土石壩滲流研究綜述

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1、土石壩滲流研究綜述（丁樹云蔡正銀）?http://www.hwcc.com.cn2008年10月1日《人民長江》編輯：宋志寧?摘要:滲流和滲透控制是土石壩工程中的一項極其重要的課題，直接關(guān)系到工程的安全和投資。許多水工建筑物的失事都與滲流有關(guān)。從滲流量計算、滲透變形、滲透控制、滲流的數(shù)值模擬和滲透變形試驗幾個方面總結(jié)了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和成果。認(rèn)為今后研究重點(diǎn)應(yīng)放在研制能夠測定寬級配料在有圍壓條件下垂直向、水平向臨界水力坡降與滲透系數(shù)的設(shè)備上，并應(yīng)開展相應(yīng)的理論分析。還應(yīng)該研究建立滲透分析模型，利用其分析散粒體顆粒間受力相互作用發(fā)生變形的過程，并確立相應(yīng)的數(shù)

2、值模擬方法。關(guān)鍵詞:滲透變形;數(shù)值模擬;滲流量計算;臨界水力比降;土石壩1概述隨著我國水利水電建設(shè)的快速發(fā)展和“西電東輸”水電項目的實(shí)施，眾多高土石壩的建設(shè)被提上了日程，特別在深厚覆蓋層河谷，地質(zhì)條件差，地震烈度高，多數(shù)壩高較大（尤其200m以上）的大壩選擇或擬選擇建土石壩。滲流和滲透控制是土石壩工程中的一項極其重要的課題，直接關(guān)系到工程的安全和投資。許多水工建筑物的失事都與滲流有關(guān)，例如1964年鮑德溫山（BaldwinHills）壩由于鋪蓋與基礎(chǔ)接觸面產(chǎn)生滲透破壞而失事，1976年堤堂（Teton）壩由于右岸一個窄斷層發(fā)生滲透破壞，不到6h就發(fā)生了跨壩

3、事故。根據(jù)我國對241座大型水庫曾發(fā)生的1000個工程安全問題所作的統(tǒng)計，其中有37.1%的安全問題是由于滲流引起的。滲流是一門與水力學(xué)和巖土力學(xué)有著密切關(guān)系的學(xué)科，隨著近代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，滲流在基本理論、試驗手段、計算方法和應(yīng)用等方面都得到了極大發(fā)展，逐漸成為一門專門的學(xué)科，已能解決各種復(fù)雜的工程問題。理論的發(fā)展與研究手段的進(jìn)步是分不開的，主要表現(xiàn)在兩個方面:①滲流研究中已經(jīng)比較普遍地使用了現(xiàn)代電子計算技術(shù)，發(fā)展了數(shù)值模擬方法;②滲流機(jī)理研究的試驗手段日益先進(jìn)。土石壩是擋水建筑物，它和滲流并存，有土石壩就有滲流，土石壩的發(fā)展史也就是滲流理論和滲流控制

4、理論的發(fā)展史。本文從滲流基本規(guī)律、滲流中的數(shù)值模擬計算、滲透特性的試驗研究3個方面分析國內(nèi)有關(guān)滲流問題的研究現(xiàn)狀。2滲流基本規(guī)律研究復(fù)雜的滲流問題需要深入認(rèn)識滲流的機(jī)理，對其正確認(rèn)識是建立完善的數(shù)學(xué)模型的前提，并有助于為生產(chǎn)實(shí)踐提出有關(guān)的建議。土石壩的滲流問題歸根到底主要是3個方面:①滲流計算;②滲透變形;③控制滲流。2.1滲流量計算在土石壩設(shè)計和運(yùn)行管理中，滲流計算常占有重要的位置。設(shè)計土石壩時，需要通過滲流計算來確定滲漏損失和合理的防滲排滲措施，而壩和壩型的斷面尺寸也經(jīng)常需要借助滲流計算來比較確定。從理論上講，土石壩滲流計算是在已知定解條件（初始條件、

5、邊界條件）下解滲流基本方程，以求出土石壩滲流場的水頭分布，進(jìn)而計算滲流量和滲流水力坡降等。迄今為止，已有大量文獻(xiàn)介紹了建立在透水或不透水地基上的土石壩滲流計算方法。這些方法可概括為流體力學(xué)解法和水力學(xué)解法兩類。流體力學(xué)解法是一種嚴(yán)格的解析法，它在滿足定解條件下求解滲流基本方程，然后得到解的解析表達(dá)式。水力學(xué)解法是一種近似的解析法，它基于對土石壩滲流作某些假定以及對局部急變滲流區(qū)段應(yīng)用流體力學(xué)解析解的某些成果而求得滲流問題的解答，因此它并不適用于滲流基本方程的求解。近代計算技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)的應(yīng)用為土石壩滲流計算開辟了新的途徑，各種復(fù)雜情況下的土石壩滲流都可

6、以在計算機(jī)上模擬出來，同時出現(xiàn)了很多用于滲流分析的程序。2.2滲透變形滲透變形是指壩體及壩基中的滲流，由于其機(jī)械或化學(xué)作用，使土體產(chǎn)生局部破壞。滲透變形的形式與土料性質(zhì)、土粒級配、水流條件以及防滲、排滲措施等因素有關(guān)。粗粒土滲透變形破壞坡降的大小是水利水電工程中需要考慮的問題，我國科學(xué)家在總結(jié)前人的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，根據(jù)單顆粒水力平衡關(guān)系，總結(jié)出了管涌的臨界水力坡降簡化式，國內(nèi)外一些滲流理論專家根據(jù)力學(xué)平衡原理，通過理論推導(dǎo)，得出一些管涌和流土的臨界水力坡降模型公式。如太沙基模型公式、伊斯托明娜管涌型土的抗?jié)B坡降公式、扎馬林模型公式、沙金煊公式、中國水利水電科學(xué)

7、研究院公式等，其具體形式在這里不再列舉，這些公式都未考慮與級配特征有關(guān)的參數(shù)。目前的試驗研究發(fā)現(xiàn)，這些理論公式與實(shí)測值之間存在一些差距，在工程中未能得到較好的應(yīng)用。有關(guān)滲透變形的研究，大多學(xué)者是從試驗的角度進(jìn)行的探索。郭愛國［1］，朱崇輝［2］，劉杰等［3］分別從滲透試驗中發(fā)現(xiàn)隨著粗細(xì)顆粒級配的不同，土的滲透機(jī)理將會發(fā)生改變，粗粒料較多時，粗粒形成骨架，細(xì)顆粒充填其中，土的滲透破壞性質(zhì)取決于粗顆粒的特征，當(dāng)粗粒含量較少時，不足以形成骨架，粗顆粒是散亂地堆積在細(xì)顆粒當(dāng)中，土的滲透穩(wěn)定性類似于細(xì)粒料。不均勻系數(shù)小的土，顆粒大小均勻，骨料與填料區(qū)別不明顯，土體不

8、能形成骨架結(jié)構(gòu)，如果粒徑較小，在較小的水頭下，出口處小顆粒被水流帶