基于几何条件的土体渗透稳定性判定方法准则

　　摘要：人类对颗粒物质系统的研究由来已久,但由于过去的研究方法和计算手段的匮乏,力学家仅仅寻找到了颗粒物质系统破坏的宏观判据,并没有对破坏发生后颗粒物质系统力学运动行为加以研究和说明土体的渗透稳定性是指在渗流条件下宽级配土体内粗颗粒阻止细颗粒流失的能力，土体的渗透稳定性受几何条件、水力条件和物理条件的影响。本文从几何条件出发，通过对收集的167种土的室内渗透侵蚀试验结果的分析，基于对土体渗透稳定性控制变量地研究，将土分成良好级配土和间断级配土两大类；基于细粒（小于0.063mm）含量的不同，将每类土又细分为3类，针对不同细类土提出了不同的渗透稳定性几何判定准则。
　　关键词：土石坝；渗透稳定性；渗流；侵蚀；大坝安全
　　
　　土体的渗透稳定性是指渗流条件下级配较宽的土体内粗颗粒阻止细颗粒流失的能力。土体的渗透稳定性受几何条件（颗粒级配、颗粒形状、孔隙结构等）、水力条件（水力梯度、渗流方向等）和物理条件（压实度、黏聚力等）的影响，一旦细颗粒流失，整个土体的渗透性会增大，同时土体的抗剪强度也会降低。对土石坝来说，这一现象通常在坝体的局部位置发生，所以由于细粒的流失可能会导致坝体产生局部沉降或集中渗透，从而产生管涌，最终导致坝体的溃决。间断级配土料的渗透稳定性通常很差，据文献统计，土石坝约1/3以上是以渗透侵蚀的形式破坏，其中土料的渗透稳定性差是其中一个重要的原因。
　　几何条件是决定土料渗透稳定性的内因，本文收集了国内外167种土的室内渗透侵蚀实验数据，包括土体的物理力学参数，实验水力条件以及最终的试验结果，各土体的详细信息参见文献。试验土体的级配较宽，从黏土到碎石不等，多数试验采用向下或向上的渗流方式，尽管不同的试验采用的水力梯度不尽相同，但绝大多数试验采用的水力梯度都超过了计算的理论值，因此施加的水力梯度足够侵蚀土体内本身不稳定的部分。各个试验都采用相似的试验步骤，所以收集的试验资料具有可比性。
　　通过对收集土料的分析发现，其级配大体上分成良好级配和间断级配类两类。良好级配土和间断级配土的区别在于土体内各粒径的颗粒是否很好被反映出来，如土体中缺乏某一粒径或某几种粒径，或者某几种粒径颗粒的含量明显偏少，则为间断级配土，否则为良好级配土。文献指出，细粒（小于0.063mm）含量对土体的渗透稳定性影响较大，本文基于文献对心墙材料的划分规律，根据细粒含量将良好级配和间断级配的土分别细分为3类，良好级配土的分类为：①细粒含量小于10%，②细粒含量介于10%和20%之间，③细粒含量大于20%；对间断级配土的分类为：①细粒含量小于10%，②细粒含量介于10%和35%之间；③细粒含量大于35%。对于级配良好的土体，当细粒含量小于10%时土体的渗透稳定性主要受粗粒和中间粒径部分颗粒的影响，统计分析得出d90/d60和d20/d10控制这一类土体的渗透稳定性。当其比值大于1.05时土体的渗透稳定性较好，比值小于0.51时土体的渗透稳定性较差；当细粒含量介于10%～20%时，细粒的含量对土体的渗透稳定性有较大的影响，随着细粒含量的增加，土体趋于稳定。
　　当细粒含量增加到一定程度，土体的渗透稳定主要由细粒含量决定。细粒含量超过20%时所有的实验结果都是稳定的，这是由于随着细粒含量的增加，土体粗粒形成的孔隙易被细粒填满，孔隙的有效粒径减小。同时，细粒容易形成团状结构，抗渗透侵蚀能力增强，所以其渗透稳定性增强。
　　当细粒含量超过35%时，所有试验都是稳定的。此时土体的骨架是由细粒形成的，粗颗粒只能浮在细粒形成的骨架内。所以不存在细粒从粗粒孔隙间侵蚀的过程。同时，由于细粒含量较高，形成的孔隙的有效直径较小，渗透系数也相应降低。
　　又由于细粒之间的微观电化学力，使得其渗透稳定性大大增强。
　　基于理论推导，文献提出了判定土体渗透稳定性准则，这里以有详细孔隙率记录的文献]中的土体为例，对比文献与本文提出的渗透稳定性几何判定准则的适用性，共有25类土体的试验资料，其中15类土体试验结果为渗透稳定性较好，10类土体试验结果为渗透稳定性较差。基于文献的理论判定准则，其中15类渗透稳定性较好的土体中12类被准确地预测，10类渗透稳定性较差的土体中5类被判别为渗透稳定性较好。而采用本文提出的判定准则来判别，15类渗透稳定性较好的土体中12类被准确预测，且所有10类渗透稳定性较差的土体都被判定为渗透稳定性较差。
　　本文收集了167种土体的渗透侵蚀试验数据，首先将其分成两大类：良好级配土和间断级配土。
　　基于细粒（小于0.063mm）含量及渗透稳定性控制变量的不同，将每类又细分为3类。统计显示，当细粒含量超过一定量（良好级配土为20%和间断级配土为35%）时，土体的渗透稳定性很好；当细粒含量小于10%时，细粒含量对其渗透稳定性影响不大。对于细粒含量介于两者之间的土体（良好级配土为10%～20%；间断级配土为10%～35%），随着细粒含量的增加，土体的渗透稳定性趋于变好。

《基于几何条件的土体渗透稳定性判定方法准则》

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