西藏山南地区水库松散坝基渗透变形试验及机理研究

对选自西藏山南地区高山宽谷河流区松散坝基土体进行室内渗透变形试验研究,设置不同级配定水头高度及相同级配变水头高度的3组对比试验方案。分析试验中水力梯度及渗透系数的变化情况,将松散坝基渗透试验过程分为颗粒调整、渗流稳定、渗流变化三个阶段。根据试验现象,结合以往渗透变形模式研究,将渗透变形划分为三类:渗透压密、渗透破坏及渗透淤堵。结合渗透变形的力学特征,对这三类渗透变形机理进行分析,并对单个土颗粒受力分析,得出在渗透压密、渗透破坏及渗透淤堵过程中运动颗粒的受力情况。试验结果表明添加淤堵材料有助于减缓、减小基部掏蚀的发生、发展,为该类松散坝基防渗减渗工作提供理论依据。     

深厚覆盖层潜蚀对大坝应力变形影响的有限元模拟

深厚覆盖层坝基潜蚀不一定导致坝基的渗透破坏。但坝基砂砾石土内部细颗粒的流失,一方面会增大土体的渗透性;另一方面可降低土体的强度和变形模量。前者导致坝基坝体渗流场的变化,从而引起坝体变形和应力变化,后者变形模量衰化,导致坝基坝体变形和应力调整。潜蚀造成的坝基和坝体应力变形对大坝的正常使用和安全性带来一定负面影响,定量评估这种影响是内部不稳定砂砾石深厚覆盖层坝基采用悬挂式防渗墙处理方案设计和该类大坝运行管理的迫切需求。提出了潜蚀对大坝应力变形影响的模拟方法,对一个典型大坝设计方案进行了计算分析,该设计方案中潜蚀造成应力变形变化的两种机制中,渗流场变化机制对坝基坝体的应力变形改变远大于模量衰化造成的影响。总体上该方案潜蚀造成的坝体变形和应力变化并未显著降低坝体的安全性。     

磨盘山水库坝基渗透稳定研究

磨盘山水库兴建遇到的主要地质问题是坝基渗漏及渗透稳定问题,将影响水库工程效益的发挥和大坝的安全运行,需采取适当的渗控工程措施。通过对坝基土颗粒组成及结构的分析,判别可能发生渗透破坏的类型,确定抗渗比降和允许比降。应用Visual MODFLOW进行水库坝区渗流场的三维渗流数值模拟分析,通过对18种渗控计算方案渗流场、渗流要素及防渗效果的统计分析,依据坝基土的允许比降,在安全、经济、合理原则的基础上,确定哈尔滨市磨盘山水库坝基渗控设计首选方案为：左岸防渗长度200 m、帷幕灌浆标准5 Lu。     

粗粒土渗透损伤特性试验研究

为深入认识渗透变形对粗粒土渗透性及压缩性的影响,利用自主研发的加载式大型渗透变形仪对不同级配的粗粒土试样进行渗透变形全过程试验及侧限压缩对比试验,获得了不同试件产生渗透变形的临界水力梯度、渗透系数演化规律及损伤变化特性。研究成果表明：渗透变形过程中渗流路径中下游部位产生了渗透挤密效应,引起局部渗透性降低;在后期增加的水头作用下,先前产生渗透挤密部位的渗透性逐渐增大。试样产生渗透变形后,压缩模量减小;颗粒级配不同,渗透破坏引起的压缩损伤程度亦不相同。试件产生渗透变形后,在重力和渗透力作用下,试件结构将产生重构现象。     

间断级配砂砾石土的渗透变形试验研究

渗透变形是颗粒材料中细颗粒在渗流作用下发生重分布且导致土体的内部结构、水力及力学特性发生变化的现象,是导致砂砾石土地基及堤防结构破坏的主要原因之一。利用自主研发的刚性壁渗透仪对不同级配及细颗粒含量的间断级配砂砾石土在恒定水头渗流作用下进行渗透变形全过程试验,监测了渗流过程中的局部水力梯度空间分布以及竖向位移变化,分析了渗透试验结束后土体的颗粒级配空间分布变化。研究结果表明：土粒中细颗粒所处的欠填、满填及过填3种堆积状态决定了粗、细颗粒间不同的接触方式,影响其渗透性。渗透试验结束后细颗粒流失量沿试样高度的空间分布可以划分为3个区域,即顶部流失区、中部均匀区及底部流失区。局部水力梯度的快速下降伴随着竖向位移的突变,意味着渗透变形的开始;渗透变形启动时的局部水力梯度大于全局水力梯度,证实了采用大尺寸试验执行渗透试验的必要性。细颗粒处于过填状态的试样依然会发生渗透变形且导致强烈的沉降变形,值得进一步的研究。     

