一种保护内部不稳定土体的反滤层设计方法与流程 专利技术说明

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术1.本发明涉及水利水电工程的技术领域，具体涉及一种保护内部不稳定土体的反滤层设计方法。背景技术：2.作为心墙料，砾石土、冰渍土等宽级配土体已被广泛地应用到高心墙堆石坝中，这类土体有些是内部不稳定的，土体中的粗细料之间不能满足自滤条件，在渗流的作用下，细料可以在粗料形成的孔隙中自由移动，最终诱发潜蚀等渗透破坏，严重影响大坝安全。某坝和某坝都是用冰碛土建筑厚心墙的高土石坝，前者心墙上、下游面都设置了反滤层，后者心墙下游面设置了反滤层，反滤层的设计和施工均符合规范要求，但两座大坝心墙均出现了明显的渗透破坏现象，诱发了严重渗漏事故。以某坝为例，该坝坝顶出现塌坑，直径2m，深1.2m，清理下去5m进行探测，锤头自动下沉，毫无阻力，下沉深度达26m，表明心墙已淘空疏松。用声波探测器、雷达探测器、地震探测仪等手段探测，疏松层深达118.5m，心墙遭到严重破坏。事故原因分析认为：基于传统反滤准则设计的反滤层相对过粗，无法有效保护内部不稳定的冰渍土中的细颗粒流失。目前我国正在兴建或规划建设多个300m级的砾石土心墙堆石坝，研究建立适用于被保护土体为内部不稳定土体的反滤层设计方法具有重要的理论价值和实际应用意义。3.目前已有多个反滤准则，如针对颗粒比较均匀的被保护土提出的太沙基准则，其有效滤层需满足：d15/d85《5和和d15/d15》4。lafleur(1984)的试验发现：对于一些宽级配的被保护土体，即使反滤层满足d15/d85《4，反滤层仍是无效的。美国规范(nrcs 1994)规定：对于宽级配的被保护土体，d85应取颗粒粒径小于等于4.75mm部分的85％所对应的粒径。indraratna等(2007)针对宽级配被保护土，选取反滤层孔隙限制粒径dc35和被保护土体基于表面积的特征粒径d85sa等两个指标，建立了有效滤层的反滤判别准则：dc35/d85sa《1，但该方法仍然不适用于被保护土体为内部不稳定土体的情况。我国碾压式土石坝设计规范(sl274-2020)规定：有效反滤层需满足d15(或d′15)/d′85≤4，d15(或d′15)/d′15≥5，且要求对于含有大于5mm颗粒的被保护土，宜选取粒径小于等于5mm部分的颗粒级配进行设计，若这部分颗粒级配不连续，宜选取“台阶”起点的粒径以下部分的颗粒级配，当反滤层不均匀系数大于5～8时，应选用5mm以下颗粒部分确定d15，即d′15。d′85、d′15分别为被保护土粒径小于等于5mm(或“台阶”)部分颗粒级配质量百分含量85％和15％所对应的粒径。大量研究成果及实际工程案例均表明：已有反滤设计准则只适用于被保护土体为均匀土体的情况，不适用于宽级配内部不稳定土，因此，这方面的相关研究亟待加强。技术实现要素：4.本发明的主要目的在于提供一种保护内部不稳定土体的反滤层设计方法，解决上述背景技术中的问题。5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：反滤层的设计满足保土性要求和透水性要求，保土性要求和透水性要求的计算公式如下：6.保土性要求：d15/df85≤51透水性要求：d15/df15≥4～527.式中：d15为反滤层颗粒级配中质量百分含量15％所对应的颗粒粒径，df85、df15分别为被保护的内部不稳定土体中细颗粒部分质量百分含量85％和15％所对应的粒径；8.反滤层设计方法的步骤如下：9.s1、根据心墙料的颗粒级配曲线，评价心墙料的内部稳定性；10.s2、确定心墙料的粗细颗粒界限粒径；11.s3、根据界限粒径和心墙料的颗粒级配曲线，确定心墙料的df85、df15；12.s4、根据上述公式1与公式2，计算得出反滤层的特征粒径d15；13.s5、根据d15确定反滤层级配。14.优选的，心墙料的内部稳定性是通过心墙料中任意粒径d对应的质量百分含量f与心墙料中粒径d与4d之间的质量百分含量之差h进行评价；15.当0《f≤20％，(h/f)min《1，则该土体为内部不稳定土。16.优选的，对于缺乏中间级配土，当f≤40％时，级配曲线平台部分的最小粒径即为界限粒径；17.对于宽级配土，(h/f)min所对应的粒径为界限粒径，界限粒径以下颗粒为细颗粒部分。18.优选的，步骤s3中，df85与df15是界限粒径百分含量85％和15％所对应的粒径，从而通过颗粒级配曲线得出df85与df15对应的颗粒粒径。19.优选的，步骤s5中，反滤层设计需结合坝址区附近料场级配情况，综合确定反滤层颗粒级配。20.本发明提供了一种保护内部不稳定土体的反滤层设计方法，对于被保护土体为内部不稳定土体的情况，传统太沙基反滤准则和现行的碾压式土石坝设计规范均不能设计出有效的可靠的反滤层，本发明提出的设计方法具有较好的应用效果，同时，本发明提出的设计方法不仅适用于窄级配的反滤层，也适用于宽级配的反滤层。附图说明21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：22.