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本文以山西柳林段黄河河床自然堆积砂卵石介质为研究对象,进行了河床原状砂卵石介质、同径砂卵石介质和不同级配砂卵石介质的给水度的系列试验,分析了不同级配砂卵石介质的给水度变化特性、影响因素;探索了砂卵石介质的给水度与粒径特征参数之间的关系;建立了给水度的线性模型、非线性模型和BP神经网络模型。本文研究结果表明:
黄河滩地自然堆积砂卵石介质不均匀系数高达156,占到总量21.52%的粒径≤1mm的粒径组不仅起到填充大、中颗粒形成的孔隙的作用,还参与了砂卵石介质土粒骨架的构建,对于黄河砂卵石介质给水度有巨大影响,导致其给水度仅为0.04。剔除≥90mm和≤1mm的砂卵石介质的给水度比自然级配砂卵石介质的给水度明显增大,达0.16左右,增大了4倍。
同径的砂卵石介质的给水度随着砂卵石介质粒径组平均粒径的增大而增大,当平均粒径≤10mm时,随着平均粒径的增加给水度增长较快,当平均粒径≥10mm后,随着粒径的增加给水度表现出缓慢增长趋势,给水度μ与平均粒径d间的关系较好地符合对数关系。
砂卵石介质的级配对给水度有着明显的影响。影响饱和砂卵石介质给水度的粒径特征指标有不均匀系数Cu、曲率系数Cc、有效粒径d10、限制粒径d60和粒径d30。当砂卵石介质d10在0.03~1.00cm之间、d30在0.20~0.50cm之间、d60在1.66~5.00cm之间、Cc在0.245~30.00之间、Cu在2.638~133.33之间变化时,最小给水度为0.047,最大值0.294,最大值是最小值的6倍。
对于某一给定的不均匀系数,随着曲率系数的增大给水度也增大。
由某单一特征粒径指标无法表征不同级配条件下给水度的定量关系,而由反映两个特征粒径指标的曲率系数Cc和不均匀系数Cu可以较好地表征其与给水度间点群关系,其间存在密切的二次多项式相关关系。给水度随不均匀系数的增大先减小后增大。即在一定范围内给水度随不均匀系数的增大而减小,当不均匀系数大于某值后,又随不均匀系数的增大而增大。不均匀系数Cu与给水度的相关关系要好于与曲率系数Cc的关系,同时具有应用的方便性,用不均匀系数Cu与给水度的相关关系对给水度进行预测可行,且具有较高精度。
砂卵石介质中,给水度随着大、中颗粒粒径的增大而增大,当小颗粒粒径由小变大时,给水度可能增大也可能减小。对于形成砂卵石介质最小孔隙的小颗粒介质来说,数量和粒径共同决定了其对大颗粒孔隙的填充度,从而引起给水度随着小颗粒粒径变化的不确定性。
砂卵石介质容重对给水度的影响也是明显的,对于级配相同的饱和砂卵石介质,容重越大,砂卵石介质的孔隙率越小,给水度也越小。
用砂卵石介质粒径特征指标模拟的给水度的线性模型、非线性模型和BP神经网络模型都是可行的。经过各模型输入变量和误差等条件的比较,确定BP神经网络模型为最佳的饱和砂卵石介质给水度预报模型。
本文就通过砂卵石介质特征粒径参数等物理指标预测其给水度展开了深入的试验和分析,对通过砂卵石介质粒径特征指标测定其给水度有重要的理论意义和实际价值。