多元回归模型在坝基渗透稳定性预测中的应用

在坝的失事事故中，渗透破坏占了30～40％。坝基渗流长期观测资料是病险土石坝渗透稳定性预测的主要依据。多元回归模型是定量处理观测数据的有力工具。本文根据坝基水文地质特征的差异性以及渗流场的非平面性，将多元回归数学模型应用于坝基渗透稳定性预测中，给出了在计算机上实现的计算算例。通过对陆浑水库的研究分析，对坝基渗透稳定现状及变化趋势的有了进一步认识，成功地解决了影响水库正常运行的坝基渗流问题，为水库投入正常高水位运行提供了详实的依据。其研究成果与其它方法结论一致，从而证明多元回归模型具有较强的实用性。     

深厚覆盖层在水库蓄水后渗流场变化情况下稳定性分析

渗流场对深厚覆盖层的影响主要表现在渗水对覆盖层的物理化学以及力学方面的作用。本文以金沙江鲁地拉水电站库岸典型地段的深厚覆盖层在蓄水后的稳定性为研究实例。在现场深入调查,查明地质结构、深厚覆盖层的物质组成、分层特征、粒度组成、物理力学性质及渗透参数的基础上,利用三维有限元程序对覆盖层的变形破坏进行了计算,分析水库蓄水后渗流场的变化对深厚覆盖层的影响。分析结果表明,江水抬高5m后,渗流场发生变化。受渗透压力的作用,覆盖层在平行河流和垂直河流方向变形位移不同,平行河流方向最大变形量为50cm,垂直河流方向的最大变形量为133cm,地面最大沉降量为188cm,如此大的变形将会造成覆盖层的变形破坏,进而影响其上部建筑物和公路的安全。     

基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟

堤坝地基的渗透变形过程实际上是“土中水”转变为“水中土”的过程。在渗透变形发生的集中管涌通道区域,采用常规渗流分析理论,单纯增大管涌通道渗透系数的方法是不太合适的。在未发生渗透变形的区域,用常规渗流理论计算;在管涌通道区域,用管流理论,公共边界上两者之间水头相等、流量大小相等且方向相反,能够较好符合渗透变形的发展规律。为了适应计算过程中内部边界条件不断变化的特点,采用无网格法伽辽金法（element free Galerkin method,EFG）对渗流场进行计算。算例计算表明,这种渗流-管流耦合的方法能够模拟管涌通道绕过防渗墙等复杂的发展过程。     

二滩高拱坝坝基渗流场的反演分析

研究运行期高坝坝基渗流特性时,渗流场参数的获取是难点之一。针对二滩工程,利用三维渗流场有限元精细求解技术以及遗传算法等方法和理论,建立坝基渗流场反演模型;选择坝基典型渗压计测点作为实测点,通过特定时刻库水位对应渗流场的反演获得坝基渗透系数,再利用不同时刻点库水位对应的渗流场进行验证。分析结果表明,渗流场的反演结果是合理的,可作为研究运行期高拱坝坝基渗流场真实工作性态的依据。     

基于多场耦合数值分析的膨胀土边坡浅层膨胀变形破坏机制研究

膨胀土地区大量工程实践表明,发生在膨胀土边坡浅表层一定深度范围内的牵引式滑坡现象非常普遍,对于该种渐进性边坡破坏模式,传统极限平衡分析无法反映其失稳状态和破坏机制。借鉴温度场中温度膨胀系数的定义和数值处理方法,以室内无荷/有荷膨胀率试验成果为依据,对膨胀土的湿度膨胀系数进行了反演拟合,得到低荷载条件下含水率-膨胀系数近似符合线性关系。基于降雨作用下膨胀土边坡破坏的大型静力物理模型试验成果,采用FLAC非饱和二相流模型模拟降雨引起的边坡湿度场分布变化状态,引入含水率-膨胀系数的线性关系,提出一种适用于膨胀土边坡的湿度场-膨胀变形场-应力场的多场耦合数值分析方法,并藉此对物理模型试验进行仿真。结合模型试验和多场耦合数值分析,阐述膨胀土边坡浅层渐进性破坏机制的本质是水力边界条件变化引起的膨胀土膨胀变形作用。     

