碎石土细颗粒迁移特征及优先流形成路径

碎石土是一种非连续、非均质的结构性材料,由于内部含有大量碎石块,容易形成架空结构,使其内部形成复杂独特的渗流通道即优先流通道,碎石土优先流通道是包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其优先流路径时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移,颗粒迁移与通道形成密切相关。为此,对两种不同级配土柱(粗细颗粒连续级配和间断级配)分别进行饱和渗流-颗粒迁移试验,从细颗粒迁移的角度分析通道形成的时空发展规律。试验结果表明：细颗粒迁移一部分由于流失引起碎石土渗透性增大,另一部分由于重新沉积而堵塞局部孔隙,降低渗透性,两者作用结果最终加速优先流通道形成;连续级配的碎石土形成大面积交叉分布的管网状渗流通道,间断级配的碎石土则形成集中渗流通道;相同水力条件下,不同级配细颗粒迁移的空间分布特征不同,连续级配的碎石土细颗粒迁移不随空间位置的差异而发生变化,间断级配的碎石土细颗粒迁移随空间位置的差异而发生变化,两种级配下碎石土细颗粒主要流失量的粒径范围均在1～0.075 mm;不同水力梯度条件下,连续与间断级配试验细颗粒流失量均随水力梯度增加而增大,间断级配的碎石土破坏时水力梯度小于连续级配破坏时水力...     

土体渗透稳定性判定准则

土体的渗透稳定性是指在渗流条件下宽级配土体内粗颗粒阻止细颗粒流失的能力,土体的渗透稳定性受几何条件、水力条件和物理条件的影响。从几何条件出发,通过对收集的167种土的室内渗透侵蚀试验结果的分析,基于对土体渗透稳定性控制变量地研究,将土分成良好级配土和间断级配土两大类;基于细粒（小于0.063 mm）含量的不同,将每类土又细分为3类,针对不同细类土提出了不同的渗透稳定性几何判定准则。从水力条件出发,研究了应力状态对土体渗透侵蚀起动及破坏水力梯度的影响。试验结果表明,起动水力梯度和破坏水力梯度都随着围压的增大而增大,是由于增大围压使得颗粒间的摩擦力增大的结果。     

砂砾石与砂接触冲刷试验研究

渗流作用下土层之间的接触面是较易发生渗透破坏的薄弱环节。在开展砂砾石渗透破坏试验研究的基础上,针对砂砾石与砂的接触面渗流及渗透破坏特性,利用大型竖向渗透仪和自主研制的环状径向水平渗透仪,研究了竖向和水平渗流作用下接触面渗流和渗透破坏的影响因素及接触冲刷的发生、发展过程。研究结果表明,典型的砂砾石与砂的接触冲刷破坏过程可分为稳定渗流阶段、过渡阶段和破坏阶段3个阶段,可用2个特征水力坡降进行划分,稳定渗流阶段与过渡阶段的分界点对应的水力坡降称为启动坡降,过渡阶段与破坏阶段的分界点对应的水力坡降称为破坏坡降;砂砾石与砂组合试样的渗透系数随砂砾石密度的增大、颗粒变细而减小,砂砾石与砂接触冲刷的抗渗坡降则随砂砾石密度的增大、颗粒变细而增大,在水平渗流情况下试样的渗透系数较竖向的大,但接触冲刷的抗渗坡降较竖向的小。     

反复入渗对重塑黄土渗透特性的影响

甘肃黑方台黄土经历长期的灌溉入渗破坏了其原生结构,改变了不同深度黄土的颗粒级配,影响了土体的力学性质。为研究反复灌溉入渗对坡体的影响,通过室内土柱渗透试验研究了反复入渗对甘肃黑方台黄土渗透特性的影响,并研究了渗透作用下黄土中细颗粒运移的规律与模式。研究表明:①水力梯度对渗透速率影响较小而干密度对渗透速率影响较大;随着入渗次数的增加,重塑黄土的渗透性能变弱;②黄土在渗流力的作用下,存在细颗粒沿渗流方向运移的现象,且细颗粒在土柱中上部聚集最多;③影响细颗粒运移的因素有:水力梯度、干密度和渗透次数;其中细颗粒的运移量与水力梯度、渗透次数呈正相关,与干密度呈负相关,且水力梯度是影响细颗粒运移的主要因素;④在渗透过程中,细颗粒运移堆积,最终填充土体内孔隙,导致黄土的渗透性下降。     

