对大坝渗流特性的影响[J]. 水利水运工程学报,2021(2):87-93 doi:  10.12170/2020082501
引用本文: 蔡世兴,朱海波,马栋和,等. 反滤层粒度组成及厚度对大坝渗流特性的影响[J]. 水利水运工程学报,2021(2):87-93 doi:  10.12170/2020082501
(CAI Shixing, ZHU Haibo, MA Donghe, et al. Influence of grain composition and thickness of filter layer on seepage characteristics of dam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(2): 87-93. (in Chinese)) doi:  10.12170/2020082501
Citation: (CAI Shixing, ZHU Haibo, MA Donghe, et al. Influence of grain composition and thickness of filter layer on seepage characteristics of dam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(2): 87-93. (in Chinese)) doi:  10.12170/2020082501

反滤层粒度组成及厚度对大坝渗流特性的影响

doi: 10.12170/2020082501
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41972267,41572257)
详细信息
    作者简介:

    蔡世兴(1996—),男,陕西商洛人,硕士研究生,主要从事坝体渗流方面研究。E-mail:caisx18@mails.jlu.edu.cn

    通讯作者:

    王常明(E-mail:wangcm@jlu.edu.cn)

  • 中图分类号: TV44

Influence of grain composition and thickness of filter layer on seepage characteristics of dam

  • 摘要: 反滤层的粒度组成和反滤层厚度及其结构对大坝渗流特性具有显著的影响。针对某黏土心墙砂砾石坝,设计了黏土心墙两侧反滤层材料的颗粒级配范围线(上、下包线),配制了材料颗粒级配,并对其进行了4组渗透变形试验,获得了试验材料的临界坡降、渗透系数和渗透破坏形式。根据渗透试验结果和双层反滤结构,采用有限元数值方法对两层反滤料厚度的11种组合(厚度变化范围为0.5~2.5 m)的大坝渗流特性进行了模拟分析。结果表明:(1)反滤层的第一层粒度较细,包线内土料粒度由细变粗时,对渗透系数的影响较小,对临界坡降和破坏坡降的影响较大,且破坏类型由流土变为管涌形式;第二层反滤砂砾石颗粒较粗,且粒径5 mm以下细颗粒含量很少,渗透特性取决于粗粒材料的含量,为过渡型破坏类型。(2)当双层反滤层总厚度不变(厚度3 m)时,改变反滤层的厚度组合和粒度组合,对大坝单宽渗流量和心墙出逸点高程的影响较小。第一层反滤料厚度从0.5 m增加到2.5 m,心墙和反滤料的出逸比降均呈非线性增长,第一层反滤料出逸比降增幅为92.7%,第二层反滤料的出逸比降增幅为70.0%。第一层反滤料粒度变化比第二层反滤料粒度变化对心墙和反滤料出逸比降的影响小。(3)反滤层厚度保持3 m时,建议第一层反滤料厚度取1.0~1.5 m,相应地第二层反滤料厚度取2.0~1.5 m;粒度组成选取两层反滤料都靠近下包线位置,即粒度较粗为最优。
  • 图  1  主坝典型剖面(单位: m)

    Ⅰ:坝体砂砾石;Ⅱ:黏土心墙;Ⅲ:坝基岩石;Ⅳ:坝基粉土质砾;Ⅴ:坝基级配不良砾;Ⅵ:混凝土防渗墙;Ⅶ:第二层反滤料;Ⅷ:第一层反滤料;Ⅸ:防浪墙。

    Figure  1.  Typical section of main dam (unit: m)

    图  2  反滤料设计包线

    Figure  2.  Design envelope of filters

    图  3  反滤料渗透试验结果

    Figure  3.  Permeability test results of filters

    图  4  管涌通道口细颗粒堆积

    Figure  4.  Fine particles accumulation at the piping outlet

    图  5  大坝渗流场(单位:m)

    Figure  5.  Seepage filed of the dam (unit: m)

    图  6  心墙出逸比降

    Figure  6.  Exit gradient of core

    图  7  第一层反滤料出逸比降

    Figure  7.  Exit gradient of the filters

    图  8  出逸比降与粒度变化的关系

    Figure  8.  Relationship between exit gradient and particle size

    表  1  黏土心墙砂砾石坝渗流数值模拟方案

    Table  1.   Seepage simulation conditions of clay-core dam

    方案编号1234567891011
    第一层反滤料厚/m 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5
    第二层反滤料厚/m 2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 1.3 1.1 0.9 0.7 0.5
    下载: 导出CSV