岩体软弱夹层渗透变形试验及三维有限元数值模拟

渗透变形或渗透破坏是由潜蚀强烈发展而出现的一种特有的不良地质作用,本文结合某大型水电工程坝基存在的软弱夹层,在现场取样试验,研究了这些软弱夹层在渗透水流作用下发生渗透变形的方式和程度,并以试验成果为基础,根据水工建筑物的布置以及上下游水头差等条件,采用数值模拟的方法模拟软弱夹层的水力梯度分布情况以及软弱夹层与上下两盘基岩中的水力梯度分布,为坝基防渗设计提供依据。     

某水利枢纽厂房基坑开挖渗透变形评估

在对渗流评估方法进行一定探讨的基础上,对某水利枢纽工程坝址区厂房基坑开挖进行了渗透变形评估。结果表明,在坝轴线方向上,无防渗墙时坡面土体在渗透力的作用下是不稳定的,有防渗墙时坡面水力坡降降到0.05以下。在砂卵砾石层与基岩的交界处仍存在略大的水力坡降（值为0.56）,如有水在细砂层、砾质中粗砂层渗出,则有可能出现渗流失稳,但总的说来由于防渗墙使水力坡降已降到很小,出现流土和管涌失稳的可能性不大。     

陡坡水库大坝渗透稳定性及渗透变形分析

陡坡水库存在大坝质量差、坝体发育大量裂缝、背水坡出现散浸现象、坝后沼泽化并形成一上升泉以及排水渠和鱼池有絮状析出物、渗漏量增大等问题,这些异常现象都是由坝体及坝基渗流引起的。在阐述坝体和坝基地质、水文地质条件情况下,分析了大坝渗漏成因及大坝的渗透稳定性,指出坝体实际浸润线及坝体渗漏量是不正常的,特别是1987年后当库水位高于194 m,同一库水位呈上升趋势,这是反常的。坝基实际渗漏量异常,存在管涌和接触冲刷问题,尤其库水位低至 193.84 m,坝后上升泉仍有沙沸现象。上述现象表明大坝渗流是危险的,并分析了散浸、析出物、上升泉及沼泽化、坝肩及绕坝渗漏等现象的成因。     

粉砂地基深基坑工程土体渗透破坏机理及其影响研究

在砂土和粉土地区,渗透破坏是威胁基坑稳定性和周围环境的主要因素。基坑工程是由土、水以及围护结构组成的一个复杂系统,影响基坑工程渗透破坏的因素很多。在总结前人对土体渗透破坏与基坑工程渗透破坏模式的研究基础上,结合渗流对土体性质影响的试验成果,提出了考虑渗流、开挖卸荷以及围护结构变形共同作用的基坑工程渗透破坏分析方法,并分析了均质地基基坑工程的渗透破坏模式。将该方法运用于某粉砂地基基坑渗透破坏工程实例,通过有限元数值模拟,揭示了渗透破坏过程及其对围护结构的影响。通过对该基坑工程实例的分析认为,在进行基坑工程设计时不仅需要进行防止流砂、管涌等验算,还需考虑基坑工程整体破坏的可能性。     

基桩对含水层渗流阻挡作用效应研究

超高层建筑的桩基础通常会打入到深度较大的承压含水砂土层中;在承压含水层的上方通常会进行超深基坑的开挖构建超高层建筑的地下室。为了保持超深基坑的基底稳定,需要在承压含水层中进行降水施工。由于深基坑存在大量的桩基础,基桩的存在会影响降水时地下水的渗流路径,继而影响土体的渗透性状。应用室内试验研究基桩对含水层渗流阻挡作用的机制。试验采用PVC管模拟基桩,将颗粒较均匀的砂土作为试验土体,通过室内渗流试验来研究基桩对地下水渗流的影响。试验结果表明,基桩对于地下水渗流有明显的阻挡效应：基桩的数量以及布置形式会对渗透效应产生较大的影响。考虑砂土体积置换率的有效介质理论可以用来分析矩形布置的基桩对渗透系数的影响,但对梅花形布置的基桩应用有效介质理论计算所得的渗透系数会有将近20%的偏差;其原因是梅花形布置的基桩,会使渗流路径增加。基于对渗流路径的分析,提出了考虑有梅花形布置的基桩存在时等效渗透系数计算的修正方法。     

