汪超盛

摘要：土石壩滲流機(jī)理和滲控措施是研究土石壩滲流的重要課題。從土石壩滲流機(jī)理，土石壩滲流數(shù)值計(jì)算，土石壩滲流實(shí)驗(yàn)研究以及土石壩滲流控制四個(gè)方面總結(jié)了我國(guó)的研究現(xiàn)狀和成果，認(rèn)為今后的研究應(yīng)該著眼于尋求一種統(tǒng)一的、符合實(shí)際情況的、綜合考慮各種必要因素的研究方法。

Abstract： The seepage mechanism and seepage control measures of earth-rock dams are important topics for studying seepage of earth-rock dams. From the seepage mechanism of earth-rock dams， numerical calculation of seepage flow of earth-rock dams， experimental study of seepage of earth-rock dams and seepage control of earth-rock dams， the research status and achievements of China are summarized. It is believed that future research should focus on seeking a unified and realistic research method which can take into account various necessary factors.

關(guān)鍵詞：土石壩;滲流機(jī)理;數(shù)值計(jì)算;實(shí)驗(yàn)研究

Key words： earth rock dam;percolation mechanism;numerical calculation;experimental research

中圖分類號(hào)：TV139.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）34-0257-03

0? 引言

滲流學(xué)科的發(fā)展是基于各個(gè)相關(guān)學(xué)科而向前發(fā)展的，涉及到很多學(xué)科的邊緣學(xué)科，比如巖土力學(xué)、水力學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)等，在廣泛的應(yīng)用中，逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。

建國(guó)以來(lái)，由于土石壩構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便，適應(yīng)地基變形的能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用，特別是隨著滲流技術(shù)的不斷提高，土石壩的筑壩技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。土石壩滲流數(shù)值模擬方法層出不窮[1]。然而，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]，由于滲透破壞而導(dǎo)致土石壩失事的概率，中國(guó)是29%（2391座），可見(jiàn)研究土石壩的滲流穩(wěn)定意義重大。基于此，本文闡述了土石壩滲流的機(jī)理，梳理了現(xiàn)有的土石壩滲流數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究成果，總結(jié)了土石壩滲控措施，以期為我國(guó)土石壩滲流理論的研究提供參考。

1? 土石壩滲流機(jī)理研究

土石壩滲流問(wèn)題較為復(fù)雜，影響因素也比較多。關(guān)于土石壩的滲流機(jī)理，國(guó)內(nèi)的學(xué)者做了許多有益的探討。歸根結(jié)底來(lái)說(shuō)，土石壩的滲流機(jī)理主要是針對(duì)滲流量計(jì)算、滲透變形[3]來(lái)說(shuō)的。

1.1 滲流量計(jì)算

一般來(lái)說(shuō)，土石壩的壩身比較長(zhǎng)，地基的透水性有時(shí)也會(huì)比較大，當(dāng)滲流量過(guò)大，極易使得滲流速度在局部區(qū)域產(chǎn)生集中沖刷，因此，土石壩的滲流量的大小就可能成為壩型以及防滲、排滲方案的決定性因素。

目前，計(jì)算土石壩的方法主要有流體力學(xué)發(fā)、水力學(xué)法、流網(wǎng)法、試驗(yàn)法、數(shù)值計(jì)算法等。流體力學(xué)法只有在邊界條件簡(jiǎn)單的情況下才有解，而且計(jì)算繁瑣，工程上較少采用。而水力學(xué)法是一種近似的解析法，計(jì)算簡(jiǎn)單，能夠滿足工程精度的要求，在過(guò)去一直被廣泛采用。流網(wǎng)法是一種簡(jiǎn)單的方法，它能夠求解滲流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的滲流要素，但對(duì)不同土質(zhì)和滲透系數(shù)相差較大的情況難以采用。而最近隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，數(shù)值解法在滲流分析中得到了廣泛的運(yùn)用，對(duì)于復(fù)雜和重要的工程，往往采用的是數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)分析和求解。不僅快捷方便，而且計(jì)算精度也較高。

1.2 滲透變形

土石壩的滲透變形是壩身及壩基中的滲流，由于物理或化學(xué)的作用，導(dǎo)致土顆粒流失，土壤發(fā)生局部破壞。一般滲透變形與土料的性質(zhì)、土粒的級(jí)配、水流條件以及防滲、排水措施等因素有關(guān)，一般有管涌、流土、接觸沖刷和接觸流失等類型[4]。