    表  2  反滤料渗透试验结果

    Table  2.   Permeability test results of filters

    试样名称试验干密度/(g·cm−3临界坡降允许坡降k20/(cm·s−1)破坏坡降破坏型式
    第1组试验1.811.150.462.27×10−313.66流土
    第2组试验1.810.850.346.93×10−32.10管涌
    第3组试验2.000.300.127.74×10−1/过渡型
    第4组试验2.000.250.101.78/过渡型
    下载: 导出CSV

    表  3  大坝渗流计算结果

    Table  3.   Calculation results of dam seepage

    计算工况单宽渗流量/(10−5 m2·s−1心墙出逸点高程/m心墙出逸比降第一层反滤料出逸比降/10−4第二层反滤料出逸比降/10−4
    正常蓄水位2.221 5340.0741.1601.8091.721
    设计洪水位2.263 6340.0751.1821.8431.754
    校核洪水位2.371 2340.3871.2381.9311.837
    下载: 导出CSV
  • [1] 刘杰. 土的渗透稳定与渗流控制[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1992.

    LIU Jie. Permeating stability of soil and permeating control[M]. Beijing: Chinese Water Conservancy and Electric Power Press, 1992. (in Chinese)
    [2] 郭庆国, 金亚玲. 砂石滤层准则的研究与进展[J]. 水利水电科技进展,2002,22(1):51-55. (GUO Qingguo, JIN Yaling. Advances in research of sand filter criterion[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2002, 22(1): 51-55. (in Chinese) doi:  10.3880/j.issn.1006-7647.2002.01.018
    [3] SHERARD J L. Trends and debatable aspects in embankment dam engineering[J]. Water Power and Dam Construction, 1984, 36(12): 26-32.
    [4] ZEDAN A J, FARIS M R, ABDULSATTAR A A. Seepage analysis through an earth dam (KHASA-CHAI Dam) as a case study[J]. Engineering and Technology Journal, 2017, 35(2): 172-181.
    [5] 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)
    [6] 郭庆国. 粗粒土的渗透特性及渗流规律[J]. 西北水电技术,1985(1):42-47. (GUO Qingguo. Seepage characteristics and seepage law of coarse-grained soil[J]. Northwest Hydropower, 1985(1): 42-47. (in Chinese)
    [7] 陈群, 谷宏海, 何昌荣. 砾石土防渗料-反滤料联合抗渗试验[J]. 四川大学学报(工程科学版),2012,44(1):13-18. (CHEN Qun, GU Honghai, HE Changrong. Combination seepage failure test of gravelly soil and the filter[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2012, 44(1): 13-18. (in Chinese)
    [8] 唐新军, 凤家骥, 凤炜. “635”水利枢纽粘土心墙坝反滤料特性分析与试验研究[J]. 武汉大学学报(工学版),2002,35(2):5-9, 39. (TANG Xinjun, FENG Jiaji, FENG Wei. Analysis of ECRD’s filter characteristic and study on experiment of “635” multipurpose dam project[J]. Engineering Journal of Wuhan University (Engineering Edition), 2002, 35(2): 5-9, 39. (in Chinese)
    [9] 刘杰, 谢定松. 反滤层设计原理与准则[J]. 岩土工程学报,2017,39(4):609-616. (LIU Jie, XIE Dingsong. Design principles and guidelines of filters[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(4): 609-616. (in Chinese) doi:  10.11779/CJGE201704004
    [10] RICHARDS K S, REDDY K R. Critical appraisal of piping phenomena in earth dams[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2007, 66(4): 381-402. doi:  10.1007/s10064-007-0095-0
    [11] RÖNNQVIST H, FANNIN J, VIKLANDER P, et al. Discussion: on the use of empirical methods for assessment of filters in embankment dams[J]. Géotechnique Letters, 2015, 5(3): 140-141. doi:  10.1680/jgele.14.00114
    [12] CALAMAK M, YANMAZ A M. Assessment of core-filter configuration performance of rock-fill dams under uncertainties[J]. International Journal of Geomechanics, 2018, 18(4): 06018006. doi:  10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001114
    [13] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 碾压式土石坝设计规范: DL/T 5395—2007[S]. 北京: 中国电力出版社, 2008.

