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不同层间系数条件下双层地基潜蚀可视化试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 226-235页

作者：罗玉龙李澳张海彬张兴杰游春华袁小龙盛金昌王惠民河海大学水利水电学院江苏南京210098 湖南工学院土木与建筑工程学院湖南衡阳421002 中国科学院青海盐湖研究所青海西宁810008

地层结构显著影响潜蚀的发生、发展过程,然而,目前大部分研究多集中在单一土体发生潜蚀的几何条件与水力条件方面,很少考虑地层结构的影响。针对实际工程中常见的地基结构——双层强透水地基,上层由内部稳定土体组成,充当反滤层,下层为... 详细信息

地层结构显著影响潜蚀的发生、发展过程,然而,目前大部分研究多集中在单一土体发生潜蚀的几何条件与水力条件方面,很少考虑地层结构的影响。针对实际工程中常见的地基结构——双层强透水地基,上层由内部稳定土体组成,充当反滤层,下层为内部不稳定土体,利用自行研制的基于平面激光诱导荧光技术的潜蚀可视化试验装置,开展不同层间系数条件下双层地基潜蚀可视化试验研究,重点探讨层间系数对潜蚀发生、发展过程的影响机制。试验结果表明:上层土体能够显著提高下层土体潜蚀发生的临界坡降和破坏坡降,其与层间系数近似呈负相关关系,层间系数越小,潜蚀发生的临界坡降和破坏坡降越大。层间系数对双层地基颗粒运移模式及破坏模式均有显著影响。层间系数≤5时,下层土体中运移流失的细颗粒聚集、淤堵在接触面,最终导致接触面附近出现明显的拉裂破坏;层间系数>5时,上层土体不能有效保护下层土体,下层土体中运移出来的细颗粒大量进入上层,最终下层土体发生潜蚀破坏。基于试验结果,提出了适用于被保护土体为内部不稳定土的反滤层设计方法,并利用已有的试验结果验证了该方法的有效性和可靠性。

关键词：土力学深厚覆盖层双层地基潜蚀可视化层间系数反滤设计方法

泸定水电站坝基覆盖层深部潜蚀对土骨架变形影响评价试验研究

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岩土工程学报 2024年第4期46卷 705-715页

作者：金伟邱子源张丹向雷杨林骏罗玉龙中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072 河海大学水利水电学院江苏南京210024 河海大学大禹学院江苏南京210024

泸定水电站因坝基覆盖层深部(1)层潜蚀诱发涌水险情,潜蚀过程中大量细颗粒持续流失能否诱发明显土骨架变形关系到电站自身、下游梯级电站及泸定县城的安全。土体颗粒级配、应力状态及细颗粒流失比例等均有可能影响土骨架变形,但其影响... 详细信息

泸定水电站因坝基覆盖层深部(1)层潜蚀诱发涌水险情,潜蚀过程中大量细颗粒持续流失能否诱发明显土骨架变形关系到电站自身、下游梯级电站及泸定县城的安全。土体颗粒级配、应力状态及细颗粒流失比例等均有可能影响土骨架变形,但其影响机制尚不清楚。为全面评价(1)层潜蚀对土骨架变形的影响,自行研制了可以模拟现场(1)层土体原始级配特征和应力状态的高应力、大直径的土体渗透稳定试验装置,建立了土骨架发生明显变形的判据,即潜蚀过程中试样累计体积应变大于等于1%时,表明土骨架已发生明显变形,提出了细颗粒运移比作为衡量细颗粒流失比例的评价指标。针对(1)层土体,开展了一系列极端不利水力条件下的渗流应力耦合潜蚀试验研究,重点探讨了颗粒级配、应力状态及细颗粒运移比对土骨架变形的影响规律。研究表明:所有试样潜蚀全过程的累计体积应变介于0.1%~0.49%,均小于1%,即(1)层土体中细颗粒大量甚至全部流失也不会诱发明显骨架变形,(1)层潜蚀诱发防渗墙开裂、折断,甚至突然溃坝的风险不大。颗粒级配显著影响细颗粒运移比、潜蚀临界和破坏坡降,5 mm以下颗粒含量越少,细颗粒运移比越大,潜蚀临界和破坏坡降越小;上覆压力对细颗粒运移比影响不大,但对潜蚀临界和破坏坡降影响显著,上覆压力越大,潜蚀临界和破坏坡降越大。研究成果为科学评价泸定水电站深部渗透稳定提供了重要依据,同时,也为其他类似工程安全评价提供了重要借鉴。

