《DQB》程序在土石壩安全鑒定中的應用

王軍鋒

（渭南市水利水電勘測設計院 陜西 渭南 714000）

《DQB》程序在土石壩安全鑒定中的應用

王軍鋒

（渭南市水利水電勘測設計院 陜西 渭南 714000）

土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計算程序《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)準備工作量小，計算速度快，節(jié)約了大量的時間，避免了手算的繁雜和不準確性，提高了計算成果的準確性和精確度。同時根據(jù)計算成果繪出的滲流網(wǎng)圖，能夠很形象直接地表達出大壩理論浸潤線位置及各百分數(shù)等勢線分布情況。

滲流計算程序《DQB》；安全鑒定；土石壩

0 前言

土石壩二向穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計算程序《DQB》，系由南京水利科學研究院水工所李祖貽，陳平等到同志編制，用FORTRAN語言在TQ-16機及IBM-PC/XT機實現(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。程序采用自動剖分單元，數(shù)據(jù)準備工作量小，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)推廣應用的土石壩計算程序包十個程序之一。

編者應用以上個程序?qū)?shù)座土石壩進行安全鑒定，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。該程序具有自動剖分功能，只要給出剖分信息，單元及結(jié)點信息即可由程序自動形成，并計算給出自由表面（浸潤線）位置，全部結(jié)點水頭值，不同百分數(shù)的等勢線等計算成果。

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現(xiàn)。

2 《DQB》程序計算原理

2.1 數(shù)學方法與邊界條件

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求固結(jié)方程，在土體不可壓縮時求解拉普拉斯方程，同時自由面作滲流量補給邊界。對上述方程用有限單元作滲流場離散，引用三結(jié)點的三角形單元和線性插值函數(shù)，線性代數(shù)方程組改進平方根法求解。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)定滲流有限單元計算公式。當式中矩陣[S]=0時，得不可壓縮土體的非穩(wěn)定滲流公式：在不計時間項，且[S]，[P]矩陣等于零，得穩(wěn)定滲流有限單元計算公式：

在壩基無潛流時，其中[D]{q}項為零。

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壩體，此流量是取二連續(xù)自由面之間的一塊水體表示補給流量。此外自由面上尚應滿足其水頭等于位置高程的條件。

2.2 滲流量的計算

滲流量是采用中線法計算的，可計算任意過流斷面的流量，滲流量計算公式為：

上式是具有方向性的，計算流量斷面是取劃分單元的初始坐標的方向，故計算時要規(guī)定其正向，然后按上式對過流斷面的單元逐個計算，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”計算浸潤線，同時對于不同排水設施的滲出段長度a,以及排水起點處的滲流水深h0作出粗估，盡量接近實際浸潤線位置，以減少浸潤線的修改迭代次數(shù)，節(jié)省機時，同時也可避免出錯。

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

自由面迭代時，沿結(jié)點上下調(diào)正移動，為此要求結(jié)點線上結(jié)點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，使計算不能持續(xù)下去，程序采用丟結(jié)點（單元）的方法來處理，即自由面結(jié)點的計算水頭h*小于其下結(jié)點Z坐標時，將該結(jié)點丟棄，取其下結(jié)點為自由面結(jié)點繼續(xù)進行計算。

2.4 滲出點的確定

自由面與壩坡的交點即滲出點，采用沿坡面滑動或二次曲線相交法求得，根據(jù)不同情況選用。滲出點一般是作為未知水頭結(jié)點處理，也可按已知水頭結(jié)點處理。調(diào)正滲出點的過程中可以由程序自動改變信息，反復試求得出滲出點的正確位置。

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

3 應用實例

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 計算工況及方法

計算工況：上游正常蓄水位865.52m與下游相應的最低水位837.00m；

計算方法：采用流網(wǎng)法（南京水科院的DQB計算程序）。

3.4 滲流計算及滲透穩(wěn)定分析

3.4.1 計算數(shù)據(jù)的編寫

①建立直角坐標系，采用X軸向右，Y軸向上。

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

③采用自動剖分單元的方法和標記，將計算滲流區(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)點信息、邊的剖分點數(shù)、塊的土性分區(qū)、結(jié)點坐標、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，壩體填土不會發(fā)生滲透破壞。

經(jīng)計算，單寬滲流量q＝0.1m3/d。

壩體總滲流量Q＝15.2m3/d。

3.4.2 滲流計算及滲透穩(wěn)定分析結(jié)果

由計算可知：

（1）壩體在正常運行情況下不會發(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，且實際滲漏較為嚴重，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)準備工作量小，計算速度快，節(jié)約了大量的時間，避免了手算的繁雜和不準確性，提高了計算成果的準確性和精確度。同時根據(jù)計算成果繪出的滲流網(wǎng)圖，能夠很形象直接地表達出大壩理論浸潤線位置及各百分數(shù)等勢線分布情況。在定國水庫的安全鑒定會上得到了省水利廳大壩安全鑒定專家組成員的一致認可和通過。

［1］毛昶熙，主編.滲流計算分析與控制[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計院工作，工程師，從事專業(yè)為水工建筑。

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