抽水蓄能電站堆石料滲透特性試驗(yàn)研究(1)

1、抽水蓄能電站堆石料滲透特性試驗(yàn)研究(1)    摘要：通過試驗(yàn)對(duì)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(jìn)行研究，得出其滲透系數(shù)和臨界水頭。并對(duì)堆石料滲流速度與水力坡降關(guān)系曲線中波動(dòng)過程進(jìn)行分析，確定不同堆石料出現(xiàn)波動(dòng)過程的水頭及原因。對(duì)反濾料試驗(yàn)用料回收并進(jìn)行二次試驗(yàn)，并將其滲透特性與反濾料進(jìn)行對(duì)比分析。 關(guān)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(jí)配巖石碎塊類集合體。研究堆石料的滲透系數(shù)，臨界水頭，滲透特性能夠?yàn)榇髩卧O(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。    由于堆石料具有大小顆粒懸殊

2、，組成分散，不均勻性大，性質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)目前將粒徑5mm顆粒稱為粗料，粒徑<5mm為細(xì)料。堆石料中粗料形成骨架，細(xì)料填充孔隙，填充愈密實(shí)，土體的孔隙愈小?？紫兜拇笮?，直接關(guān)系到土體的滲透特性和滲透穩(wěn)定性。本次試驗(yàn)主要對(duì)級(jí)配不同的堆石料進(jìn)行滲透和滲透變形試驗(yàn)，得出水力坡降與滲流速度關(guān)系曲線，并分析細(xì)料含量對(duì)滲透特性的影響。    1 滲透試驗(yàn)1.1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)過程試驗(yàn)儀器是河海大學(xué)巖土所設(shè)計(jì)并委托加工的大型滲透儀。該儀器試樣筒內(nèi)徑為303mm，高度為460mm，能夠滿足最大粒徑為60mm的堆石料的試驗(yàn)要求。試樣桶上下端分別與有自由出水口的水桶相連，

3、水桶高度可以調(diào)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(jīng)過抽真空處理的土工布，試樣，經(jīng)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(shí)土顆粒不被水流帶出，不會(huì)阻塞銅板的孔。為防止水流沿光滑桶壁滲出，試驗(yàn)中制樣先用凡士林涂抹桶壁。然后按照試樣設(shè)計(jì)高度和設(shè)計(jì)密度將其分25層進(jìn)行人工擊實(shí)，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(gè)滲流路徑密閉不含氣泡。試驗(yàn)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(jí)水頭

4、后等1530分鐘滲流穩(wěn)定后再測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)的滲流量。每測(cè)56組就可以確定滲透系數(shù)。20攝氏度下滲透系數(shù)計(jì)算公式如下：     （1）     為試樣的滲透系數(shù)；為滲流量；為上下游水頭差；為試樣高度或?yàn)闈B徑長(zhǎng)度；為試樣面積；為時(shí)間；為溫度校正系數(shù)。滲透變形所要求的上下游水頭差比較大，當(dāng)水頭差到達(dá)一定高度后單位時(shí)間內(nèi)滲水量急劇增大，水流出現(xiàn)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(yàn)壩料的顆粒組成與級(jí)配本次試驗(yàn)主要對(duì)墊層料，過渡料和反濾料進(jìn)行滲透和滲透變形試驗(yàn)。墊層料采用開挖的新鮮微分化

5、角礫凝灰?guī)r，熔結(jié)角礫凝灰?guī)r，沉凝灰?guī)r，含礫晶屑熔結(jié)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(jí)配連續(xù)。過渡料采用新鮮微風(fēng)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(jí)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(jié)角礫凝灰?guī)r，沉凝灰?guī)r，含礫晶屑熔結(jié)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(jí)配連續(xù)。表1 堆石替代料級(jí)配table 1 gradation of the rockfill for experiment

6、    石料干密度粒組（mm）及粒組含量（）604040202010105<5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(yàn)成果分析2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析     表 2    堆石料滲透和滲透變形試驗(yàn)結(jié)果 table 2 results of seepage tests for rockfill 石料密度g/cm3試樣長(zhǎng)度cm滲透系數(shù)cm/s臨界水力梯度 墊層料2.18200.