卡拉水电站坝区渗流控制效应精细模拟与评价

卡拉水电站坝址区河谷狭窄,岸坡陡峻,地质条件复杂,渗漏问题突出。为减小卡拉坝区渗漏并改善大坝的渗透稳定性,工程设计采取防渗帷幕、排水孔幕和排水洞等防渗排水措施。采用子结构、变分不等式和自适应罚函数相结合的方法（简称SVA方法）,结合典型溢流坝段与坝区整体渗流场分析成果,评价卡拉大坝及坝基渗流控制方案的合理性,并论证其优化的可能性。研究表明：①防渗帷幕有效雍高了帷幕上游侧岩体内的地下水位、增加了绕坝渗流的渗径长度并降低了坝基的扬压力,排水系统则显著降低了坝体内的孔隙水压力以及坝基扬压力;②排水孔幕间距对坝体内的自由面分布有着显著影响,排水孔幕间距取3.0～4.5 m是合适的。     

水布垭面板堆石坝垫层料渗透与渗透变形特性试验研究

水布垭水电站混凝土面板堆石坝高达233 m,垫层料的良好性能对于大坝的变形和渗流控制极为重要。文中介绍了基于混凝土面板堆石坝工程建设经验以及水布垭水电站可行性研究阶段试验成果确定的垫层功能要求和垫层料具体设计要求,垫层料的渗透性和渗透变形特性在设计要求中占有重要的位置,详细介绍了施工设计阶段针对垫层料进一步开展的系列渗透变形试验。水平试验取得的渗透系数、临界比降、破坏比降均有大于垂直试验值的趋势,水平试验模型更接近垫层实际填筑情况及其中的水流流态,所以水平试验成果更反映垫层的工程特性;随着垫层料级配和密度的变化,其渗透系数变化范围较大,总体上满足10-4～10-2 cm/s渗透系数的要求。但是,粗级配和低密度试样的渗透系数超越设计要求的上限值;临界比降和破坏比降随着垫层料级配和密度的变化没有呈现明显的规律变化,试样内部结构欠稳定。研究成果进一步说明,垫层料级配和填筑密度控制非常重要,垫层的渗透稳定性有赖于过渡区提供有效的反滤保护作用。     

渗透压力对重力坝有限元分析的影响研究

针对有限元分析重力坝的应力和抗滑稳定性时,如何正确模拟作用在建基面上的扬压力的问题,通过对有限元法中不同扬压力施加方式对计算结果影响的分析比较,探讨了各自的适用性。采用平面渗流理论,分析了渗透压力对坝体变形、应力分布及抗滑稳定的影响。数值计算结果表明：坝体内渗流场形成后,将扬压力以面力的形式施加在建基面上的方法是不可取的;采用浮重度的方式模拟扬压力的作用,得出结果的可以近似地满足工程精度要求。计算结果还表明,防渗帷幕和排水孔对重力坝的应力、抗滑稳定具有较大的影响。     

江雄水库坝基和坝肩渗漏分析与渗控方案评价

江雄水库施工中认为坝区存在较严重的渗漏问题, 由此, 在设计中对河床段坝基采用了上墙 (防渗墙) 下幕(帷幕灌浆) 组合防渗结构, 对两岸坝肩采用了帷幕灌浆防渗结构处理措施。利用渗流理论, 在分析坝区地质条件和概化水文地质模型的基础上, 建立了坝区三维渗流数值模型, 对坝区防渗处理设计条件下(方案Ⅰ和Ⅱ) 的坝基渗漏及渗透变形进行了计算和比较分析。结果表明, 两种防渗方案均可行, 但方案Ⅰ优于方案Ⅱ。