第六章堤坝管涌和接触冲刷破坏机理

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1、第六章堤坝管涌和接触冲刷破坏机理第六章堤坝管涌和接触冲刷破坏机理§6.1无粘性土的渗透破坏6.1.1无粘性土的渗透系数的确定无粘性土的渗透系数的确定有实验和计算两种方法。渗透系数的计算是岩土工程问题中的一项重要的研究课题，因为它不仅可以给出工程实用的计算方法，而且可以揭示渗透系数的物理意义，以及影响渗透系数的各个影响因素，如孔隙直径，等效粒径等。因此半个世纪以来，许多研究者投入了这方面的研究工作，采用实验和经验相结合的方法，取得了一定成绩[1]。达西定律中的渗透系数，最初只是实验确定的经验参数，多年来，许多学者采用量纲分析、毛细模型、水力半径、

2、孔隙平均直径模型和统计模型理论来推导，阐明其物理意义。孔隙平均直径法是以v'?gR8?2—毛细管中实际的平均流Jh（v′速；?—液体的运动粘滞系数；g—重力加速度；R—毛细管半径；Jh—毛细管中实际的水力坡降）为基础，采用土体孔隙平均直径代替毛细管半径的方法[1]。对于均匀土可直接使用如下模型简化[1]：（1）将均匀土视为颗粒大小相等的球体；（2）将均匀土的孔隙通道看作一束束平行的毛细管道。在理想模型的基础上进一步假设：（3）假想体的毛细管道的孔隙体积等于理想体的孔隙体积（4）假想体的毛细管道的管壁总表面积等于理想体即球体的总表面积。由

3、此可求得孔隙平均直径D0[1]：D0?2n3?(1?n)d(6.1)式中：α—颗粒形状修正系数，为土颗粒表面积与同体积球体表面积之比；n—土的孔隙率；d—均匀土颗粒直径。式(6.1)是将均匀土转化为假想土体的数学模型。对均匀土，n的变化范围约在0.3～0.45之间，α的变化范围在1.5～1.0，带入可得平均孔隙直径[1]：D0?(0.2?0.3)d?0.25d(6.2)对于无粘性天然土（不均匀土）孔隙平均直径，一般采用D0?d20。按照毛细管中层流公式v'?gR8?2Jh，渗透系数可表示为K10?AD0，于是计算渗透系数2时许多学者给出

4、了计算孔隙平均直径的公式[1]：（1）哈增（A.Hazen）D0?Bd10（B=0.21～0.25）(6.3)（2）康德拉且夫（B.н.конпратбев）d0?0.214?d50(6.4)73（3）柯森（Kozeny）D0?0.4n1?nd?(6.5)（4）水利水电科学研究院D0?0.63nd20(6.6)由此可见，对于均匀无粘性土，各学者所给出的孔隙平均直径，都具有大致相同的数值。对于无粘性土的渗透系数的确定也有不同的表达式[1]：K?0.0031n3g（1）水利水电科学研究院3?2d202(6.7)K10?234bnd202（2）哈增（

5、A.Hazen）K?Cd10(6.8)（3）扎乌叶布公式K10?C（4）康德拉且夫n32(1?n)d?(6.9)2K10?105n(?D50)2??DnD100?n(6.10)上式表明，决定无粘性土渗透系数的主要因素是颗粒组成和孔隙率，其中颗粒组成可以以等效粒径来表示[1]。6.1.2无粘性土颗粒组成的类型与分类颗粒组成是研究无粘性土基本特性的主要依据，通常以各粒径含量的累积曲线或分布曲线来表示。无粘性土分为均匀土和不均匀土两类，它们的颗粒组成曲线有明显的区别。前者分布曲线只有单峰一种形式，各粒径级都有一定的含量，而且峰值粒径的含量占绝对优势，

6、并且峰值粒径、中值粒径及d50无明显差别。不均匀土的颗粒分布曲线多呈两种形式，第一种形式为单峰，但与均匀土不同，其峰值远偏离中值，而且多呈左偏峰。不过有时也出现双峰，但右峰较低，两峰之间的曲线仍连续，谷点粒径的含量至少有4%～5%。累积曲线的特点，表现为曲线的坡度无明显平缓段。第二种形式的分布曲线明显呈双峰，双峰之间有的曲线有间断点，有的虽然连接，但最低点的粒径含量小于或等于3%，累积曲线的形状明显呈椅子形。这种土称为级配不连续土，也称缺乏中间粒径土[1]。在自然界中，不均匀土的颗粒组成呈级配不连续型，而且主要出现在河流的中、上游，这是多沙河流

7、中水流的携带能力随时期的不同而造成的，丰水期河道只能沉积粗颗粒土，枯水期主要沉积细颗粒土，加之一般河流的特性多为在汛期猛涨猛落，中间粒径多被分选。不均匀土的区分原则和方法[1]：在土力学中将均匀土列为级配不良的土。该土压密性差，孔隙率大，稳定性不好。太沙基指出，d10<0.1mm，不均匀系数Cu<5的砂土最不稳定。从渗透稳定的角度讲，均匀土是指各个颗粒间相互制约，渗透破坏只有一种形式，即流土。均匀土的确定标准，至今尚未统一。有的国家以不均匀系数小于5的土叫均匀土，而日本以不均匀系数小于10的土为均匀土。大量实验资料表明，在自然界的无

8、粘性土中，当不均匀系数小于10时，颗粒级配多是呈正态分布的形式，渗透破坏只有流土一种形式，所以B.C.依斯托美娜以不均匀系数小于10作为区74分标准。