水利堤坝工程中渗透参数的选取及渗流计算方法评价

水利堤坝工程中渗透参数的选取及渗流计算方法评价水利堤坝工程中渗透参数的选取及渗流计算方法评价摘要：渗流是引起涉水工程破坏的重要原因，因此渗流计算是水利水电工程涉水工程设计中不可或缺的步骤。渗透参数的选取与渗流方法的选择，直接影响对工程渗流稳定性的评价。本文结合笔者多年工作经验，就水利水电工程设计中渗透参数的选取与渗流计算的几种方法进行了初步的分析，并总结出渗流计算注意的一些问题，提高了计算结果准确性，对进一步采取防渗措施提供参考。关键词：水利工程渗流计算堤坝设计引言堤防工程的设计与施工准则要求保证堤防建筑物能抵御洪水的威胁。由于堤防大多沿天然河岸修建，因此，堤防基础的渗透稳定问题普遍存在。本文主要针对堤防渗流参数的选用并对渗流计算方法进行了评价。1、渗流计算目的（1）坝体（堤身）浸润线的位置。（2）渗透压力、水力坡降和流速。（3）通过坝体（堤身）或堤基的渗流量。（4）坝体（堤身）整体和局部渗流稳定性分析。2、计算工况及渗透系数的选用岩土工程参数的选用需要根据满足给定保证率时，通过实验方法选用。不同工况需要选用不同的参数，否则就无法满足工程设计所需要的保证率。常规堤防工程常规的堤防工程计算提出了三种水位组合，此三种水位组合的渗流计算目的及相应土体的渗透系数选取原则主要为：（1）临水侧为高水位，背水坡为相应水位。本组合的计算目的：①计算背水坡可能最高的逸出点位置、背水坡逸出段及背水坡基础表面出逸比降，用于背水坡渗流安全复核、反滤层及排水设施设计；②背水坡面可能最高的浸润线，用于背水边坡稳定计算；③当堤身、堤基土的渗透系数大于10-3cm/s时，计算渗流量，用于分析防渗措施对本工程运行要求的可行性和背水坡排水设施设计（对于大坝均要求进行渗流量计算）。对上述第①、②种计算目的工况，堤身、堤基的渗透系数则取小值平均值，对第③种计算目的工况则取大值平均值。（2）临水侧为高水位，背水坡为低水位或无水。本组合的计算目的：①背水坡面可能最高的浸润线，用于背水坡边坡稳定计算，相应各土体的渗透系数取小值平均值；②复核局部渗流稳定及进行反滤层设计，则进行局部渗流稳定性复核土体的渗透系数取小值，其上、下部位土体的渗透系数取大值平均值。（3）洪水降落时对临水侧堤坡稳定最不利的情况。当临水坡面可能最高浸润线时，临水坡稳定计算最不利，所以计算工况下的土体渗透系数应取小值平均值。特殊项目对一些特殊的项目，必要时还应考虑以下计算工况或因素。（1）工程中蓄水过快的情况。在工程蓄水使水位上升过快时，对下游坝坡稳定也是不利的，特别是初次蓄水时。因为水位上升太快，浸润饱和土的过程又很长，特别是透水性小的粘性土，造成浸润线很陡，此时上下土层的饱和性不一致，且浸润前峰渗透坡降很大，将导致不均匀沉降，从而产生裂隙而滑坡。（2）降雨饱和堤坝岸坡。降雨饱和堤坝岸坡的稳定与临水侧水位骤降情况是相类似的，是由于大气降水及河岸地下水的补给造成较高的孔隙水压力的结果，尤其在基础中存在承压水或排水不畅时最为严重。（3）堆筑期间的孔隙水压力。施工期孔隙水压力的问题，一种情况是在软粘性土的饱和地基上筑堤（坝），由于填筑速度较快，上部荷重所引起的超孔隙水压力来不及消散，因而在剪应力不断增加下，有效应力增加较缓，其稳定性大减从而引起滑坡；另一种情况是由于填筑土料本身含水量过大，在堤（坝）本身引起孔隙水压力增加，从而发生滑坡。对超孔隙水压力的说明。孔隙水压力的一般公式为u=yh,可理解为计算点水头超出自由面的水头大小。但从上述降雨饱和堤坝岸坡以及堆筑期间的孔隙水压力分析可见，实际情况中各点的孔隙水压力都超过常规概念上的孔隙水压力值，那么把这超出部分的孔隙水压力定义为超孔隙水压力。按一些资料，粘性土填筑所造成的超孔隙水压力一般约为上部重量的50%，有的达80%—90%；对于在饱和的软粘性土地基上修筑堤坝，则其产生的超孔隙水压力几乎等于所加的上部重量。渗透参数的选用应满足工程设计所要求的保证率，再合理选取参数。3、渗流计算的主要方法防洪堤渗流是一个比较复杂的三维空间问题，但一般工程设计均将其简化为平面问题进行处理。防洪堤渗流一般为非稳定渗流，为了简化计算，一般采用稳定渗流的计算方法代替。针对二维稳定渗流的计算方法一般可分为以下四种类型。流体力学解法：是一种严格的解法，在满足定解的边界条件下可以求出渗流场中任何一点的值。