魏雨露?牛巖

摘 要 土石壩是世界大壩工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型，在防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)、旅游和改善生態(tài)方面有巨大的綜合效益。本文詳細(xì)闡述了目前土石壩滲流計(jì)算的理論與方法，包括滲流的基本方程及定解條件，介紹水工分析軟件Autobank的滲流模塊，包括滲流計(jì)算的使用過程及邊界條件的施加。舉例對(duì)土石壩實(shí)例進(jìn)行二維滲流分析，計(jì)算得到三種水位工況的滲流狀態(tài)，探討土石壩穩(wěn)定滲流狀態(tài)的規(guī)律。計(jì)算結(jié)果符合一般規(guī)律，可作為設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞 土石壩;滲流及滲流計(jì)算;邊界條件

前言

土石壩作為一種歷史悠久工程造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便的壩型，現(xiàn)今仍在世界各地大規(guī)模興建[1]。有資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)土石壩占所有壩型比重超過百分之六十。據(jù)國(guó)內(nèi)大量失事大壩統(tǒng)計(jì)，由滲透破壞引起的事故占到4成以上，滲流問題已經(jīng)是影響土石壩安全的主要因素[2]，其引起的土石壩失事問題不容忽視[3]。

1土石壩滲流計(jì)算原理

由于水工建筑物的壅水作用，在其上下游形成水位差，上游的水在這水壓力作用下就會(huì)通過壩基滲到下游，水的滲流就指在水壓坡降的作用下穿過土或其他散粒體中連通孔隙發(fā)生的流動(dòng)現(xiàn)象[4]。廣義的滲流是指液體在孔隙中的流動(dòng)，其流動(dòng)的性質(zhì)取決于作為滲流骨架的巖土性質(zhì)與流體自身的性質(zhì)。由于介質(zhì)的空隙大小形狀及其分布異常復(fù)雜，沒有規(guī)律可循，很難用孔隙形式描述其滲透性，也不能像地表水那樣探求水流質(zhì)點(diǎn)的真實(shí)流速，所以在滲流分析中常用平均概念及其綜合性的量來表征滲流性質(zhì)。

2.1 基本方程

假定滲透水流在巖土骨架內(nèi)流動(dòng)時(shí)做低雷諾數(shù)的層流運(yùn)動(dòng)，此時(shí)滲透水的運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西線性滲透定律，即水的流速在數(shù)值上與其水力坡度成正比。在實(shí)際的地下水流中，水力坡度往往是各處不同的，達(dá)西定律表達(dá)式為：，式中：v為（平均）滲流速度（m/s）;k為介質(zhì)的滲透系數(shù)（m/s）;為水力坡降。

在非飽和滲流中，非飽和滲流問題的連續(xù)性方程如下： ，式中：為非飽和滲流場(chǎng)中達(dá)西流速在x、y、z三個(gè)方向上的分量，為飽和度，。

1.2 滲流場(chǎng)邊界條件

定解條件包括初始條件和邊界條件。對(duì)于飽和-非飽和的滲流場(chǎng)，整個(gè)滲流區(qū)域可以分為飽和區(qū)域和非飽和區(qū)域;邊界條件包括水頭邊界、已知流量邊界和滲出面邊界。因?yàn)檎w考慮飽和-非飽和的滲流問題，沒有必要將自由面作為一種流量補(bǔ)給邊界處理。

1.3 滲流計(jì)算主要方法

興建土石壩必須控制通過壩身和地基的滲流，以防止土體因受滲流作用發(fā)生危險(xiǎn)的沖蝕、滑坡等破壞以及因滲漏損失過大而使工程效益降低，比如水庫、蓄水人工湖。滲流分析的任務(wù)在于確定求解區(qū)域內(nèi)的自由液面，即浸潤(rùn)線，以及滲流量、水頭分布、水壓分布、水力坡降等水力要素。這些量在土石壩設(shè)計(jì)、運(yùn)行中具有重要的參考價(jià)值，是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，選擇防滲措施方案的依據(jù)[5]。滲流計(jì)算能模擬出壩體在給定水位條件下的滲流狀態(tài)，對(duì)保證堤壩安全、更好發(fā)揮工程效益以及節(jié)約建設(shè)投資都有明顯的實(shí)際意義。滲流計(jì)算方法有很多，從方式上可以分為兩大類，即理論方法和實(shí)驗(yàn)方法。

計(jì)算得到三種水位工況下的滲透量如表1所示。從滲透量的趨勢(shì)上看水位差越大，滲流量越大。

表1 滲透量

工況 滲透系數(shù)

設(shè)計(jì)水位 流量=1.95195e-07（m3/s） 0.0168648（m3/d）

設(shè)計(jì)洪水位 流量=2.35746e-07（m3/s） 0.0203684（m3/d）

校核洪水位 流量=2.5603e-07（m3/s） 0.0221209（m3/d）

2結(jié)束語

滲流問題已經(jīng)是影響土石壩安全的主要因素，對(duì)土石壩進(jìn)行滲流分析研究也顯得意義重大。本文介紹了目前滲流計(jì)算的理論方法，包括了滲流場(chǎng)的基本方程以及定解條件，然后對(duì)當(dāng)前水利設(shè)計(jì)中使用的Autobank軟件滲流計(jì)算模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并分析了一個(gè)土石壩算理，計(jì)算了設(shè)計(jì)水位，設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位三種工況，得到了計(jì)算結(jié)果符合一般心墻壩滲流規(guī)律，計(jì)算結(jié)果合理。同時(shí)也得到滲流計(jì)算中水壓、水頭、水力坡降等量的等值線圖，計(jì)算結(jié)果豐富。二維滲流計(jì)算對(duì)于斷面變化不大的壩體比較符合實(shí)際，但對(duì)于如在窄河谷上的攔河壩將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。對(duì)于類似這樣的工程，三維計(jì)算顯得很有必要。當(dāng)前三維計(jì)算軟件較少，操作較為復(fù)雜，而且需要進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換，如使用大型通用有限元軟件Ansys的溫度場(chǎng)計(jì)算模塊。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛運(yùn)光.土壩安全與加固[M].北京：中國(guó)水利電力出版社，1998：77-78.

[2] 羅谷懷，甘明輝.土石壩安全論證理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2001：51.

[3] 劉杰.土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：31-33.

[4] 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制[M].北京：水利電力出版社，1990：191.

[5] 胡靜.水工結(jié)構(gòu)中含排水孔滲流場(chǎng)的分析方法研究[D].武漢：武漢大學(xué)博士論文，2003.