水利堤壩工程中滲透參數(shù)的選取及滲流計(jì)算方法評(píng)價(jià)

水利堤壩工程中滲透參數(shù)的選取及滲流計(jì)算方法評(píng)價(jià)水利堤壩工程中滲透參數(shù)的選取及滲流計(jì)算方法評(píng)價(jià)摘要：滲流是引起涉水工程破壞的重要原因，因此滲流計(jì)算是水利水電工程涉水工程設(shè)計(jì)中不可或缺的步驟。滲透參數(shù)的選取與滲流方法的選擇，直接影響對工程滲流穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。本文結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，就水利水電工程設(shè)計(jì)中滲透參數(shù)的選取與滲流計(jì)算的幾種方法進(jìn)行了初步的分析，并總結(jié)出滲流計(jì)算注意的一些問題，提高了計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，對進(jìn)一步采取防滲措施提供參考。關(guān)鍵詞：水利工程滲流計(jì)算堤壩設(shè)計(jì)引言堤防工程的設(shè)計(jì)與施工準(zhǔn)則要求保證堤防建筑物能抵御洪水的威脅。由于堤防大多沿天然河岸修建，因此，堤防基礎(chǔ)的滲透穩(wěn)定問題普遍存在。本文主要針對堤防滲流參數(shù)的選用并對滲流計(jì)算方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。1、滲流計(jì)算目的（1）壩體（堤身）浸潤線的位置。（2）滲透壓力、水力坡降和流速。（3）通過壩體（堤身）或堤基的滲流量。（4）壩體（堤身）整體和局部滲流穩(wěn)定性分析。2、計(jì)算工況及滲透系數(shù)的選用巖土工程參數(shù)的選用需要根據(jù)滿足給定保證率時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)方法選用。不同工況需要選用不同的參數(shù)，否則就無法滿足工程設(shè)計(jì)所需要的保證率。常規(guī)堤防工程常規(guī)的堤防工程計(jì)算提出了三種水位組合，此三種水位組合的滲流計(jì)算目的及相應(yīng)土體的滲透系數(shù)選取原則主要為：（1）臨水側(cè)為高水位，背水坡為相應(yīng)水位。本組合的計(jì)算目的：①計(jì)算背水坡可能最高的逸出點(diǎn)位置、背水坡逸出段及背水坡基礎(chǔ)表面出逸比降，用于背水坡滲流安全復(fù)核、反濾層及排水設(shè)施設(shè)計(jì)；②背水坡面可能最高的浸潤線，用于背水邊坡穩(wěn)定計(jì)算；③當(dāng)?shù)躺?、堤基土的滲透系數(shù)大于10-3cm/s時(shí)，計(jì)算滲流量，用于分析防滲措施對本工程運(yùn)行要求的可行性和背水坡排水設(shè)施設(shè)計(jì)（對于大壩均要求進(jìn)行滲流量計(jì)算）。對上述第①、②種計(jì)算目的工況，堤身、堤基的滲透系數(shù)則取小值平均值，對第③種計(jì)算目的工況則取大值平均值。（2）臨水側(cè)為高水位，背水坡為低水位或無水。本組合的計(jì)算目的：①背水坡面可能最高的浸潤線，用于背水坡邊坡穩(wěn)定計(jì)算，相應(yīng)各土體的滲透系數(shù)取小值平均值；②復(fù)核局部滲流穩(wěn)定及進(jìn)行反濾層設(shè)計(jì)，則進(jìn)行局部滲流穩(wěn)定性復(fù)核土體的滲透系數(shù)取小值，其上、下部位土體的滲透系數(shù)取大值平均值。（3）洪水降落時(shí)對臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定最不利的情況。當(dāng)臨水坡面可能最高浸潤線時(shí)，臨水坡穩(wěn)定計(jì)算最不利，所以計(jì)算工況下的土體滲透系數(shù)應(yīng)取小值平均值。特殊項(xiàng)目對一些特殊的項(xiàng)目，必要時(shí)還應(yīng)考慮以下計(jì)算工況或因素。（1）工程中蓄水過快的情況。在工程蓄水使水位上升過快時(shí)，對下游壩坡穩(wěn)定也是不利的，特別是初次蓄水時(shí)。因?yàn)樗簧仙?，浸潤飽和土的過程又很長，特別是透水性小的粘性土，造成浸潤線很陡，此時(shí)上下土層的飽和性不一致，且浸潤前峰滲透坡降很大，將導(dǎo)致不均勻沉降，從而產(chǎn)生裂隙而滑坡。