关键词：深厚覆盖层潜蚀细颗粒运移骨架变形

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水电工程深厚覆盖层地基防渗设计与潜蚀问题

水力发电 2024年第6期50卷 49-54页

作者：孙保平刘超金伟李帅王刚水电水利规划设计总院北京100120 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072 重庆大学土木工程学院重庆400045

我国西部一些水电站的坝址存在超深厚覆盖层,给工程的渗流控制和设计带来巨大的困难。垂直防渗墙是深厚覆盖层地基渗流控制最常用的措施。通过回顾泸定水电站深厚覆盖层悬挂式防渗墙地基异常渗漏治理的案例,指出对于西部河流中广泛存在... 详细信息

我国西部一些水电站的坝址存在超深厚覆盖层,给工程的渗流控制和设计带来巨大的困难。垂直防渗墙是深厚覆盖层地基渗流控制最常用的措施。通过回顾泸定水电站深厚覆盖层悬挂式防渗墙地基异常渗漏治理的案例,指出对于西部河流中广泛存在的不稳定砂砾石地层,在关注渗流出口保护的同时,还应重视地基内部高流速和高水力梯度区域的潜蚀风险。为定量评价砂砾石地基内部潜蚀及其导致的后果,应开展深厚覆盖层内部稳定性评价准则、高上覆压力下砂砾石潜蚀试验技术、潜蚀数值模拟方法及潜蚀本构模型等关键技术问题的研究。

关键词：深厚覆盖层防渗潜蚀渗透破坏水电工程

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深厚覆盖层地基潜蚀研究综述

岩土力学 2022年第11期43卷 3094-3106页

作者：罗玉龙张兴杰张海彬盛金昌詹美礼王惠民何淑媛河海大学水利水电学院江苏南京210098 江西省水利科学研究院江西省水工安全工程技术研究中心江西南昌330029

潜蚀是深厚覆盖层渗透稳定性问题中比较主要和突出的一种表现型式,开展深厚覆盖层潜蚀问题的相关试验及理论研究,对于保障中国已建、待建重大水电工程的安全均具有重要的理论和实际意义。首先,区分了潜蚀与向后侵蚀管涌,指出潜蚀与向后... 详细信息

潜蚀是深厚覆盖层渗透稳定性问题中比较主要和突出的一种表现型式,开展深厚覆盖层潜蚀问题的相关试验及理论研究,对于保障中国已建、待建重大水电工程的安全均具有重要的理论和实际意义。首先,区分了潜蚀与向后侵蚀管涌,指出潜蚀与向后侵蚀管涌的发生机制完全不同,两者不能混淆在一起。与向后侵蚀管涌相比,潜蚀更具隐蔽性,其发生发展机制更加复杂。其次,从潜蚀发生的几何条件、水力条件及潜蚀数学模型等3个方面详细梳理总结了潜蚀研究的相关进展。最后,结合雅鲁藏布江下游水电开发等国家重大工程,提出未来应着重加强对原状覆盖层土体内部稳定性评价,对极端条件、复杂渗流条件、复杂地层条件下潜蚀发生发展机制,潜蚀时间效应及其长期影响的评价和控制,对潜蚀本构关系及其数学模型等方面的试验及理论研究。

关键词：深厚覆盖层渗透稳定性潜蚀向后侵蚀管涌

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裂隙性黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验研究

水文地质工程地质 2023年第6期50卷 158-167页

作者：张卜平朱兴华孙恒飞蔡佳乐程茜长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室陕西西安710054

黄土台塬边缘裂隙性黄土中洞穴形成机理复杂,且与滑坡、崩塌等地质灾害的发生具有紧密联系,给塬边人民的生产生活造成严重威胁。针对裂隙性黄土中潜蚀洞穴如何形成这一科学问题,以陕西省泾阳县南塬地区典型黄土潜蚀洞穴为试验参考,利用... 详细信息