细颗粒流失对砂砾石土本构关系的影响研究

采用悬挂式防渗墙的坝基砂砾石土中可能发生潜蚀(suffusion)侵蚀而流失细颗粒,导致土体的强度和变形模量降低,从而对坝基防渗墙及上部坝体造成不利影响。定量描述细颗粒流失量对砂砾石土应力-应变关系影响的模型是定量评估这种影响的基础之一。提出了研究这种本构模型的试验方案,进行了三轴和侧限压缩试验研究了颗粒流失量对应力-应变关系的影响。颗粒流失未改变土体的应力-应变特性,但降低了土体的强度和变形模量。通过建立模型参数与流失量的关系,可以用同一个本构模型描述流失量时空变化的砂砾石土本构关系。基于邓肯E-B模型,建立了模型参数与颗粒流失量之间的定量关系表达式,从而实现了颗粒流失对应力-应变关系影响的定量描述方法。     

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。     

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。     

隧道渗流侵蚀的颗粒流模拟

建造在砂土环境中的盾构隧道渗漏水会将砂土颗粒带入隧道内部,导致隧道周围砂土流失,引起隧道的不均匀变形与沉降。建立了隧道–土体离散元计算模型,模拟隧道不同部位发生局部渗流侵蚀时隧道中心位移、隧道表面土压力分布及地表沉降的变化。结果表明,隧道中心位移、地表沉降量均与颗粒流失比例呈线性增加关系;受颗粒流失及流失缝周围形成的颗粒力拱影响,隧道表面土压力重分布,会使流失缝宽度进一步扩大而加剧渗流侵蚀进程,且渗流侵蚀发生于隧道底部产生的影响大于渗流侵蚀发生于隧道腰部与顶部。     

砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法

地下水渗流作用下内部不稳定砂性土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体渗透破坏会对土工建筑物或地基造成不良影响。考虑土体有效应力和细颗粒应力折减,建立渗流场中细颗粒受力模型,根据极限受力平衡状态得到潜蚀过程中砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算公式,并通过DEM-CFD耦合方法以及现有试验数据进行验证。结果表明：砂性土中细颗粒以滚动方式起动,起动临界水力坡降受渗流水流、土体特性以及颗粒自身特性共同影响;砂性土表层细颗粒起动临界水力坡降受埋深影响较大,埋深1 cm的细颗粒最高、最低起动临界水力坡降相差10.169%,埋深10 cm时差异减少至1.061%。该计算方法与数值模拟和渗流试验结果的最大标准误差分别为6.038%、11.211%,可以较为准确地预测砂性土细颗粒起动临界水力坡降。     