（2）降雨飽和堤壩岸坡。降雨飽和堤壩岸坡的穩(wěn)定與臨水側(cè)水位驟降情況是相類似的，是由于大氣降水及河岸地下水的補(bǔ)給造成較高的孔隙水壓力的結(jié)果，尤其在基礎(chǔ)中存在承壓水或排水不暢時(shí)最為嚴(yán)重。（3）堆筑期間的孔隙水壓力。施工期孔隙水壓力的問題，一種情況是在軟粘性土的飽和地基上筑堤（壩），由于填筑速度較快，上部荷重所引起的超孔隙水壓力來不及消散，因而在剪應(yīng)力不斷增加下，有效應(yīng)力增加較緩，其穩(wěn)定性大減從而引起滑坡；另一種情況是由于填筑土料本身含水量過大，在堤（壩）本身引起孔隙水壓力增加，從而發(fā)生滑坡。對超孔隙水壓力的說明。孔隙水壓力的一般公式為u=yh,可理解為計(jì)算點(diǎn)水頭超出自由面的水頭大小。但從上述降雨飽和堤壩岸坡以及堆筑期間的孔隙水壓力分析可見，實(shí)際情況中各點(diǎn)的孔隙水壓力都超過常規(guī)概念上的孔隙水壓力值，那么把這超出部分的孔隙水壓力定義為超孔隙水壓力。按一些資料，粘性土填筑所造成的超孔隙水壓力一般約為上部重量的50%，有的達(dá)80%—90%；對于在飽和的軟粘性土地基上修筑堤壩，則其產(chǎn)生的超孔隙水壓力幾乎等于所加的上部重量。滲透參數(shù)的選用應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)所要求的保證率，再合理選取參數(shù)。3、滲流計(jì)算的主要方法防洪堤滲流是一個(gè)比較復(fù)雜的三維空間問題，但一般工程設(shè)計(jì)均將其簡化為平面問題進(jìn)行處理。防洪堤滲流一般為非穩(wěn)定滲流，為了簡化計(jì)算，一般采用穩(wěn)定滲流的計(jì)算方法代替。針對二維穩(wěn)定滲流的計(jì)算方法一般可分為以下四種類型。流體力學(xué)解法：是一種嚴(yán)格的解法，在滿足定解的邊界條件下可以求出滲流場中任何一點(diǎn)的值。但解答非常復(fù)雜，只能在簡單邊界條件與初始條件下才可以計(jì)算出來，在實(shí)際工程應(yīng)用上受到較多的制約。水力學(xué)解法：是流體力學(xué)解法的近似解。是在作了某些假定的基礎(chǔ)上對一些特定的邊界條件的流體力學(xué)解法。同樣在實(shí)際工程應(yīng)用上受到較多的制約。(3)模擬試驗(yàn)：基于上述二種方法的缺點(diǎn)，對于實(shí)際工程，通過水力學(xué)實(shí)驗(yàn)來模擬求解滲流問題，該方法包括實(shí)物模型法與電滲模擬法等。(4)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬：通過建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，來求解滲流問題，也稱數(shù)值法，數(shù)值法又分為有限差分法、有限元法等。目前，上述滲流計(jì)算方法中在水利工程上應(yīng)用最廣的主要是水力學(xué)解法和有限元法。4、水力學(xué)解法在工程上的運(yùn)用水力學(xué)解法“是在作了某些假定的基礎(chǔ)上對一些特定的邊界條件的流體力學(xué)解法”。除了對邊界條件及計(jì)算過程中的一些假定以外，水力學(xué)解法對地層的滲透系數(shù)也做了一些簡化處理。（1）對于滲透系數(shù)相差5倍以內(nèi)的相鄰薄土層可視為一層，采用加權(quán)平均的滲透系數(shù)作為計(jì)算依據(jù)。（2）雙層結(jié)構(gòu)地基，當(dāng)下臥土層的滲透系數(shù)比上層土層的滲透系數(shù)小100倍及以上時(shí)，可將下臥土層視為不透水層；表層為弱透水層時(shí)，可按雙層地基計(jì)算。（3）當(dāng)直接與堤基連接的地基土層的滲透系數(shù)比堤身的滲透系數(shù)大100倍及以上時(shí)，可認(rèn)為堤身不透水，僅對堤基按有壓流進(jìn)行滲透計(jì)算，堤身浸潤線的位置可根據(jù)地基中的壓力水頭確定。對加權(quán)平均的滲透系數(shù)的計(jì)算一般有以下二種情況。A對各向異性土的計(jì)算對各種異性土（包括任意傾斜方向的不同滲透性），可把滲透區(qū)邊界（包括建筑物的地下輪廓）的水平尺寸乘以因數(shù)轉(zhuǎn)化為各向同性均質(zhì)地基進(jìn)行滲透計(jì)算，且滲透系數(shù)取為k算得各點(diǎn)水頭后，再把水平尺寸除以，恢復(fù)為原來的圖形。