黄土台塬边缘裂隙性黄土中洞穴形成机理复杂,且与滑坡、崩塌等地质灾害的发生具有紧密联系,给塬边人民的生产生活造成严重威胁。针对裂隙性黄土中潜蚀洞穴如何形成这一科学问题,以陕西省泾阳县南塬地区典型黄土潜蚀洞穴为试验参考,利用可视化裂隙性黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验装置,开展了4组不同初始裂隙开度条件下黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验。研究表明:黄土裂隙在水流潜蚀下向黄土潜蚀洞穴的发展过程可分为水力侵蚀阶段、浸润淘蚀阶段和重力崩塌阶段;裂隙性黄土潜蚀洞穴的形成机理可概括为软化崩解-冲刷扩宽-淘蚀临空-重力崩塌;潜蚀输沙量和泥沙输运特征反映了裂隙性黄土渗流潜蚀的发展速率,可分为快速潜蚀阶段、波动降低阶段和缓慢稳定潜蚀阶段;裂隙开度、黄土可蚀性和极限凹槽深度是裂隙性黄土潜蚀洞穴形成的重要影响因子。研究成果对进一步揭示黄土潜蚀的致灾效应提供理论支撑。

关键词：裂隙性黄土潜蚀洞穴形成机理模型试验

泸定水电站坝基覆盖层深部潜蚀对土骨架变形影响评价试验研究

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岩土工程学报 2023年

作者：金伟邱子源张丹向雷杨林骏罗玉龙河海大学大禹学院河海大学水利水电学院中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司

泸定水电站因坝基覆盖层深部(1)层潜蚀诱发涌水险情，潜蚀过程中大量细颗粒持续流失能否诱发明显土骨架变形关系到电站自身、下游梯级电站及泸定县城的安全。土体颗粒级配、应力状态及细颗粒流失比例等均有可能影响土骨架变形，但其影... 详细信息

泸定水电站因坝基覆盖层深部(1)层潜蚀诱发涌水险情，潜蚀过程中大量细颗粒持续流失能否诱发明显土骨架变形关系到电站自身、下游梯级电站及泸定县城的安全。土体颗粒级配、应力状态及细颗粒流失比例等均有可能影响土骨架变形，但其影响机制尚不清楚。为全面评价(1)层潜蚀对土骨架变形的影响，自行研制了可以模拟现场(1)层土体原始级配特征和应力状态的高应力、大直径的土体渗透稳定试验装置，建立了土骨架发生明显变形的判据，即潜蚀过程中试样累计体积应变大于等于1%时，表明土骨架已发生明显变形，提出了细颗粒运移比作为衡量细颗粒流失比例的评价指标。针对(1)层土体，开展了一系列极端不利水力条件下的渗流应力耦合潜蚀试验研究，重点探讨了颗粒级配、应力状态及细颗粒运移比对土骨架变形的影响规律。研究表明：所有试样潜蚀全过程的累计体积应变介于0.1%～0.49%，均小于1%，即(1)层土体中细颗粒大量甚至全部流失也不会诱发明显骨架变形，(1)层潜蚀诱发防渗墙开裂、折断，甚至突然溃坝的风险不大。颗粒级配显著影响细颗粒运移比、潜蚀临界和破坏坡降，5mm以下颗粒含量越少，细颗粒运移比越大，潜蚀临界和破坏坡降越小；上覆压力对细颗粒运移比影响不大，但对潜蚀临界和破坏坡降影响显著，上覆压力越大，潜蚀临界和破坏坡降越大。本文的研究成果为科学评价泸定水电站深部渗透稳定提供了重要依据，同时，也为其他类似工程安全评价提供了重要借鉴。

关键词：深厚覆盖层潜蚀细颗粒运移骨架变形

初始细颗粒含量对内部不稳定土体潜蚀机制影响的可视化试验研究

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水电能源科学 2022年第4期40卷 137-140,111页