對(duì)于管涌臨界水力坡降的成果很多，但是沒(méi)有形成完全成熟的結(jié)論。根據(jù)南京水科院的實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)滲流方向由下而上時(shí)，非粘性土發(fā)送管涌的臨界坡降可按以下經(jīng)驗(yàn)公式推算：Jc=42d3/。其中d3為相對(duì)于粒徑曲線上含量為3%的粒徑;k為滲透系數(shù)，n為土壤的孔隙率。當(dāng)滲流自下而上發(fā)生時(shí)，常采用由極限平衡理論所得的太沙基公式計(jì)算：Jc=（G-1）（1-n）。其中，G為土粒的比重，n為土粒的孔隙率。沙金煊[6]提出了管涌的臨界坡降公式：Jc=（γs/γw-1）（1-n）αd/dΘk。其中，γs為土粒容重，α為考慮土體顆粒為非球形而產(chǎn)生的形狀系數(shù)，一般為對(duì)砂礫為1.16～1.17，對(duì)銳角顆粒為1.50～1.67;流土的臨界坡降公式為JB=（γs/γw-1）（1-n）α。吳良驥研究了無(wú)粘性土管涌臨界水力坡降表達(dá)式為JKP=[（γs-γw）/γw]d1/（d1+εdsK）。其中，dsK為土體顆粒的等效粒徑，dsK=1/∑p1/d1，p1為d1粒徑的顆粒含量，ε為土體的孔隙比;水平管涌的計(jì)算公式為：JKp=tanΦ[（γs-γw）/γ]d1/（d1+εdsK），其中，？準(zhǔn)為土體的內(nèi)摩擦角。而毛昶熙，段祥寶等基于滲流力推導(dǎo)了臨界水力坡降公式：Jc=6[（1-n）（s-1）dsK/DsK]2.5，式中，dsK，DsK為細(xì)粒填料與整個(gè)土料的等效粒徑，算法為1/∑pi/di，并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明是比較可信的。

2? 土石壩滲流數(shù)值計(jì)算

目前土石壩滲流計(jì)算的數(shù)值方法主要有三種：即有限差分法，有限單元法和邊界元法。有限差分法是將定解區(qū)域離散為合理分布的區(qū)域，并將微商用相應(yīng)的差商來(lái)代替。其算法簡(jiǎn)易方便，但對(duì)于不規(guī)則邊界以及非均勻滲透介質(zhì)較難模擬;有限單元法將滲流計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，分別估計(jì)每個(gè)單元的插值函數(shù)，將微分方程中的水頭函數(shù)表達(dá)式代換為由較為簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助變分原理對(duì)其求解，有限元法能夠針對(duì)不規(guī)則邊界條件以及非均勻滲透介質(zhì)滲流問(wèn)題進(jìn)行模擬分析;邊界元法將區(qū)域積分轉(zhuǎn)化為邊界積分，與有限元法相比，邊界元法便于處理無(wú)限或半無(wú)限滲透介質(zhì)介質(zhì)奇異和自由面的問(wèn)題。

在土石壩滲流數(shù)值模擬方面，各類商業(yè)軟件以及各個(gè)科研機(jī)構(gòu)開發(fā)的程序?qū)映霾桓F。南京科學(xué)院開發(fā)了土壩滲流計(jì)算程序UNSST2，飽和-非飽和滲流計(jì)算程序UNSAT2，加拿大GEO-SLOPE國(guó)際開發(fā)有限公司開發(fā)的Geo-studio軟件中的Seep/w模塊，運(yùn)用ANSYS的二次開發(fā)工具APDL語(yǔ)言編寫滲流計(jì)算命令流程序，以及Abaqus及其二次開發(fā)小程序等等。

目前土石壩滲流主要是采用有限元法，運(yùn)用各類有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。趙舒心，許成順等運(yùn)用Geo-studio軟件，并引入等效滲透系數(shù)計(jì)算模型，對(duì)混凝土防滲墻深度對(duì)滲流量和穩(wěn)定安全系數(shù)的影響進(jìn)行了分析;劉福益，費(fèi)文平等通過(guò)ANSYS二次開發(fā)，運(yùn)用滲透系數(shù)調(diào)整法，實(shí)現(xiàn)了基于ANSYS的熱分析模塊對(duì)心墻堆石壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析的功能;陳勇，湯用泉利用Abaqus軟件，以飽和-非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，模擬了庫(kù)水位下降作用下無(wú)基坑振沖加密施工的土石壩滲流場(chǎng)，并對(duì)各級(jí)水位下的孔壓，流速以及流向進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)了大壩的滲流安全。張愛(ài)軍， 駱亞生等利用UnderFlow-3d對(duì)黑河引水工程金盆樞紐區(qū)1.2km×1.2km范圍內(nèi)的三向滲流數(shù)值計(jì)算，指出土石壩的滲流研究不應(yīng)該只局限于壩體區(qū)域，而應(yīng)該將壩體、壩肩以及一定范圍內(nèi)的庫(kù)區(qū)按整體一并研究才能得到符合實(shí)際的結(jié)果。