B對層狀土的計(jì)算對滲透系數(shù)和厚度不同的層狀地基，可轉(zhuǎn)化為均質(zhì)各向異性土來處理，其等效平均的水平滲透系數(shù)與垂直滲透系數(shù)為：5、有限元解法在工程上的運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的選取滲流數(shù)學(xué)模型依據(jù)方程是拉普拉斯方程，經(jīng)簡化后可按布辛內(nèi)斯克方程進(jìn)行計(jì)算?？紤]溶質(zhì)運(yùn)移與滲流場的相互作用時(shí)可結(jié)合擴(kuò)散方程?？紤]滲流場與應(yīng)力場的耦合時(shí)還需要結(jié)合固結(jié)方程。以上各種計(jì)算數(shù)學(xué)模型都有其特定的適應(yīng)條件，從四種模型的計(jì)算結(jié)果比較上一般可得出：一般土石壩和地基的非穩(wěn)定滲流問題，可采用固結(jié)方程加上流量補(bǔ)給條件的自由邊界及相應(yīng)定解條件計(jì)算流場分布，較為合理；對固結(jié)完好不再壓縮的土石壩的非穩(wěn)定滲流問題，可用拉氏方程加上流量補(bǔ)給條件的自由邊界計(jì)算。采用較多的是拉普拉斯方程。邊界條件邊界條件有以下三類。第一類邊界條件——水頭邊界條件：第二類邊界條件——流量邊界條件：第三類邊界條件——混合邊界條件：混合邊界條件是指含水層邊界的內(nèi)外水頭差和交換的流量之間保持一定的線性關(guān)系，即+=。有限元計(jì)算程序目前關(guān)于滲流有限元計(jì)算的程序很多，各有不足之處，但均應(yīng)重視對邊界條件的輸入。有限元滲流計(jì)算除二維外，還有三維滲流有限元，有穩(wěn)定滲流程序，還有非穩(wěn)定滲流程序，也有針對巖體裂隙滲流的有限元計(jì)算程序，計(jì)算時(shí)應(yīng)合理選用。6、幾種計(jì)算方法的評(píng)價(jià)流體力學(xué)解法：流體力學(xué)方法需要解出拉普拉斯方程的解析解，而自然界的邊界條件、初始條件復(fù)雜，滲透參數(shù)又具有各向異性，且層間滲透系數(shù)差異大?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)方法還不能解出復(fù)雜條件下的解析解。水力學(xué)方法：相對流體力學(xué)方法做了些簡化，能夠解簡單的滲流模型。對典型的土石壩、堤防可以選用。但水力學(xué)方法簡化流體力學(xué)方法后，局部的滲流場參數(shù)變化大，而滲透破壞主要是從局部開始發(fā)展的，應(yīng)用也受到一定限制。模型實(shí)驗(yàn)法：好的模型實(shí)驗(yàn)可以直接反應(yīng)滲流場的真實(shí)流態(tài)。實(shí)物模型法需要控制好試樣的級(jí)配、壓實(shí)度與滲透參數(shù)，而且實(shí)驗(yàn)比例縮小，邊界模擬的狀態(tài)對滲流場影響將更顯著。電滲模擬需要尋找與現(xiàn)場滲透參數(shù)相對應(yīng)的電阻參數(shù)，導(dǎo)電體的尋找與制作有一定難度。總體來說，模型實(shí)驗(yàn)法耗資較大，小型工程一般不采用。數(shù)值法：由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值方法變成速度快、投資少，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。且現(xiàn)在對計(jì)算模型的收斂性及對不收斂的模型進(jìn)行了更新，將會(huì)有廣泛應(yīng)用。結(jié)束語堤壩滲流問題是決定堤防安全與否的關(guān)鍵所在，因此，在設(shè)計(jì)與施工中都必需對防滲措施予以充分重視，設(shè)計(jì)工作人員必須不斷完善工程設(shè)計(jì)中的不足，提高工程設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，為保障水利水電工程建設(shè)的安全性和耐久性奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：[1]《滲流數(shù)值計(jì)算與程序應(yīng)用》，河海大學(xué)出版社，毛昶熙段祥寶李祖貽等.《