作者：张海彬罗玉龙谷敬云张兴杰王惠民盛金昌詹美礼河海大学水利水电学院江苏南京210098

鉴于当前对不同细颗粒含量条件下土体潜蚀过程中土体内部的颗粒运移行为及渗漏通道的形成过程等细观机制的认识尚不清楚,基于平面激光诱导荧光技术(PLIF)的潜蚀可视化试验装置,开展了5组不同初始细颗粒含量土体的潜蚀试验,并探讨了透明... 详细信息

鉴于当前对不同细颗粒含量条件下土体潜蚀过程中土体内部的颗粒运移行为及渗漏通道的形成过程等细观机制的认识尚不清楚,基于平面激光诱导荧光技术(PLIF)的潜蚀可视化试验装置,开展了5组不同初始细颗粒含量土体的潜蚀试验,并探讨了透明土与实际土试验结果的相似性问题。结果表明,细颗粒含量较大时,颗粒移动过程具有明显的倾向性,渗漏通道的形成先出现在下游出口,然后逐渐向其上游侧扩展,最终上下游完全贯通;细颗粒含量较少时,颗粒移动具有较强的随机性,整个试验过程中,均未出现明显的渗漏通道;当配制的透明土熔融石英砂颗粒的粒径为天然土颗粒粒径的4倍时,两者的渗透性比较接近,具有较好的相似性;实际工程中,应重视初始细颗粒含量较高的内部不稳定土体,此类土体一旦发生潜蚀,更容易诱发不均匀变形,威胁工程安全。

关键词：潜蚀可视化初始细颗粒含量细观机理渗透通道

土体潜蚀体变的细观机理研究——考虑颗粒应力贡献

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土体潜蚀体变的细观机理研究——考虑颗粒应力贡献

作者：平新雨河北大学

学位级别：硕士

潜蚀指的是土体中的细颗粒在渗流作用下穿过粗颗粒骨架的孔隙发生流失的现象,在岩土工程渗流灾变问题中十分常见,如堤坝的渗透失稳和宽级配弱固结边坡的降雨滑坡。细颗粒的流失导致土体的孔隙扩大、骨架稳定性减弱,进而可能诱发土体体... 详细信息

潜蚀指的是土体中的细颗粒在渗流作用下穿过粗颗粒骨架的孔隙发生流失的现象,在岩土工程渗流灾变问题中十分常见,如堤坝的渗透失稳和宽级配弱固结边坡的降雨滑坡。细颗粒的流失导致土体的孔隙扩大、骨架稳定性减弱,进而可能诱发土体体积变形。已有研究表明,潜蚀过程中,细颗粒承担应力(由颗粒应力表征)对细颗粒流失特征产生明显影响。然而,流失细颗粒承担的颗粒应力(简称,流失颗粒应力)是否会对潜蚀体变产生影响,这一问题尚不清晰,限制了对潜蚀体变致灾机理的认识和潜蚀体变过程的合理预测。为此,引入流失颗粒应力对土体宏观应力的贡献——颗粒应力贡献这一概念,基于离散元方法并结合颗粒去除法,模拟不同初始细颗粒含量、围压、相对密实度条件下,土体潜蚀过程中不同应力贡献的细颗粒发生流失及相应的试样体积变化。主要研究内容及结论分为如下两部分:(1)研究流失细颗粒的应力贡献对潜蚀体应变的影响规律。主要结论如下:ⅰ)潜蚀体应变εv随流失颗粒应力贡献Cσe的变化存在两种截然不同的模式——转捩模式与平稳模式。在转捩模式下,随着Cσe的增大,εv表现出先波动然后迅速增大的趋势;而在平稳模式下,在很小的Cσe情况下即产生极大地εv,且随着Cσe的增大,εv几乎维持恒定。ⅱ)“εv-Cσe”曲线的两种模式与初始细颗粒含量和颗粒流失量密切相关,并受到围压和相对密实度的影响。在相对较低的初始细颗粒含量和颗粒流失量条件下,“εv-Cσe”曲线表现为转捩模式。而当初始细颗粒含量FC=35%时,“εv-Cσe”曲线大多表现为平稳模式;不过,随着围压的升高,“εv-Cσe”曲线在细颗粒流失量相对较低时会表现出转捩模式。(2)引入承载力骨架概念——位于强力链上的颗粒组成的骨架,从承载力骨架稳定性的角度,揭示“εv-Cσe”曲线呈现两种变化模式的细观机制。主要结论如下:定义了承载力骨架内任一颗粒i的连通性Nc,i strong,即,该颗粒与骨架内其他颗粒的接触数量。Nc,i strong的分布特征是决定“εv-Cσe”曲线变化模式的关键。当超过50%的承载力骨架颗粒的Nc,i strong=2时,试样承载力骨架的抗扰动能力相对较差,因而“εv-Cσe”曲线易呈现出平稳模式。当超过50%的承载力骨架颗粒的Nc,i strong≥4时,试样承载力骨架的抗扰动稳定性相对较高,“εv-Cσe”曲线在密实状态易呈现出转捩模式,而在松散状态下呈现出转捩或平稳模式(取决于颗粒流失量)。

