浅谈筑坝土料的水利工程性质

  本文关键词：筑坝土料的水利工程性质研究，由笔耕文化传播整理发布。

　　摘 要：在水利工程的建设中，筑坝土料的应用越来越广泛，但在实际应用当中也存在着一定的问题，所以对筑坝土料的水利工程性质研究成为意义重大的一个课题，作者根据多年的经验总结，对筑坝土料的水利工程性质进行了初步的分析，与水利工作者共同探讨研究。
　　关键词：筑坝土料；水利工程；性质
　　本文对筑坝土料的水利工程性质进行初步的分析，以期与水利工作者共同提高认识，有效节约资金，促进水利工程发展。本文主要从以下三个方面对其性质进行分析：土的最大干密度，抗拉强度以及水力学性质。
　　一、土的最大干密度
　　土体的干密度越大，密实度越高，建筑工程的安全性越高。筑坝土体的密实度一般采用以下两种表示方法：对于粘性较高的土体的常采用压实系数法，而对于粘性较低的土体则用相对密度法表示。水的最大干密度是指非饱和粘性土体在被压实到干密度最大时的密度。
　　1. 土体干密度的主要影响因素。土体干密度的影响因素包括土体的种类、含水率、土体颗粒的大小以及压实度等。其中，土体含水率与压实功是对其影响最大的两个因素。一般来说，压实度越大，土的干密度越大。在击实度一定的情况下，土的干密度与含水率之间呈现正态分布的关系，峰值含水率即为最优含水率。水利施工实际含水率越接近最优含水率，工程的经济性越高。
　　2. 土体含水率对干密度的控制作用。水利建设一般都采用非饱和粘性土，在击实的过程中，土体内的气体会排出，土的体积会减小。当土体内的气体全部被排除后，土体颗粒就基本没有压缩性，这种情况下，在增大击实功也不会增加土的干密度。土体在压实后转变为百合粘性土。土体的含水状态是不能通过肉眼判断的，需要通过检测仪及干密度测定仪进行测定，然后通过计算饱和度计算筑坝土体的饱和程度。
　　3. 击实试验。击实试验是目前测定土体最大干密度有效且简便的方法。该试验作为最基础的土力学实验。一般击实试验需要取至少五个点来绘制击实曲线，找到峰值点，进而找到最优干密度点。最优含水率是准确测定采用静压脱湿试验。
　　二、土的抗拉强度
　　土的抗拉强度是分析土坝抗裂程度的重要力学指标。尤其近年来高土石坝等抗裂要求非常高的建筑物的建设，要求必须考虑土体的抗压强度，否则会造成很大的损失和浪费。土体的抗压试验一般分为：直接拉伸试验和间接拉伸试验。直接拉伸试验包括三轴拉伸试验与单轴拉伸试验。单轴拉伸试验是通过对试样施加无侧向拉应力来测得土体试样的抗拉强度。三轴拉伸试验是将剪切三轴仪进行改装，在固定侧压力的情况下，通过减小轴向压力来测得抗拉强度试验方法。
　　一般来说，在非饱和粘性土中较易发生拉伸破坏。筑坝土料的抗拉强度与土体的物理参数有很大关系。试验表明：土体的含水率越小，干密度越大，其抗拉强度越大。此外，拉伸强度还与试验的速率有关系。一般来说，试验速率越快，土的抗拉强度越大。
　　三、土体的水力学性质
　　大坝等水利工程建设的主要目的是防水。如果土体的渗透性太大，则大坝的工程质量就会受到很大影响。一旦大坝形成的水力渗透大于土体的渗透性，则会导致大坝变形而使大坝被破坏，对下游人民财产安全造成损害。
　　1. 粗粒土的渗透系数。粗粒土的渗透系数是土体重要的水力学性质，反映土体与流动水体的相互作用关系。土的渗透系数与土的结构、组成及水的物性有关。粗粒土的渗透系数是渗透分析常用的物性参数，是保证渗透稳定的关键因素。近些年，计算机软件技术快速发展，涌现出各种渗透系数的计算模型。合理的选择计算参数及计算模型，使计算结果尽可能接近实际情况，这是保证水利工程建设施工安全的重要因素。粗粒土的渗透参数若选取不当，大坝极易在水力坡作用下发生损坏，使国家和人民的生命财产受到不必要的损失。
　　法国水力学家达西首先通过对渗透试验的研究，提出水在土体的渗透速度与水力坡降成正比关系的规律。该规律是现在普遍应用的达西定律：关系式如下：
　　V=KJ
　　式中：V=渗透速度（cm/s）； K=渗透系数（cm/s）； J =渗透水力坡降J=（H1-H2）/L
　　式中： J=渗透坡降 ； L=渗透路径（cm）；
　　H1 =上游水头值（cm）； H2=下游水头值（cm）
　　渗透系数是重要的水力学参数，反映土体空隙的大小、连通性等孔隙性质。
　　此外，土体的渗透性还与孔隙比有关。一般情况下，对同一土体或者物理性质相差不大的土体，渗透系数随孔隙比的增大而增大。对于物理性质相差很大的土体，则渗透系数随孔隙比的变化关系不确定。例如，粗粒土与粘土颗粒粒径差异较大，在同样压实条件的情况下，粗粒土的孔隙比小于粘性土的孔隙比，但是，粗粒土的渗透系数远远大于粘性土的渗透系数。出现这种情况的原因是二者颗粒的组成不同，粗粒土空隙的数量相对较少，但是连通性好，空隙空间大，水在土体中渗透时所受的阻力较小，所需绕流路径较短，水流速度较快。因此，水体颗粒组成比孔隙比对渗透系数的影响更大。
　　2. 粗粒土的渗透变形性。粗粒土的渗透变形性是粗粒土的另一个重要性质。渗透变形会对大坝等土体造成损害，，危害人民的利益。对粗粒土的渗透变形性进行研究，对水利工程的设计及施工具有重要意义。渗透稳定性对大坝的安全具有极为重要的意义。渗透破坏一般表现为四种形式：流土、管涌、流失、冲刷。对于筑坝土料的水利工程建设，一般选用密实度较高的土体经压实而成，一般发生的渗透破坏都是流土破坏。流土破坏坡降的系数选取与其紧密相关，它的取值是一个很大的范围，选取合适的计算模型，通过计算机软件模拟进行选择。
　　3.土体的裂缝冲刷变形。土体的裂缝冲刷变形是土体发生渗透变形的特殊形式。粘土与砾质土是目前筑坝土料的常用材料，二者粒径相差很大，所表现的水力学特征相差也很大，砾质土较易产生渗透问题，有时出现渗透裂缝，而粘性土具有很大是收缩性能，会导致大坝出现收缩裂缝，严重危害坝体的安全。统计显示，我国约有38%以上大坝事故是由于渗透导致裂缝。大坝土体的反渗透性能一般通过裂缝冲刷实验进行探讨。土体若在反渗透料的保护下，在水利冲刷时会表现出自愈性能。因此，国内外在大坝土料水利工程建设中普遍采用反渗料保护法。试验证实：砾质土与粘性土在有反滤层保护的情况下都会产生次生反滤层。
　　四、结束语
　　筑坝土料的水利工程性质研究对水利工程科研发展具有重要意义。通过对该性质的研究，可以有效提高筑坝土体的安全性，节约资金，提高工程建设的经济性，对水利工程的发展以及社会的进步具有重要意义。
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