王軍鋒

（渭南市水利水電勘測設(shè)計(jì)院 陜西 渭南 714000）

《DQB》程序在土石壩安全鑒定中的應(yīng)用

王軍鋒

（渭南市水利水電勘測設(shè)計(jì)院 陜西 渭南 714000）

土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計(jì)算程序《DQB》，可用于穩(wěn)定滲流分析，又可用于非穩(wěn)定滲流分析，并能適用于均質(zhì)、心墻、斜墻土壩不同排水型式的變化。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量小，計(jì)算速度快，節(jié)約了大量的時(shí)間，避免了手算的繁雜和不準(zhǔn)確性，提高了計(jì)算成果的準(zhǔn)確性和精確度。同時(shí)根據(jù)計(jì)算成果繪出的滲流網(wǎng)圖，能夠很形象直接地表達(dá)出大壩理論浸潤線位置及各百分?jǐn)?shù)等勢線分布情況。

滲流計(jì)算程序《DQB》；安全鑒定；土石壩

0 前言

土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計(jì)算程序《DQB》，系由南京水利科學(xué)研究院水工所李祖貽，陳平等到同志編制，用FORTRAN語言在TQ-16機(jī)及IBM-PC/XT機(jī)實(shí)現(xiàn)。該程序既可用于穩(wěn)定滲流分析，又可用于非穩(wěn)定滲流分析，并能適用于均質(zhì)、心墻、斜墻土壩不同排水型式的變化。程序采用自動(dòng)剖分單元，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量小，算題速度快，是土石壩分析的有效工具之一，經(jīng)1995年水電總局考核通過，列為在水電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的土石壩計(jì)算程序包十個(gè)程序之一。

編者應(yīng)用以上個(gè)程序?qū)?shù)座土石壩進(jìn)行安全鑒定，均取得了滿意效果。

1 程序的使用范圍及功能

《DQB》程序可用來計(jì)算土石壩上游壩殼水位降落期的非穩(wěn)定滲流和具有不同排水型式的均質(zhì)、心墻、斜墻土壩的穩(wěn)定滲流，以及任意過流斷面的滲流量。該程序具有自動(dòng)剖分功能，只要給出剖分信息，單元及結(jié)點(diǎn)信息即可由程序自動(dòng)形成，并計(jì)算給出自由表面（浸潤線）位置，全部結(jié)點(diǎn)水頭值，不同百分?jǐn)?shù)的等勢線等計(jì)算成果。

使用者對程序功能的選用可通過功能控制變量的賦值來實(shí)現(xiàn)。

2 《DQB》程序計(jì)算原理

2.1 數(shù)學(xué)方法與邊界條件

土壩二向滲流總是在一定條件下，穩(wěn)定滲流是求解拉普拉斯方程，非穩(wěn)定滲流在土體可壓縮時(shí)求固結(jié)方程，在土體不可壓縮時(shí)求解拉普拉斯方程，同時(shí)自由面作滲流量補(bǔ)給邊界。對上述方程用有限單元作滲流場離散，引用三結(jié)點(diǎn)的三角形單元和線性插值函數(shù)，線性代數(shù)方程組改進(jìn)平方根法求解。離散后所得的線性代數(shù)方程組為：

（1）式為可壓縮土體的非穩(wěn)定滲流有限單元計(jì)算公式。當(dāng)式中矩陣[S]=0時(shí)，得不可壓縮土體的非穩(wěn)定滲流公式：在不計(jì)時(shí)間項(xiàng)，且[S]，[P]矩陣等于零，得穩(wěn)定滲流有限單元計(jì)算公式：

在壩基無潛流時(shí)，其中[D]{q}項(xiàng)為零。

土壩滲流邊界條件是：上、下游水位以下的入滲和出流面及自由滲出段，其水頭是已知的，屬第一類邊界；滲流自由面和不透水層面屬第二類邊界。穩(wěn)定滲流的自由面和不透水層面一樣，沒有流量從該面流入和流出；而非穩(wěn)定滲流則有流量從自由面流進(jìn)壩體，此流量是取二連續(xù)自由面之間的一塊水體表示補(bǔ)給流量。此外自由面上尚應(yīng)滿足其水頭等于位置高程的條件。

2.2 滲流量的計(jì)算

滲流量是采用中線法計(jì)算的，可計(jì)算任意過流斷面的流量，滲流量計(jì)算公式為：

上式是具有方向性的，計(jì)算流量斷面是取劃分單元的初始坐標(biāo)的方向，故計(jì)算時(shí)要規(guī)定其正向，然后按上式對過流斷面的單元逐個(gè)計(jì)算，然后相加得總滲流量。

2.3 滲流自由面的確定

首先，假定一滲流自由面位置。原則上依照滲流概念按“簡化法”計(jì)算浸潤線，同時(shí)對于不同排水設(shè)施的滲出段長度a,以及排水起點(diǎn)處的滲流水深h0作出粗估，盡量接近實(shí)際浸潤線位置，以減少浸潤線的修改迭代次數(shù)，節(jié)省機(jī)時(shí)，同時(shí)也可避免出錯(cuò)。

然后計(jì)算機(jī)程序?qū)⒆杂擅娼Y(jié)點(diǎn)計(jì)算中心水頭值h*與其Z坐標(biāo)比較，直到滿足|Z-h*|<ε(ε為給定的計(jì)算精度)，此時(shí)則獲正確的理論自由面位置。