但解答非常复杂，只能在简单边界条件与初始条件下才可以计算出来，在实际工程应用上受到较多的制约。水力学解法：是流体力学解法的近似解。是在作了某些假定的基础上对一些特定的边界条件的流体力学解法。同样在实际工程应用上受到较多的制约。(3)模拟试验：基于上述二种方法的缺点，对于实际工程，通过水力学实验来模拟求解渗流问题，该方法包括实物模型法与电渗模拟法等。(4)计算机数值模拟：通过建立一个数学模型，来求解渗流问题，也称数值法，数值法又分为有限差分法、有限元法等。目前，上述渗流计算方法中在水利工程上应用最广的主要是水力学解法和有限元法。4、水力学解法在工程上的运用水力学解法“是在作了某些假定的基础上对一些特定的边界条件的流体力学解法”。除了对边界条件及计算过程中的一些假定以外，水力学解法对地层的渗透系数也做了一些简化处理。（1）对于渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均的渗透系数作为计算依据。（2）双层结构地基，当下卧土层的渗透系数比上层土层的渗透系数小100倍及以上时，可将下卧土层视为不透水层；表层为弱透水层时，可按双层地基计算。（3）当直接与堤基连接的地基土层的渗透系数比堤身的渗透系数大100倍及以上时，可认为堤身不透水，仅对堤基按有压流进行渗透计算，堤身浸润线的位置可根据地基中的压力水头确定。对加权平均的渗透系数的计算一般有以下二种情况。A对各向异性土的计算对各种异性土（包括任意倾斜方向的不同渗透性），可把渗透区边界（包括建筑物的地下轮廓）的水平尺寸乘以因数转化为各向同性均质地基进行渗透计算，且渗透系数取为k算得各点水头后，再把水平尺寸除以，恢复为原来的图形。B对层状土的计算对渗透系数和厚度不同的层状地基，可转化为均质各向异性土来处理，其等效平均的水平渗透系数与垂直渗透系数为：5、有限元解法在工程上的运用数学模型的选取渗流数学模型依据方程是拉普拉斯方程，经简化后可按布辛内斯克方程进行计算。考虑溶质运移与渗流场的相互作用时可结合扩散方程。考虑渗流场与应力场的耦合时还需要结合固结方程。以上各种计算数学模型都有其特定的适应条件，从四种模型的计算结果比较上一般可得出：一般土石坝和地基的非稳定渗流问题，可采用固结方程加上流量补给条件的自由边界及相应定解条件计算流场分布，较为合理；对固结完好不再压缩的土石坝的非稳定渗流问题，可用拉氏方程加上流量补给条件的自由边界计算。采用较多的是拉普拉斯方程。边界条件边界条件有以下三类。第一类边界条件——水头边界条件：第二类边界条件——流量边界条件：第三类边界条件——混合边界条件：混合边界条件是指含水层边界的内外水头差和交换的流量之间保持一定的线性关系，即+=。有限元计算程序目前关于渗流有限元计算的程序很多，各有不足之处，但均应重视对边界条件的输入。有限元渗流计算除二维外，还有三维渗流有限元，有稳定渗流程序，还有非稳定渗流程序，也有针对岩体裂隙渗流的有限元计算程序，计算时应合理选用。6、几种计算方法的评价流体力学解法：流体力学方法需要解出拉普拉斯方程的解析解，而自然界的边界条件、初始条件复杂，渗透参数又具有各向异性，且层间渗透系数差异大。现代数学方法还不能解出复杂条件下的解析解。水力学方法：相对流体力学方法做了些简化，能够解简单的渗流模型。对典型的土石坝、堤防可以选用。但水力学方法简化流体力学方法后，局部的渗流场参数变化大，而渗透破坏主要是从局部开始发展的，应用也受到一定限制。模型实验法：好的模型实验可以直接反应渗流场的真实流态。实物模型法需要控制好试样的级配、压实度与渗透参数，而且实验比例缩小，边界模拟的状态对渗流场影响将更显著。电渗模拟需要寻找与现场渗透参数相对应的电阻参数，导电体的寻找与制作有一定难度。总体来说，模型实验法耗资较大，小型工程一般不采用。数值法：由于现代数学与计算机的发展，数值方法变成速度快、投资少，经济实用的方法。且现在对计算模型的收敛性及对不收敛的模型进行了更新，将会有广泛应用。结束语堤坝渗流问题是决定堤防安全与否的关键所在，因此，在设计与施工中都必需对防渗措施予以充分重视，设计工作人员必须不断完善工程设计中的不足，提高工程设计水平和质量，为保障水利水电工程建设的安全性和耐久性奠定基础。参考文献：[1]《渗流数值计算与程序应用》，河海大学出版社，毛昶熙段祥宝李祖贻等.《