3? 土石壩滲流實(shí)驗(yàn)研究

土石壩滲透實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)土石壩筑壩材料滲透系數(shù)的精確模擬。滲透系數(shù)是土石壩滲流計(jì)算的一個(gè)重要的參數(shù)，滲透系數(shù)的大小直接決定了滲流量的大小以及采取的滲控措施。目前，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL-237-1999中的《粗粒土的滲透及滲透變形試驗(yàn)》SL237-056-1999的規(guī)定，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒孛嬷睆交蜻呴L(zhǎng)應(yīng)該不小于試樣粒徑特征值D85的4～6倍。然而實(shí)際工程中的土石壩筑壩材料所用到的巨粒土，直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室常用的測(cè)定土體滲透系數(shù)的儀器，因而無(wú)法精確測(cè)量巨粒土發(fā)生滲透破壞時(shí)的臨界水力梯度以及水平向的滲透系數(shù)。并且，滲透系數(shù)的測(cè)試方法不同，其測(cè)量值相差比較大。

對(duì)于巨粒土的滲透特性測(cè)量，河海大學(xué)巖土工程研究所張福海，王保田[7]等研制了粗顆粒土滲透系數(shù)及土體滲透變形測(cè)試儀，根據(jù)巨?；旌贤林泻屑?xì)粒土致使土體難以飽和的特點(diǎn)，在儀器上設(shè)置了密封抽氣飽和裝置，可以對(duì)土樣進(jìn)行抽氣飽和，與工程實(shí)踐切合較好;馬凌云，李春林等在充分考慮節(jié)能環(huán)保和職業(yè)安全的前提下，采用組合式滲透儀、恒壓供水系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及大量程、高精度的測(cè)壓系統(tǒng)，對(duì)原有滲透特性試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，滿足了高壩粗粒土滲透特性試驗(yàn)的要求。

對(duì)于滲透系數(shù)的測(cè)量，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)也開發(fā)了相應(yīng)的儀器設(shè)備。鄒玉華，陳群[8]等利用自行研制的可提供高水壓、高應(yīng)力的粗粒土大型高壓滲透儀，研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下防滲料和反濾料的滲透變形特性;姜順龍， 王凱采用試坑單環(huán)注水、試坑直接注水和室內(nèi)粗粒土常水頭滲透方法進(jìn)行壩殼料的滲透系數(shù)測(cè)定，研究表明，試坑直接注水法適用于適用于滲透系數(shù)較大的壩殼料（1×10-1～1×10-3cm/s），試坑單環(huán)注水法適用于滲透系數(shù)稍小的土料（？燮1×10-2cm/s），而室內(nèi)常水頭法適用于各類壩殼料的滲透材料;雷紅軍，孫遜等在三軸剪切儀的基礎(chǔ)上改造底座及頂帽，并增加三向滲透管路系統(tǒng)，研制了三軸多向滲透試驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)土樣剪切過(guò)程中3個(gè)方向中任意一個(gè)方向的滲透，測(cè)定試樣在不同應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下3個(gè)方向的滲透系數(shù)，用以揭示飽和土發(fā)生大剪切變形過(guò)程中的滲透特性變化規(guī)律。

4? 土石壩的滲流控制

根據(jù)大量的工程經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，土石壩滲流問(wèn)題主要體現(xiàn)在壩體滲流、壩基滲流和繞壩滲流這三個(gè)方面，而所采取的的工程措施也是根據(jù)土石壩不同的地形地質(zhì)條件來(lái)決定的。而相應(yīng)的措施也有水平防滲，垂直防滲以及排水減壓。隨著人們對(duì)土石壩滲流機(jī)理的研究不斷深入以及大型商業(yè)軟件的開發(fā)，對(duì)于重大的土石壩滲流問(wèn)題，往往是依靠數(shù)值分析的方法計(jì)算來(lái)確定的，這樣比以往依靠經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算更加符合實(shí)際。