7、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(yàn)；反濾料2是利用反濾料滲透試驗(yàn)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(jí)配進(jìn)行二次試驗(yàn)。圖1 墊層料水力梯度與滲流速度關(guān)系fig.1 relationship between hydraulic gradient and seepage velocity of cushion圖2 過渡料水力坡降與滲流速度的關(guān)系fig.2 relat

8、ionship between hydraulic gradient and seepage velocity of transition如圖1所示墊層料滲透坡降與滲透速度之間關(guān)系基本成線性關(guān)系，符合達(dá)西定律。但當(dāng)水力坡降在1.01.2之間時(shí)，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(dá)到破壞。也就是說滲透系數(shù)在整個(gè)過程中并不是恒定的，在水力坡降較小時(shí)是一個(gè)定值，但當(dāng)坡降增加到一定值之后，就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)過程。分析其原因在水力坡降較小時(shí)堆石料中孔隙能夠滿足透水的要求，當(dāng)水頭增大之后，水流對(duì)石料的拽弋力也加大從而帶動(dòng)一些顆粒隨水流方向移

9、動(dòng)，阻塞了一部分孔隙，使得過水?dāng)嗝孀冃亩牧魉僮冃　５?dāng)水頭繼續(xù)加大后，其中的一部分石料被沖走從而導(dǎo)致過水?dāng)嗝婕眲≡龃螅魉偌哟?，并很快破壞。根?jù)圖2可以看出過渡料在水力坡降為0.4左右時(shí)也出現(xiàn)滲流速度隨著水力坡降的增大而減少的波動(dòng)現(xiàn)象。但與墊層料相比這個(gè)波動(dòng)過程有兩點(diǎn)不同：1是過渡料出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)的水力坡降要小于墊層料出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)的坡降，過渡料在水力坡降為0.4左右出現(xiàn)，而墊層料在1.01.2時(shí)出現(xiàn)；2是該波動(dòng)過程對(duì)過渡料影響更小，其水力坡降與滲流速度更加符合線性關(guān)系。分析其原因是由于過渡料小于5mm的粒組含量遠(yuǎn)小于墊層料，其滲透系數(shù)約為墊層料67倍，所以在水力坡降較小時(shí)其滲流速度已經(jīng)比較大，

10、施加的拽弋力已經(jīng)足夠帶動(dòng)一些顆粒隨水流方向移動(dòng)，阻塞了一部分孔隙，從而導(dǎo)致其出現(xiàn)波動(dòng)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(xì)料對(duì)滲透特性影響不大，所以更加符合達(dá)西定律條件。2.2 反濾料與2次利用的反濾料試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析為了更好研究堆石料滲透特性的變化和級(jí)配的控制范圍，本次試驗(yàn)對(duì)反濾料試驗(yàn)用完的堆石料進(jìn)行回收二次試驗(yàn)。將反濾料試驗(yàn)之后的堆石重新曬干，篩分，并按照表1中的密度和級(jí)配重新配制反濾料即反濾料2進(jìn)行滲透變形試驗(yàn)。與原料相比，經(jīng)過滲透試驗(yàn)之后堆石料形狀更加規(guī)則，更大的變化是粒徑更細(xì)。雖然反濾料和反濾料2的小于5mm級(jí)配都是68.9，但反濾料2中小于5mm料明顯粒徑更細(xì)

11、，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(shù)僅為原反濾料滲透系數(shù)的0.2倍左右，同時(shí)在水力坡降到達(dá)1.6時(shí)反濾料已經(jīng)破壞，而反濾料2在 水力坡降到達(dá)2時(shí)仍然沒有破壞，由于儀器所限沒能測(cè)出其臨界水頭。這就說明對(duì)于細(xì)料（5mm）含量較多的堆石料，細(xì)料的級(jí)配決定了其滲透特性，細(xì)料越細(xì)其滲透系數(shù)就越低而臨界水頭就越大，所以對(duì)于這類堆石料確定其級(jí)配以及設(shè)計(jì)試驗(yàn)替代料時(shí)不應(yīng)僅僅以5mm為界劃分，必須進(jìn)一步確定小于5mm堆石料的級(jí)配。如果僅僅以5mm為界將會(huì)出現(xiàn)級(jí)配相同而滲透系數(shù)水力坡降相差很大的情形。同時(shí)試驗(yàn)表明在水力滲透沖刷過程中，堆石料的粒徑將變得更加細(xì)小和其位置也會(huì)隨水流變化，從而對(duì)滲透特性產(chǎn)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(guān)系較大的波動(dòng)出現(xiàn)在0.51.0之間，其影響范圍更明顯，這是由于其細(xì)料含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過30，滲透特性由細(xì)料控制。其孔隙較小，級(jí)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(xì)料，導(dǎo)致其影響范圍大。fig.3