水利工程論文-抽水蓄能電站堆石料滲透特性試驗研究摘要：通過試驗對某抽水蓄能電站堆石料中墊層料，過渡層料，反濾料滲透特性進行研究，得出其滲透系數和臨界水頭。并對堆石料滲流速度與水力坡降關系曲線中波動過程進行分析，確定不同堆石料出現波動過程的水頭及原因。對反濾料試驗用料回收并進行二次試驗，并將其滲透特性與反濾料進行對比分析。關鍵詞：堆石料滲透滲透變形0前言：堆石料是由巖石粉碎組成各種級配巖石碎塊類集合體。研究堆石料的滲透系數，臨界水頭，滲透特性能夠為大壩設計提供必要的依據。由于堆石料具有大小顆粒懸殊，組成分散，不均勻性大，性質復雜等特點目前將粒徑5mm顆粒稱為粗料，粒徑5mm為細料。堆石料中粗料形成骨架，細料填充孔隙，填充愈密實，土體的孔隙愈小。孔隙的大小，直接關系到土體的滲透特性和滲透穩(wěn)定性。本次試驗主要對級配不同的堆石料進行滲透和滲透變形試驗，得出水力坡降與滲流速度關系曲線，并分析細料含量對滲透特性的影響。1滲透試驗1.1試驗儀器與試驗過程試驗儀器是河海大學巖土所設計并委托加工的大型滲透儀。該儀器試樣筒內徑為303mm，高度為460mm，能夠滿足最大粒徑為60mm的堆石料的試驗要求。試樣桶上下端分別與有自由出水口的水桶相連，水桶高度可以調節(jié)，從而可以給試樣上下游提供0360mm的水頭差。在樣桶中從下向上依次為透水銅板，經過抽真空處理的土工布，試樣，經過抽真空處理的土工布，透水銅板。銅板和土工布的作用類似于透水石和濾紙，能夠保證水流通暢，同時土顆粒不被水流帶出，不會阻塞銅板的孔。為防止水流沿光滑桶壁滲出，試驗中制樣先用凡士林涂抹桶壁。然后按照試樣設計高度和設計密度將其分25層進行人工擊實，保證試樣的均勻性。裝樣后用蒸餾水從底部浸泡飽和。在試樣充分飽后，鋪好土工布和銅板，蓋上滲透儀蓋子，然后排氣，使得上下游水頭一樣高，而且整個滲流路徑密閉不含氣泡。試驗開始后逐步提高上下游水頭差高度，每次提高12cm，每提高一級水頭后等1530分鐘滲流穩(wěn)定后再測定一定時間內的滲流量。每測56組就可以確定滲透系數。20攝氏度下滲透系數計算公式如下：（1）為試樣的滲透系數；為滲流量；為上下游水頭差；為試樣高度或為滲徑長度；為試樣面積；為時間；為溫度校正系數。滲透變形所要求的上下游水頭差比較大，當水頭差到達一定高度后單位時間內滲水量急劇增大，水流出現渾濁，即宣告試樣破壞。該水頭差與試樣高度的比值即為臨界水力梯度。1.2試驗壩料的顆粒組成與級配本次試驗主要對墊層料，過渡料和反濾料進行滲透和滲透變形試驗。墊層料采用開挖的新鮮微分化角礫凝灰?guī)r，熔結角礫凝灰?guī)r，沉凝灰?guī)r，含礫晶屑熔結凝灰?guī)r混合料人工軋制而成。最大粒徑81mm，粒徑小于5mm含量為3046，粒徑小于0.1mm含量為48，級配連續(xù)。過渡料采用新鮮微風化開挖混合料配制而成。最大粒徑為400mm，粒徑小于5mm含量為023，粒徑小于0.1mm含量05，級配連續(xù)。反濾料采用開挖的新鮮微分化角礫凝灰?guī)r，熔結角礫凝灰?guī)r，沉凝灰?guī)r，含礫晶屑熔結凝灰?guī)r混合料人工軋制而成。最大粒徑粒徑30mm，粒徑小于5mm含量為5085，粒徑小于0.1mm含量05，級配連續(xù)。表1堆石替代料級配Table1Gradationoftherockfillforexperiment石料干密度粒組（mm）及粒組含量（）6040402020101055墊層料2.181820131234.8過渡層料2.0921.930.72114.911.5反濾料2.120014.516.668.92試驗成果分析2.1試驗結果分析表2堆石料滲透和滲透變形試驗結果Table2Resultsofseepagetestsforrockfill石料密度g/cm3試樣長度cm滲透系數cm/s臨界水力梯度墊層料2.18200.00251.40墊層料2.18200.00201.25過渡層料2.09200.0137過渡層料2.09200.0152反濾料2.12200.00111.65反濾料2.12200.00121.60反濾料22.12200.00020注：表中相同石料為平行試驗；反濾料2是利用反濾料滲透試驗用過的堆石料重新曬干，按照與表1中反濾料相同的密度和級配進行二次試驗。圖1墊層料水力梯度與滲流速度關系Fig.1Relationshipbetweenhydraulicgradientandseepagevelocityofcushion圖2過渡料水力坡降與滲流速度的關系Fig.2Relationshipbetweenhydraulicgradientandseepagevelocityoftransition如圖1所示墊層料滲透坡降與滲透速度之間關系基本成線性關系，符合達西定律。