    National Development and Reform Commission. Design specification for rolled earth-rock fill dams: DL/T 5395—2007[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2008. (in Chinese)
    [14] 中华人民共和国水利部. 土工试验规程: SL 237—1999[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 1999.

    Ministry of Water Resources of the PRC. Specification of soil test: SL 237—1999[S]. Beijing: China Water & Power Press, 1999. (in Chinese)
    [15] 沙成刚. 基于Geo-Studio的土石坝渗流与稳定分析研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2014.

    SHA Chenggang. The earth-rock dam seepage and stability analysis based on the Geo-Studio[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2014. (in Chinese)
    [16] 王常明, 鲁鋆, 马栋和. 土石围堰中混凝土防渗墙设计方案的数值优化[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2020,50(3):857-865. (WANG Changming, LU Yun, MA Donghe. Numerical optimization of design schemes for concrete cutoff wall in earth-rock cofferdam[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2020, 50(3): 857-865. (in Chinese)
    [17] 丁树云, 蔡正银. 土石坝渗流研究综述[J]. 人民长江,2008,39(2):33-36. (DING Shuyun, CAI Zhengyin. Summary of seepage research for embankment dam[J]. Yangtze River, 2008, 39(2): 33-36. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1001-4179.2008.02.013
  • [1] 李勇, 李炎隆, 温立峰, 李维妹.  沥青混凝土心墙堆石坝心墙拱效应研究 . 水利水运工程学报, 2023, (): 1-10. doi: 10.12170/20221222002
    [2] 李桢, 柳树摇, 李红.  反坡正弦波形底板上F型水跃水力特性的试验研究 . 水利水运工程学报, 2021, (3): 111-118. doi: 10.12170/20201014002
    [3] 杨佩瑶, 王红雨, 张刚, 何金沙.  不同反滤准则及其在宁南山区水库设计中的应用 . 水利水运工程学报, 2021, (1): 86-94. doi: 10.12170/20191227001
    [4] 全锡志, 陈鸿杰, 黄文雄.  河谷宽高比对高心墙坝黏土垫层剪切强度的影响 . 水利水运工程学报, 2018, (3): 103-112. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.03.014
    [5] 杨超, 党发宁, 薛海斌, 任劼.  河谷形状对沥青混凝土心墙坝变形特性的影响 . 水利水运工程学报, 2016, (4): 54-62.
    [6] 涂扬举;王文涛;薛新华.  瀑布沟高心墙土石坝渗流分析 . 水利水运工程学报, 2013, (5): 77-82.
    [7] 李国英,沈婷,赵魁芝.  高心墙堆石坝地震动力特性及抗震极限分析 . 水利水运工程学报, 2010, (1): -.
    [8] 王国利,霍家平,陈生水.  云龙水库初蓄期大坝渗流观测资料分析 . 水利水运工程学报, 2009, (3): -.
    [9] 刘红岩,戎涛.  采用止水挡墙的基坑渗流场模拟 . 水利水运工程学报, 2008, (2): -.
    [10] 施维成,朱俊高.  双屈服面模型参数对心墙堆石坝计算沉降的影响 . 水利水运工程学报, 2007, (3): 12-16.
    [11] 钱亚俊,陈生水.  心墙坝应力变形数值模拟结果验证 . 水利水运工程学报, 2005, (4): 11-18.
    [12] 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.
    [13] 蔡飞,郦能惠.  土石坝心墙孔隙水压力的统计分析方法 . 水利水运工程学报, 1996, (2): -.
    [14] 陈生水,郦能惠.  瀑布沟心墙堆石坝地震裂缝分析 . 水利水运工程学报, 1995, (4): -.
    [15] 陶同康,李定方,鄢俊.  复合土工薄膜心墙坝渗流场与应力场的耦合计算 . 水利水运工程学报, 1995, (4): -.
    [16] 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): -.
    [17] 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): -.
    [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] 温丽林,潘金梁.  悬挂式防渗墙对心墙土坝渗流量影响的初步研究 . 水利水运工程学报, 1984, (4): -.
    [20] 孔祥柏,吴家麟.  水槽试验中水面横比降的测量 . 水利水运工程学报, 1982, (2): -.
  • 加载中
图(8) / 表 (3)
计量
  • 文章访问数:  533
  • HTML全文浏览量:  189
  • PDF下载量:  19
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-25
  • 网络出版日期:  2020-12-25
  • 刊出日期:  2021-04-27

/

返回文章
返回