筑坝土料之水利工程特性研究

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第一章 文献综述

1.1 研究背景
新中国成立至今已有六十余年的历史，经过这六十余年的发展，中国在政治、经济、科技、文化等各方面都已经取得了翻天覆地的历史性变化，特别是改革开放后，国民生产总值从 1978 年的 3645.2 亿元增长到了 2008 年的 30.067 万亿元，增长了八十多倍，综合国力跃居世界第三位，人民生活水平不断改善和提高，人均国民收入已跨入了中等发达国家水平。不过也应当看到，由于我国人口多，底子薄，在经济、科技、文化的发展程度上与发达国家相比还存在较大差距，城乡二元经济结构的矛盾在日益加剧，东西差距也有扩大的趋势。为了改变中国这种不协调的经济结构，党中央在本世纪之初提出了西部大开发战略，西部大开发是扩大国内有效需求，实现国民经济持续快速增长的重要途径和战略举措，根本目的是要改变目前中国社会经济上的二元结构，缩小城乡差距，东西差别，建立和谐中国社会，实现中华民族的伟大复兴。在西部大开发战略中，水电开发是其中的重要组成部分，我国西部地区地势高差较大，蕴藏有大量的水利水能资源，而且具有极大的开发潜力，我国水能资源居世界首位，其中大部分集中在四川、贵州、云南、广西、甘肃和青海等西部省区，水能资源总量占全国水能资源的 70%以上。但由于受资金和市场等条件的制约，我国水能资源的开发利用率还不高，特别是西部地区潜力巨大。
随着三峡水利水电工程的建成，我国水能资源开发量有了大幅提升，截至 2008 年底，中国水电总装机容量虽已达到 1.72 亿千瓦，已成为世界上最大的水力发电国家，但我国水能资源理论蕴藏量为 6.76 亿千瓦，其中可开发量 3.78 亿千瓦，目前已开发量只占全部可开发装机总容量的 45%左右，还有许多开发条件很好的水电资源需尽快开发。水电是可再生的清洁能源，经济发达国家大都把水电发展放在能源开发的优先位置，我国目前还有 55%的水电资源可以开发利用，同时东部发达地区工业发展较快，电力资源短缺，有极大的需求市场，水电资源这种对环境无污染的天然可再生能源具有广阔的市场前景，应当及时充分利用，因而国家提出了优先发展水电能源建设的战略举措。作为一名水利水电科学研究工作者，应当积极响应，为祖国的水利水电事业贡献力所能及的力量。

1.2 研究目的和意义
水利水电工程建设中，土是运用最多的建筑材料，同时也是工程建筑物不可回避的地质环境，可以说，土是大自然赐予人类最好的天然礼物。水利水电工程中的挡水建筑物─大坝，绝大多数是由各种土料堆积碾压而成的，在水泥发明以前，可以说土是大坝建设唯一的建筑材料，即便是混凝土坝也会用到大量的粗颗粒砂石料作为混凝土骨料。岩石出露地表，在物理、化学、生物等单因素或多因素的共同作用下，形成了性质各异的众多土类，不同类型的土会存在其相应的工程特性，不同的工程建筑物中，对土的性质的利用也会不同。为了更加全面深入的认识不同天然土的水利工程性质，使土这种天然建筑材料在工程建设中充分发挥其不同特性，对水利工程建设用土进行理论和试验研究是一项认识和改造自然的基础课题。土的研究属于岩土工程研究范畴，我国岩土工程科学在世界上起步较晚，许多研究还不很成熟，而在水利水电岩土工程中的用土，除了承受普通的垂向荷载外，常常还会承受水的水平荷载或动荷载，因此对土的要求更高。建国初期，由于对土的水利水电工程性质认识不够全面和深入，所建大坝存在许多设计和施工问题，有 60％左右的中小型土石坝处于病险状态。而在目前的建坝过程中，虽考虑到大坝作用的重要性和特殊性，但设计又过度保守，存在极大的浪费现象，这给国家和人民造成了不应有的经济负担和损失，加快岩土工程的研究步伐，提高对筑坝土料水利水电工程性质的认识，建设既安全可靠，又经济合理的水利水电工程，为国家节约资金，加快社会发展是水利水电工作者、岩土工作者肩负的历史使命。开展筑坝土料的水利水电工程性质的深入研究不仅可以丰富水利水电工程、岩土工程科学的学科理论，而且可以直接减轻国家在基础建设上的经济负担，因而具有十分重要的理论指导意义和现实生产意义。

1.3 研究历史与现状

1.3.1 研究历史
筑坝土料的水利工程性质研究是岩土工程科学研究发展的分支，，是在岩土工程实践与技术发展历史长河中形成的，也必将在这个过程中发展壮大，可以说，岩土工程研究的历史与土的水利工程性质研究历史是一致的。岩土工程国际著名的土力学家 B.BBroms 曾说过:“岩土工程的历史是非常令人激动的”(高大钊 2001)。岩土工程或岩土科学技术是随着人类的出现与发展不断获得进步的工程技术，岩土工程活动的历史可追溯到史前时期，它是人类赖以生存和发展的必要条件，是经过漫长的知识积累和升华的历史过程，具有现代意义的岩土工程学科至今还不到一百年的发展历史。岩土工程是一门综合性学科，是在许多其他学科先后发展了的基础上逐步融合而形成的，它的形成是一个学科综合与交叉的过程，在综合之中又衍生出一些新学科，因此，岩土工程科学包括基本学科和交叉学科两类，基本学科有土力学与基础工程学、岩石力学与工程和工程地质学三门主要学科，交叉学科有建筑工程学、矿山工程学、水利工程学等边缘学科，目前交叉学科还正在形成和发展。