图1是本发明流程图；23.图2是本发明心墙料颗粒级配曲线图；具体实施方式24.实施例125.如图1～2所示，一种保护内部不稳定土体的反滤层设计方法，反滤层的设计满足保土性要求和透水性要求，保土性要求和透水性要求的计算公式如下：26.保土性要求：d15/df85≤51透水性要求：d15/df15≥4～5227.式中：d15为反滤层颗粒级配中质量百分含量15％所对应的颗粒粒径，df85、df15分别为被保护的内部不稳定土体中细颗粒部分质量百分含量85％和15％所对应的粒径。28.要确定df85、df15，首先必须确定内部不稳定土体中粗细颗粒的界限粒径，经反复研究发现：采用wan和fell(2008)、li和fannin(2008)提出的方法确定界限粒径是比较科学的。29.具体方法如下：30.当f≤40％时，对于缺乏中间级配土，级配曲线平台部分的最小粒径即为界限粒径；31.对于宽级配土，(h/f)min所对应的粒径为界限粒径，界限粒径以下颗粒为细颗粒部分；32.其中，f为被保护的内部不稳定土体级配曲线中任意粒径d对应的质量百分含量，h为内部不稳定土体级配曲线中粒径d与4d之间的质量百分含量之差。33.反滤层设计方法的步骤如下：34.步骤一、根据心墙料的颗粒级配曲线和kenney和lau(1985)提出的内部不稳定土体的判别方法，评价心墙料的内部稳定性；35.当0《f≤20％，(h/f)min《1，则该土体为内部不稳定土，其中，f为心墙料中任意粒径d对应的质量百分含量，h为心墙料中粒径d与4d之间的质量百分含量之差。如果心墙料为内部不稳定土体，则采用本发明提出的方法进行设计，如果不是内部不稳定土，则按照现行规范设计其反滤层。36.步骤二、确定心墙料的粗细颗粒界限粒径；37.对于缺乏中间级配土，当f≤40％时，级配曲线平台部分的最小粒径即为界限粒径；38.对于宽级配土，(h/f)min所对应的粒径为界限粒径，界限粒径以下颗粒为细颗粒部分。39.步骤三、根据界限粒径和心墙料的颗粒级配曲线，确定心墙料的df85、df15；40.假设心墙料颗粒级配曲线中，界限粒径对应的质量百分含量为fd(单位％)，则质量百分含量fd*85％和fd*15％所对应的颗粒粒径分别为df85和df15，如图2所示。41.步骤四、根据上述公式1与公式2，计算得出反滤层的特征粒径d15。42.步骤五、根据d15确定反滤层级配；43.d15是指反滤层颗粒级配曲线中质量百分含量15％所对应的颗粒粒径。按照公式1和公式2确定了反滤层的d15，就可以按照我国现行的碾压式土石坝设计规范(sl274-2020)中规定的反滤层设计的其他一般要求，同时，结合坝址区附近料场级配情况，综合确定经济合理的反滤层颗粒级配。44.本发明的反滤层设计方法的改进如下：45.1、采用df85和df15替代d′85和d′15；规范中统一将5mm作为粗细颗粒的界限粒径，根本不考虑被保护土体颗粒级配曲线形态的差异性，这种处理方式对于内部稳定土体可能还是合适的，但对于内部不稳定土就不合适了，这样设计的反滤层就会过粗，根本无法满足反滤层的保土性要求。46.2、参考太沙基反滤准则，仅采用反滤层全级配的d15作为特征控制粒径，而不采用5mm以下颗粒部分的d′15代替d15。利用已有试验数据，尝试了d′15的应用效果，结果预测效果很差。47.3、将反滤层保土性和透水性阈值进行了微调，分别由现行规范的4上调至5、由5下调至4～5。48.本发明提出的反滤层设计方法可以应用到采用宽级配内部不稳定土体作为防渗心墙料的高心墙堆石坝的反滤层设计中，也可应用到高面板堆石坝垫层料与过渡料的设计等。49.实施例250.如表1所示：51.表1整理了已有文献共计28组的试验成果，分别给出了试验结果与本发明提出的设计方法、太沙基反滤准则、碾压式土石坝设计规范(sl274-2020)等预测结果的对比情况，表中被保护土体均为内部不稳定土，反滤层大部分为窄级配土，同时也有4个宽级配土，其不均匀系数介于3.1～32.8，最大32.8。52.从表1可以看出，本发明提出的设计方法的整体预测效果最好，总计有27个预测结果与试验结果一致，仅有1个与试验结果相反，预测正确率达到96％。碾压式土石坝设计规范(sl274-2020)的预测效果一般，总计有14个预测结果与试验结果一致，正确率50％；太沙基反滤准则的预测效果最差，仅有8个预测结果与试验结果一致，正确率仅为28.5％。53.由此可见，对于被保护土体为内部不稳定土体的情况，传统太沙基反滤准则和我国现行的碾压式土石坝设计规范(sl274-2020)均不能设计出有效的可靠的反滤层，而本发明提出的设计方法具有较好的应用效果，同时，本发明提出的设计方法不仅适用于窄级配的反滤层，也适用于宽级配的反滤层。[0054][0055]上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。









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