耿計(jì)計(jì)，王瑞駿[9]等通過(guò)水力學(xué)法與三維有限元法的比較研究，發(fā)現(xiàn)有限元法避免了某些人為的假定，且計(jì)算模型更為接近實(shí)際，因此其計(jì)算結(jié)果更為合理，并對(duì)該工程垂直防滲墻的長(zhǎng)度進(jìn)行了敏感性研究，得出了壩肩混凝土防滲墻的延伸長(zhǎng)度與繞壩滲流特性的改善呈正相關(guān)性的結(jié)論;燕峒勝利用有限元法研究了純化水庫(kù)垂直塑鋪和壩體鋪設(shè)復(fù)合土工膜與壩基垂直鋪塑聯(lián)合防滲兩個(gè)方案，從防滲效果和經(jīng)濟(jì)性的角度評(píng)價(jià)了兩個(gè)方案的可行性;呂海東，王瑞駿[10]等研究了深厚砂層壩肩繞壩滲流防滲墻延伸長(zhǎng)度方案的比較，發(fā)現(xiàn)了深厚砂層壩肩的繞壩滲流主要發(fā)生在砂層內(nèi)，且隨著防滲墻延伸長(zhǎng)度的增加，砂層及左壩肩整體的繞壩滲流量均逐步減小的規(guī)律。

土石壩滲流控制的數(shù)值計(jì)算不僅簡(jiǎn)單方便，而且能夠進(jìn)行多方案的滲控效果和經(jīng)濟(jì)可行性比較，因而在實(shí)際工程中被大量采用。

5? 展望

對(duì)于土石壩的滲流機(jī)理、數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)，我國(guó)在工程實(shí)踐以及大量的研究中已經(jīng)取得了豐碩的成果。對(duì)于土石壩臨界水力梯度的判斷，已經(jīng)加入了土體粒徑這一影響因素，使得實(shí)驗(yàn)做出的結(jié)果更加符合工程實(shí)際;對(duì)于粗粒土的水平向滲透系數(shù)以及臨界水力坡度的測(cè)定，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有大量學(xué)者在研究，并且已經(jīng)有了一定的實(shí)驗(yàn)成果;對(duì)于土體滲透系數(shù)的定性測(cè)量，已經(jīng)開始向盡可能模擬其在有圍壓和不同水頭作用下的方向發(fā)展，使得所測(cè)量的滲透系數(shù)更加切合工程背景。

然而，我們要認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究成果沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的、定性的結(jié)論，許多實(shí)際復(fù)雜的、大型的土石壩滲流問(wèn)題仍然需要多種方法的聯(lián)合對(duì)比，并且結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)加以驗(yàn)證，對(duì)于類似問(wèn)題的研究，還是需要花費(fèi)很大的人力、物力以及財(cái)力。

為此，今后的研究工作應(yīng)該針對(duì)一種符合實(shí)際情況的，綜合考慮各種必要因素的土石壩滲流理論，并且建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]周樂(lè).土石壩的滲流特性分析及數(shù)值模擬[D].大連理工大學(xué)，2014.

[2]沈振中，邱莉婷，周華雷.深厚覆蓋層上土石壩防滲技術(shù)研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展，2015（05）.

[3]丁樹云，蔡正銀.土石壩滲流研究綜述[J].人民長(zhǎng)江，2008（02）.

[4]王志光，趙曉萍.水利工程中土石壩滲透變形的成因及處理措施[J].吉林農(nóng)業(yè)，2015（15）.

[5]耿賀松，耿敬.管涌、流土滲流破壞的判別及實(shí)例[J].黑龍江水利科技，2004，31（3）：14-15.

[6]沙金煊.多孔介質(zhì)中的管涌研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，1981（3）：92-96.

[7]張福海，王保田，張文慧，等.粗顆粒土滲透系數(shù)及土體滲透變形儀的研制[J].水利水電科技進(jìn)展，2006，26（4）：31-33.

[8]鄒玉華，陳群，何昌榮，等.不同應(yīng)力條件下礫石土防滲料和反濾料聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（8）：2323-2329.

[9]耿計(jì)計(jì)，王瑞駿，趙一新，等.土石壩繞壩滲流分析方法及防滲措施研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，20（5）：77-81.

[10]呂海東，王瑞駿，李章浩，等.深厚砂層壩肩繞壩滲流規(guī)律及防滲方案研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2006，34（12）：215-220.