一种砂砾石土管涌侵蚀过程中渗透系数动态变化模型

摘要

本发明公开了一种砂砾石土管涌侵蚀过程中渗透系数动态变化模型，用于描述土体渗透性变化。该模型为：k/k

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程的技术领域，具体地涉及一种砂砾石土管涌侵 蚀过程中渗透系数动态变化模型，主要用于堤坝基础管涌侵蚀分析及管涌侵 蚀对堤坝安全性影响分析中对土体渗透性变化的描述。

背景技术

管涌型土体的粗颗粒构成土体骨架。而其细颗粒在渗透水流的作用下， 当水力条件超过颗粒移动的临界条件时，细颗粒移动流失，土体的渗透性增 大。堤坝基础中的管涌土在渗透水流作用下发生侵蚀后渗透性的变化，影响 堤坝基础的渗流场和坝基土体侵蚀过程。因此，需要一个描述砂砾石土管涌 侵蚀过程中渗透系数动态变化的模型，这对于堤坝基础管涌侵蚀分析及其对 堤坝应力变形与安全性的影响至关重要。

发明内容

本发明提供一种砂砾石土管涌侵蚀过程中渗透系数动态变化模型，描述 土体渗透性变化。

本发明的技术解决方案是：采用管涌型土体在泥沙侵蚀流失前后的特征 粒径和孔隙率的比值作为自变量来描述土体渗透性变化，模型为：

k/k₀＝[(φ′/φ₀)³(d′_p/d_p)²]^β

其中k为管涌动态发展过程中的渗透系数，k₀为初始渗透系数，φ′、d′_p分 别为管涌动态发展过程中土体的孔隙率、颗粒级配曲线上重量含量p％所对应 的颗粒粒径，φ、d_p分别为土体的初始孔隙率、初始颗粒级配曲线上重量含 量p％所对应的颗粒粒径，β为孔隙特征放大指数。

附图说明

图1示出了根据本发明的砂砾石土管涌侵蚀过程中渗透系数动态变化模 型中参数获得方法的流程图。

具体实施方式

这种砂砾石土管涌侵蚀过程中渗透系数动态变化模型，该模型为：

k/k₀＝[(φ′/φ₀)³(d′_p/d_p)²]^β

其中k为管涌动态发展过程中的渗透系数，k₀为初始渗透系数，φ′、d′_p分 别为管涌动态发展过程中土体的孔隙率、颗粒级配曲线上重量含量p％所对应 的颗粒粒径，φ、d_p分别为土体的初始孔隙率、初始颗粒级配曲线上重量含 量p％所对应的颗粒粒径，β为孔隙特征放大指数。

另外，所述颗粒级配曲线在初颗粒级配曲线的基础上，扣除已经流失的 泥沙颗粒含量计算得到，初始颗粒级配曲线根据相关规程对原始土料进行试 验来获取。

另外，所述土体的初始孔隙率是通过测定原始土料的颗粒的比重和原始 土料的干密度来获得的；管涌过程中的孔隙率，等于初始孔隙率加上单位体 积内已经流失的泥沙颗粒体积。

另外，采用p＝20，即d_p为初始颗粒级配曲线上重量含量p％所对应的颗 粒粒径，试验表明，能较好描述土体渗透性变化。

另外，参数β，需要进行土体的管涌试验测定。需要进行3组以上的管 涌试验。

首先，第一组试验，测定给定渗流(如垂直向上)方向时，测定渗透系 数、渗透坡降、时间关系。从较低的渗透坡降开始进行试验，测定渗透系数 与渗透坡降关系。提高渗透坡降，试样发生管涌后，记录渗流量与时间的关 系，当渗流量不再变化时，再提高渗透坡降，直到试样渗透破坏，或不再有 管涌发生为止。此时，停止试验，对试样进行颗粒级配分析试验，获得流失 的颗粒数量和级配情况。这组试验可以获得初始渗透系数，获得最大渗透系 数与最大流失量。

其次，根据第一组试验所得的最终渗透系数与初始渗透系数，选取至少 2个中间值，作为中间的渗透系数。作为第二组、和第三组试验中渗透系数 达到这个值就停止试验的参考标准。

再次，进行第而和第三组管涌试验。参照第一组试验进行，唯一的不同 就是当试样渗透系数达到或接近上述参考标准时，停止试验。对试样进行颗 粒级配分析。每组获得渗透系数与流失量的关系的一个点。

三组试验，共获得流失量为0时的试验点3个，取平均值算一个数据点， 不同流失量的试验数据点3个。利用这4个数据点，可以回归参数β。

另外，如图1所示，根据本发明的砂砾石土管涌侵蚀过程中渗透系数动 态变化模型中参数获得方法，包括以下步骤：

(1)进行原始土料的颗粒级配试验，获取颗粒级配曲线；

(2)测定土体颗粒的比重，可以依据原始土料的干密度计算出初始孔隙 率；

(3)进行土体的管涌试验，测定流失量与渗透系数的关系，从而回归得 到参数β。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限 制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变 化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。