但當水力坡降在1.01.2之間時，滲透速度隨著水力坡降的增大反而減小。在水力坡降超過1.2之后，滲透速度又隨著水力坡降增大而急劇增大，并很快達到破壞。也就是說滲透系數在整個過程中并不是恒定的，在水力坡降較小時是一個定值，但當坡降增加到一定值之后，就會出現波動過程。分析其原因在水力坡降較小時堆石料中孔隙能夠滿足透水的要求，當水頭增大之后，水流對石料的拽弋力也加大從而帶動一些顆粒隨水流方向移動，阻塞了一部分孔隙，使得過水斷面變小從而水的流速變小。但當水頭繼續(xù)加大后，其中的一部分石料被沖走從而導致過水斷面急劇增大，流速加大，并很快破壞。根據圖2可以看出過渡料在水力坡降為0.4左右時也出現滲流速度隨著水力坡降的增大而減少的波動現象。但與墊層料相比這個波動過程有兩點不同：1是過渡料出現波動時的水力坡降要小于墊層料出現波動時的坡降，過渡料在水力坡降為0.4左右出現，而墊層料在1.01.2時出現；2是該波動過程對過渡料影響更小，其水力坡降與滲流速度更加符合線性關系。分析其原因是由于過渡料小于5mm的粒組含量遠小于墊層料，其滲透系數約為墊層料67倍，所以在水力坡降較小時其滲流速度已經比較大，施加的拽弋力已經足夠帶動一些顆粒隨水流方向移動，阻塞了一部分孔隙，從而導致其出現波動過程要早于墊層料。而且由于過渡料小于5mm的粒組含量較少，細料對滲透特性影響不大，所以更加符合達西定律條件。2.2反濾料與2次利用的反濾料試驗結果對比分析為了更好研究堆石料滲透特性的變化和級配的控制范圍，本次試驗對反濾料試驗用完的堆石料進行回收二次試驗。將反濾料試驗之后的堆石重新曬干，篩分，并按照表1中的密度和級配重新配制反濾料即反濾料2進行滲透變形試驗。與原料相比，經過滲透試驗之后堆石料形狀更加規(guī)則，更大的變化是粒徑更細。雖然反濾料和反濾料2的小于5mm級配都是68.9，但反濾料2中小于5mm料明顯粒徑更細，粒徑小于0.1mm含量要多于5。從圖3和圖4可以看出，反濾料2的滲透系數僅為原反濾料滲透系數的0.2倍左右，同時在水力坡降到達1.6時反濾料已經破壞，而反濾料2在水力坡降到達2時仍然沒有破壞，由于儀器所限沒能測出其臨界水頭。這就說明對于細料（5mm）含量較多的堆石料，細料的級配決定了其滲透特性，細料越細其滲透系數就越低而臨界水頭就越大，所以對于這類堆石料確定其級配以及設計試驗替代料時不應僅僅以5mm為界劃分，必須進一步確定小于5mm堆石料的級配。如果僅僅以5mm為界將會出現級配相同而滲透系數水力坡降相差很大的情形。同時試驗表明在水力滲透沖刷過程中，堆石料的粒徑將變得更加細小和其位置也會隨水流變化，從而對滲透特性產生影響，在壩體多年使用過程中這一影響因素必須加以分析。與墊層料和過渡料相比，反濾料滲透過程中其滲透坡降與滲流速度關系較大的波動出現在0.51.0之間，其影響范圍更明顯，這是由于其細料含量遠遠超過30，滲透特性由細料控制。其孔隙較小，級配集中，小顆粒比較多容易阻塞過水通道，但其滲流速度小又不容易沖走堵塞的細料，導致其影響范圍大。Fig.3RelationshipbetweenhydraulicgradientandseepagevelocityoffiltermaterialFig.3Relationshipbetweenhydraulicgradientandseepagevelocityofsecondaryfiltermaterial3結論與建議1.本次試驗得出了墊層料過渡料反濾料的滲透系數，并測出墊層料和反濾料的臨界水頭；2.在堆石料滲透試驗中將會出現一段滲流速度隨水力坡降增大而減少然后再增大的波動過程，并且細料含量越多該過程越明顯，墊層料，過渡料，反濾料出現該過程的水力坡降分別為0.91.2，0.4，0.51.0；3對于細料含量大于30的堆石料確定其級配以及設計試驗替代料時不應僅僅以5mm為界劃分，必須進一步確定小于5mm堆石料的級配，才能保證設計和試驗的準確；4水力滲透沖刷過程中，堆石料的粒徑將變得更加細小和其位置也會隨水流變化，從而對滲透特性產生影響。參考文獻：1郭國慶.粗粒土的工程特性及應用M.鄭州：黃河水利出版社，19982王勇，相樹珍，董鳳軍等.無錫馬山電站筑壩堆石料滲透試驗研究J.河海大學學報，2005，增刊：154：156.3郭愛國，鳳家驥，汪洋，茜平一.砂礫石壩料滲透特性試驗研究J.武漢水利電力大學學報，1999，32（3）：9397.TeststudyonseepagepropertiesofrockfillofaDamAbstract:Basedontheseepagetestsandfiltrationerosiontestsinthelaboratory,theseepagecoefficientofrockfillandthecriticalhydraulicgradientofcushionandfilte