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。     

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。     

On the evaluation of internal stability of gap-graded soil: a status quo review

Internal instability is a phenomenon of fine particle redistribution in granular materials under the seepage action and consequent change in the soil’s internal structure and hydraulic and mechanical properties. It is one of the primary causes of failures of sand-gravel foundations and embankment dams. The criteria establishment is considered the key to solving the erosion problems, so the existing internal stability criteria need a review and classification to study the recent development trends in soil seepage and erosion. Therefore, this paper aims at reviewing the internal stability factors of gap-graded soil with a focus on the internal erosion mechanism and internal stability evaluation based on geometric and hydraulic criteria. Firstly, the paper compared the effect of several commonly used geometric criteria for gap-graded soil evaluation, such as particle size, fine content, void ratio, and fractal dimension. Furthermore, it provided a hydraulic criteria overview and analyzed the effects of the hydraulic gradient, hydraulic shear stress, confining pressure, and pore velocity on internal erosion. The geometric–hydraulic coupling methods were introduced, with a detailed elaboration of the erosion resistance index method based on accumulated dissipated energy. The capabilities and limitations of these criteria were discussed throughout the paper. It was found that combined Kezdi’s criterion and Kenney and Lau’s criterion is more reliable to evaluate internal stability of soil. The gap-graded soil with fine particle content higher than 35% is not necessarily internally stable. Finally, the energy-based method (erosion resistance index method) can effectively reproduce the total amount of erosion mass and the final spatial distribution of fine particles and identifies erosion. The review's outcome can be used as a basis to evaluate the internal erosion risk for gap-graded soils. The evaluation methods discussed here can help identify the zones of relatively high erosion potential.

     

白鹤滩水电工程左岸玄武岩层间错动带渗透破坏预测与防治模拟

金沙江白鹤滩水电工程坝区发育有数条规模较大的、对工程有直接影响的玄武岩层间错动带。错动带内充填碎屑夹泥,当大坝建成蓄水之后,在高水头差下容易发生渗透破坏,可能影响坝区水工建筑物运行的安全和稳定。针对厂坝区的地形地貌、地质结构、大坝水工建筑物和防渗排水系统的设计布置特点,建立了坝区左岸三维有限元精细模型。并采用插值拟合的方法确定特定断面边界的地下水位,计算模拟了运行期白鹤滩电站左岸坝区渗流场的变化规律和水力梯度场的分布,并结合在现场开展的错动带的渗透破坏试验数据,确定了错动带的允许水力梯度,评价错动带内渗透破坏的可能性。研究结果表明:现有的渗控措施在坝区形成了明显的降落漏斗,地下厂区防渗排水系统效果良好,渗压得到了有效控制。然而C2错动带内部分区域的水力梯度超过允许水力梯度,可能会发生渗透破坏。提出设置截渗洞和加强帷幕的防治措施,并模拟验证了这一措施可以较好地截断渗漏通道,保障厂房安全稳定运行。     

Three-dimensional DEM modeling of the stress–strain behavior for the gap-graded soils subjected to internal erosion

In this work, 3D discrete element method modeling of drained shearing tests with gap-graded soils after internal erosion is carried out based on published experimental results. The erosion in the model is achieved by randomly deleting fine particles, mimicking the salt dissolving process in the experiments. The present model successfully simulates the stress–strain behavior of the physical test by employing the roll resistance and lateral membrane. The case without erosion shows a strain-softening and dilative response, while strain-hardening and contractive response starts to occur as the degree of erosion increases. The dilative to contractive transition is mainly caused by the increase in void ratio due to the loss of fine particles. The change from dilative behavior to contractive behavior is more abrupt for the specimen with larger fine particle percentage because the soil skeleton is mainly controlled by the fine particles instead of by the coarse soil particles. The transition from “fines in sand” to “sand in fines” might be associated with the rapid increasing in the contacts associated with fine particles in the specimen as the percentage of fine content increases. The erosion scenario based on the hydraulic gradient is also modeled by deleting the fine particles based on the ranking of the contact force. Compared with the scenario based on random deletion, the remaining fine particles for the erosion scenario based on the ranking of contact force are more dispersedly distributed, which might benefit the small strain stiffness but result in a smaller strength. This work provides some insights for better understanding the mechanism behind the internal erosion and the associated stress–strain behavior of soil. The gradient of the critical state line increases with more loss of fine particles denoting that the fine particles are helpful for holding the structure of the soils from larger deformation.

     

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。     

断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明：（1）断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流?侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;（2）破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;（3）梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率?时间（Q-t）、水力梯度?涌水率（i-Q）关系的流态转换分析和基于渗透率?水力梯度（k-i）关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。