土石壩滲流研究的現(xiàn)狀與發(fā)展

□張　斌（遼寧西北供水有限責(zé)任公司）

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土石壩滲流研究的現(xiàn)狀與發(fā)展

□張斌（遼寧西北供水有限責(zé)任公司）

摘要：建筑行業(yè)的快速發(fā)展，由于其自身特性，施工中極易受到外界客觀因素影響，對其中施工技術(shù)提出了更高的要求。根據(jù)大量的國內(nèi)外文獻資料，對土石壩滲流研究的發(fā)展過程進行了綜述。重點論述了當(dāng)今世界土石壩滲流研究的現(xiàn)狀，并進行簡要分析。最后，從滲流研究的理論方法、實現(xiàn)手段等方面對中國土石壩滲流研究的發(fā)展方向做以展望。

關(guān)鍵詞：滲流分析；滲流力學(xué)；土石壩；安全監(jiān)測

1引言

對于滲流力學(xué)理論而言，誕生歷史較久，隨著理論不斷的發(fā)展和完善，理論基礎(chǔ)已經(jīng)趨于完善。滲流力學(xué)是一門較為冷僻的學(xué)科，是基于流體力學(xué)與土力學(xué)兩種理論基礎(chǔ)上衍生而成的，并逐漸作為邊緣學(xué)科進入了人們的視線。此外，滲流力學(xué)不僅囊括土力學(xué)以及流體力學(xué)的知識，同時包括地下水動力學(xué)理論以及水利等諸多學(xué)科，將這些互相獨立的學(xué)科聯(lián)系在一起，即滲流力學(xué)。

在建筑領(lǐng)域，關(guān)于土石壩工程的設(shè)計中，首先需要結(jié)合工程實際要求，進行滲流分析，能夠大大降低土石壩出現(xiàn)滲漏破壞現(xiàn)象，并針對其中潛在的安全隱患提出合理的布設(shè)防滲措施，確保工程后續(xù)施工活動有序開展。在對土石壩滲流研究過程中，不僅需要結(jié)合工程實際建設(shè)需求，同時需要進一步清楚水流特點以及土體結(jié)構(gòu)特性，了解水流在土層中的運動規(guī)律。針對土石壩滲流理論的研究，由于需要對水流特性以及土體結(jié)構(gòu)進行分析，所以相應(yīng)的研究難度較高，由此為了能夠更為簡單的得到研究結(jié)果，針對其中存在的問題進行解決時需要對理論簡化，對各項數(shù)值進行公式計算。

2土石壩滲流理論研究概述

土石壩建筑的本質(zhì)，主要起到擋水作用，同滲流并存于一體。滲流力學(xué)理論的發(fā)展和完善主要是隨著土石壩建筑設(shè)計和監(jiān)督相關(guān)理論的創(chuàng)新衍生而成，其發(fā)展歷史可以看作是滲流力學(xué)理論以及控制理論的發(fā)展歷史，共同創(chuàng)新和發(fā)展。究其根本，主要是由于土石壩自身特性，極易受到外界客觀因素的影響，而滲流破壞作為影響土石壩建筑安全和穩(wěn)定的主要原因之一，所以兩者之間有著較為密切的聯(lián)系。據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，由于此類問題造成的土石壩建筑安全事故占總事故的35%左右。最早研究土石壩滲流影響的方法主要是通過水利學(xué)法以及圖解法等眾多科學(xué)計算模擬，對其中存在的滲流破壞風(fēng)險進行分析，這種方法要點在于達西定律，假設(shè)某一種情況進行分析。

伴隨著中國計算機信息技術(shù)水平的快速發(fā)展，為數(shù)值方法的實際推廣和應(yīng)用提供了更為廣闊的平臺，以其獨特的優(yōu)勢為滲流研究做出了巨大貢獻。這種數(shù)值方法最早是在上個世紀(jì)由L.F.Richardson最先提出。方法一經(jīng)誕生，受到了相關(guān)領(lǐng)域的廣泛重視和關(guān)注，經(jīng)過漫長時期的完善和實際應(yīng)用，取得了較為可觀的成效，積累了大量實踐應(yīng)用經(jīng)驗，并且相關(guān)理論基礎(chǔ)已經(jīng)趨于完善。盡管這種方法在實際應(yīng)用中取得了可觀的成效，但是其核心思想是由R.Courant在1913年創(chuàng)新界定的，而“有限單元法”這一名稱是由R.W.Clough最先在研究中采用，就其本質(zhì)而言，同有限差分法之間存在顯著的差異。這種方法以其獨特的優(yōu)勢和實踐開展經(jīng)驗，在上個世紀(jì)60年代開始應(yīng)用在流體力學(xué)理論研究方面。Zienkiewiz在1965年針對此類方法做出了進一步的闡述，認為這種方法更加適合應(yīng)用在復(fù)雜的科學(xué)計算中，依托于可按變分形式，這一理念的提出，在一定程度上促進了在滲流分析領(lǐng)域的應(yīng)用和研究理論基礎(chǔ)。有限元方法在實際應(yīng)用中，最早是借助此種方法來分析土壩中相關(guān)問題，由Clough和Woodward最先提出，最先應(yīng)用在滲流問題研究中，后經(jīng)過不斷完善和創(chuàng)新，進一步引用在非穩(wěn)定滲流問題分析中。相較于國外對于土石壩滲流問題的研究，我國起步較晚，源于上個世紀(jì)70年代后期，借鑒國外實際開展經(jīng)驗，理論方面研究取得了可觀成效，積累了大量實踐經(jīng)驗，其中該項理論研究最主要的成果是由南京水利水電科學(xué)研究院和北京水利水電科學(xué)研究院共同研究得出，以其獨特優(yōu)勢為土壩滲流以及壩坡穩(wěn)定做出了科學(xué)分析流程。但是由于這種方法在實際應(yīng)用中缺乏科學(xué)合理的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，以致于實踐應(yīng)用中多數(shù)將多種方法計算結(jié)果進行對比分析。