关键词：潜蚀细颗粒流失体应变颗粒应力贡献承载力骨架连通性离散元

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土石混合体潜蚀过程及模型

土石混合体潜蚀过程及模型

作者：冉芮绮四川农业大学

学位级别：硕士

土石混合体由粗颗粒(块石、砾石、砂)和细颗粒(粉粒、黏粒)组成,常见于自然界和工程中。粗颗粒构成土石混合体的骨架,填充于其间的细颗粒极易在渗流的作用下运移,发生潜蚀。潜蚀导致土石混合体的结构和力学性质发生改变,严重的会使土体... 详细信息

土石混合体由粗颗粒(块石、砾石、砂)和细颗粒(粉粒、黏粒)组成,常见于自然界和工程中。粗颗粒构成土石混合体的骨架,填充于其间的细颗粒极易在渗流的作用下运移,发生潜蚀。潜蚀导致土石混合体的结构和力学性质发生改变,严重的会使土体破坏,引发灾害。因此,揭示土石混合体的潜蚀机理,预测土石混合体潜蚀过程中重要参数的变化,对防治土石混合体潜蚀破坏导致的灾害有重要帮助。本文以土石混合体主要研究对象,采用了室内实验和数值分析的方法,研究了土石混合体的渗流特性和潜蚀过程,基于相关的土体渗流理论和颗粒运移临界判断条件,构建了土石混合体的潜蚀模型,并将潜蚀模型运用到边坡稳定性分析。主要研究内容和研究成果如下:(1)基于土石混合体的力学特性,构建了土石混合体潜蚀情况下颗粒运移的判据条件及土体级配计算方法,联立渗流控制方程和土水力特性方程,建立了可以量化分析潜蚀过程中各粒组质量变化,进而预测相关土体参数变化的土石混合体渗流-潜蚀耦合分析模型;(2)设计了四种粗颗粒含量不同的试样进行了土柱一维渗流-潜蚀实验,对实验过程发生的潜蚀现象进行了观察,并且对实验进行了采样分析,实验结果如下:结果表明,入水端压力水头高度与细颗粒流失数量呈非线性关系,随着入水端压力水头的增大,土体中的细颗粒会持续迁移甚至流出土柱,但是单位时间内流出量会逐渐减小;累计的粒组质量减少的总和是增加的,但是增加的速率会逐渐减小直至为零;通过观察实验过程中的潜蚀现象,发现当粗颗粒占比为70%和80%时,土体不会发生明显的潜蚀现象,当粗颗粒占比为48%和52%时才会发生明显且剧烈的潜蚀现象;(3)结合已有资料中的两组实验对模型中的土体级配变化这项参数进行了对比分析,发现计算值和实验值吻合性较好,同时为了进一步验证模型的可靠性,自行开展了四组渗流-潜蚀实验,获得了土柱的孔隙率变化数据和湿润锋随实验时间变化的数据,通过模型的计算分析,发现计算结果和实验数据的吻合性也比较好,已有资料和自行开展的实验结果均证明了潜蚀模型的合理性;(4)结合已建立的潜蚀模型和极限边坡理论,对降雨入渗情况下的边坡稳定性进行了分析,结果表明:潜蚀主要发生在湿润锋以上,潜蚀加速了水的下渗速度,导致安全系数相比于单一渗流状态下更小,使边坡更易达到失稳状态。

关键词：临界条件土石混合体潜蚀耦合数值模拟