第二章 土的工程分类与定名

2.1 概述
土的工程分类与定名是地基勘查、设计、施工的前提，是勘察、设计规范化的首要问题，也是对土进行系统研究的必要条件，土的定名与分类紧密相关。土的分类与定名历来各国不完全相同，同一国家的不同行业也存在差异，这使得不同国家和行业在交流中存在一定分歧，因此土的工程分类与定名成为了岩土工程界普遍关心的问题，是岩土工程标准化的基本内容之一。二十世纪初期，瑞典土壤学家阿太堡提出了土的粒组划分方法和土的液限、塑限的测定方法为近代土的分类系统形成奠定了基础。在二十世纪四十年代末五十年代初，土的工程分类已逐步走向成熟，八十年代到九十年代制定的一批规范发展和丰富了土的分类系统。五十多年来，我国岩土的分类体系经历了一个变化发展的过程，但到二十世纪末，我国的岩土分类尚未达到统一。新中国成立以前，由于我国经济和科技相对落后，谈不上对土进行系统的科学研究，就更谈不上对土进行科学的分类与定名。
建国初期，我国的经济科技建设主要依靠前苏联的帮助，因而各行各业对岩土的分类与定名主要采用前苏联的岩土分类体系。这个分类体系对粗粒土采用粒度成分分类法，对细粒土则采用塑性指数分类法，由于这个分类体系未达到标准统一，因此在我国形成了不同的分类标准。为了不同部门间的交流与合作，同时与国际接轨，国家各部委联合编写了一些国家标准，考虑到国外工程标准与我国自然条件相适应的问题，国外工程技术标准与我国技术经济政策相适应问题，以及国外工程技术标准与我国工程经验相适应问题，国家规范中保留了多种分类指标，同时为了发挥工程人员的能动性，便于科学研究的发展，规范中对其中的分类指标或量值有的采取浮动计量。总的来说，土的分类系统是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价相近土的相关工程性质或为工程师提供一个可采用的描述与评价土的方法。

第三章 土的最大干密度研究........... 36-60
    3.1 土的最大干密度有关问题简介........... 36-39
    3.2 含水率对粘性土的最大干密度控制...........39-44
    3.3 单点击实法击实试验研究........... 44-49
    3.4 超粒径粗粒土最大干密度试验研究........... 49-54
        3.4.1 概述........... 49-50
        3.4.2 剔除延伸法试验研究........... 50-54
        3.4.3 研究结论........... 54
    3.5 超粒径粗粒土的压实标准研究...........54-59
    3.6 本章小结...........59-60
第四章 土的水力学性质研究........... 60-80
    4.1 粗粒土的渗透系数规律研究........... 60-68
    4.2 粗粒土的渗透变形规律研究........... 68-73
    4.3 粘土与砾质土的裂缝冲刷试验........... 73-79
    4.4 本章小结 ...........79-80
第五章 非饱和粘土的剪切与拉伸强度........... 80-90
    5.1 概述........... 80
    5.2 非饱和土的抗拉强度研究现状........... 80-83
        5.2.1 直接拉伸试验........... 82
        5.2.2 间接拉伸试验........... 82-83
    5.3 非饱和粘性土的剪切与拉伸........... 83-89
5.4 本章小结........... 89-90

结论

通过对筑坝土料最大干密度、渗透系数、渗透变形、裂缝冲刷、抗拉强度等水利工程性质问题的专题研究，总结出以下结论。
（1）筑坝土料的最大干密度主要受击实功能和含水率两个因素的影响，在含水率一定的情况下，干密度随击实功能增大而增加，但增量逐渐减小。在击实功能一定的情况下，土体的干密度与含水率紧密相关，二者呈现出正态曲线关系，在某一适中含水率下土体干密度最大，即存在一个最优含水率和最大干密度。土体的最大干密度受含水率的限制，其最大干密度不会超过土体含水率下击实达到饱和状态所限制的干密度，在增大击实功条件下，土体的最优含水率会降低，最大干密度会增大，增大幅度同样受含水率对干密度的限制。
（2）通过剔除法逐步剔除粗粒土大粒径料，对剩余料进行了最大干密度试验的研究，分析了粗粒土最大干密度与剔除量、剩余量之间的关系，得出粗粒土最大干密度与剔除量、剩余量之间存在较强的线性相关规律。提出以此规律进行外推，从而间接求出超粒径粗粒土的最大干密度思想，由于试验数据误差的绝对性，外推中必然产生累积误差，根据不同情况，提出了减小试验结果外推累积误差的不同方法。根据超粒径粗粒土压实后密度仍呈不均匀性的特点，对压实过程中土的干密度变化情况分析，得出超粒径粗粒土压实过程是细料处于最后被压实，压实后各部分土体仍处于密度极不均匀的结论。提出以剔除巨粒组的细料最大干密度试验为标准，对施工压实质量进行细料最小干密度控制的观点。

参考文献
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