自由面迭代時(shí)，沿結(jié)點(diǎn)上下調(diào)正移動(dòng)，為此要求結(jié)點(diǎn)線上結(jié)點(diǎn)按順序從上到下地由小到大編號。為避免假定的自由面位置過高，或自由面穿過非均質(zhì)區(qū)，及非穩(wěn)定滲流自由面變化范圍大時(shí)，使計(jì)算不能持續(xù)下去，程序采用丟結(jié)點(diǎn)（單元）的方法來處理，即自由面結(jié)點(diǎn)的計(jì)算水頭h*小于其下結(jié)點(diǎn)Z坐標(biāo)時(shí)，將該結(jié)點(diǎn)丟棄，取其下結(jié)點(diǎn)為自由面結(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。

2.4 滲出點(diǎn)的確定

自由面與壩坡的交點(diǎn)即滲出點(diǎn)，采用沿坡面滑動(dòng)或二次曲線相交法求得，根據(jù)不同情況選用。滲出點(diǎn)一般是作為未知水頭結(jié)點(diǎn)處理，也可按已知水頭結(jié)點(diǎn)處理。調(diào)正滲出點(diǎn)的過程中可以由程序自動(dòng)改變信息，反復(fù)試求得出滲出點(diǎn)的正確位置。

程序的關(guān)鍵在于合理地確定滲流場的計(jì)算范圍、邊界性質(zhì)及單元信息。

3 應(yīng)用實(shí)例

在渭南市合陽縣定國水庫大壩安全鑒定工作中，編者成功地將《DQB》程序應(yīng)用到大壩的安全鑒定中。

3.1 工程概況

合陽縣定國水庫大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩頂高程871.81m，最大壩高34.81m，壩頂長180m，壩頂寬4.0m，上游壩坡坡比自上而下依次為：1:1，1:2，1:3，上游平均坡比1:2.78；下游壩坡坡比自上而下依次為：1:2.1，1:1.6，1:2.1，下游平均坡比1:2。壩下游設(shè)有堆石排水棱體，棱體高約4m，內(nèi)邊坡1:1.2，外邊坡 1:1.5。

3.2 計(jì)算參數(shù)

合陽縣定國水庫大壩滲透系數(shù)見表1：

表1 滲透系數(shù)表

3.3 計(jì)算工況及方法

計(jì)算工況：上游正常蓄水位865.52m與下游相應(yīng)的最低水位837.00m；

計(jì)算方法：采用流網(wǎng)法（南京水科院的DQB計(jì)算程序）。

3.4 滲流計(jì)算及滲透穩(wěn)定分析

3.4.1 計(jì)算數(shù)據(jù)的編寫

①建立直角坐標(biāo)系，采用X軸向右，Y軸向上。

②根據(jù)壩型、土層分布、計(jì)算性質(zhì)合理地確定滲流場的計(jì)算范圍、邊界性質(zhì)以及土層分界線。

③采用自動(dòng)剖分單元的方法和標(biāo)記，將計(jì)算滲流區(qū)域按組劃分成若干塊。

④按程序規(guī)定的輸入數(shù)據(jù)的先后順序，依次整理出各塊的結(jié)點(diǎn)信息、邊的剖分點(diǎn)數(shù)、塊的土性分區(qū)、結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、各類邊界信息及滲透系數(shù)，給水度等原始數(shù)據(jù)。

⑤在DOS狀態(tài)下執(zhí)行EDIT命令，編寫數(shù)據(jù)文件。

⑥執(zhí)行DQB程序得出數(shù)據(jù)結(jié)果文件。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪出該情況下的壩體浸潤線和等勢線，壩體滲透坡降見表2。

表2 壩體填土滲透坡降計(jì)算成果表

根據(jù)壩體的縱、橫斷面圖,地質(zhì)剖面圖，壩體最大斷面應(yīng)視為：壩體下游有棱體排水，壩基為相對不透水層的均質(zhì)土壩，重粉質(zhì)壤土，其允許滲透坡降為3。因此，壩體填土不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

經(jīng)計(jì)算，單寬滲流量q＝0.1m3/d。

壩體總滲流量Q＝15.2m3/d。

3.4.2 滲流計(jì)算及滲透穩(wěn)定分析結(jié)果

由計(jì)算可知：

（1）壩體在正常運(yùn)行情況下不會(huì)發(fā)生整體滲透破壞，但考慮到該水庫大壩存在多處裂縫、塌陷，且實(shí)際滲漏較為嚴(yán)重，大壩仍存在局部滲透不穩(wěn)定問題。

（2）河床最大斷面處壩體及壩基的單寬滲流量為0.1m3/d，壩體總滲流量為15.2m3/d。

4 結(jié)論

由于以上程序數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量小，計(jì)算速度快，節(jié)約了大量的時(shí)間，避免了手算的繁雜和不準(zhǔn)確性，提高了計(jì)算成果的準(zhǔn)確性和精確度。同時(shí)根據(jù)計(jì)算成果繪出的滲流網(wǎng)圖，能夠很形象直接地表達(dá)出大壩理論浸潤線位置及各百分?jǐn)?shù)等勢線分布情況。在定國水庫的安全鑒定會(huì)上得到了省水利廳大壩安全鑒定專家組成員的一致認(rèn)可和通過。

［1］毛昶熙，主編.滲流計(jì)算分析與控制[M].2版.中國水利水電出版社.

王軍鋒（1972.06—），男，現(xiàn)年40歲，現(xiàn)在渭南市水利水電勘測設(shè)計(jì)院工作，工程師，從事專業(yè)為水工建筑。

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