3國內(nèi)外滲流理論研究現(xiàn)狀

3.1國外研究現(xiàn)狀

為了能夠推動我國建筑行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，針對其中各項理論研究提出了更高的要求，作為大壩建筑安全監(jiān)測中不可或缺的組成部分，滲流觀測有著較為突出的作用，當(dāng)前國際上對于大壩監(jiān)測方法的選擇存在明顯的差異，主要是根據(jù)建筑工程實際需要為依據(jù)。諸如瑞典的大壩建筑工程，其全自動化智能監(jiān)測系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)排名前列，尤其是對大壩建筑安全監(jiān)測技術(shù)，是其他國家所無法達到的。瑞典在2004年首次研發(fā)而成創(chuàng)新型的光導(dǎo)纖維，并將其實際應(yīng)用在多個土石壩建筑上，結(jié)合土石壩建筑自身特性選擇不同的施工安裝技術(shù)。經(jīng)過一段時間的分析和驗證，發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)的安裝方法較為先進，設(shè)備監(jiān)測結(jié)果精確度較高。

對滲流分析理論研究經(jīng)過不斷完善和創(chuàng)新，理論基礎(chǔ)趨于完善，在此研究中通過對大壩的監(jiān)測，對其大壩建筑各項數(shù)據(jù)指標(biāo)進行分析。于同年8月對瑞典某大壩進行了一場實驗論證，來分析溫度變化同滲流損失量之間關(guān)系。圖1為Hylte大壩的溫度測量結(jié)果。

圖1　Hylte大壩的溫度測量結(jié)果圖

3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相較于國外對于大壩安全監(jiān)測方面的研究，中國起步較晚，相應(yīng)的技術(shù)水平和理論基礎(chǔ)較為薄弱，但是其后勢強勁，即吸收和借鑒國外工作經(jīng)驗來完善我國相關(guān)研究。例如我國南京水利水文自動化自行研究開發(fā)的創(chuàng)新型非接觸式變形監(jiān)測儀器，以其獨特的智能自動化優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在大型水利工程建設(shè)中，包括在三峽以及葛洲壩等眾多水利工程建設(shè)中，取得了較為可觀的成效；南京南瑞集團公司針對水利工程安全所研發(fā)的技術(shù)和產(chǎn)品，在實際大壩水利工程安全監(jiān)測應(yīng)用中起到了突出的作用，其中最主要的是一種創(chuàng)新型的DAMS-Ⅳ大壩監(jiān)測系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中效果尤為突出，但是相應(yīng)的系統(tǒng)安全監(jiān)測軟件只能顯示簡單的數(shù)據(jù)資料，以對數(shù)據(jù)資料的編制為主要功能，有待進一步完善。

我國在水利系統(tǒng)軟件開發(fā)上不斷完善和創(chuàng)新，在實際應(yīng)用中取得了較為可觀的成效，由北京理正軟件研究中心自主研發(fā)的邊坡穩(wěn)定分析軟件、滲流分析軟件以及工程水力學(xué)計算軟件等，被廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域。該公司所研發(fā)的軟件非常適合在大壩滲流破壞以及滲透穩(wěn)定分析中應(yīng)用，通過一系列滲透理論以及有限元法對大壩滲透破壞等問題進行計算，為后續(xù)問題分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。此軟件在土層結(jié)構(gòu)分布情況以及大壩整體結(jié)構(gòu)情況分析中，主要借助AutoCAD建立模型，繪制虛擬圖像對浸潤線進行滲流分析，在確立了相關(guān)參數(shù)和條件后，全自動化智能分析計算結(jié)果，并傳輸?shù)竭吰路€(wěn)定分析軟件中，為邊坡穩(wěn)定分析提供最原始的計算參數(shù)，最后將滲流計算結(jié)果顯示出來，為后續(xù)滲流防范措施提供參考依據(jù)。如圖2。

圖2　浸潤線以下的壩體結(jié)構(gòu)示意圖

4土石壩滲流研究發(fā)展方向展望

就我國土石壩滲流理論研究現(xiàn)狀來看，理論基礎(chǔ)已經(jīng)較為完善，并且積累了大量的實踐工作開展經(jīng)驗，相關(guān)安全監(jiān)測技術(shù)手段也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。但是，由于其自身特性以及發(fā)展歷史較短問題，仍然存在一系列問題，制約著相關(guān)研究的有序進行，有待進一步完善。由此，吸收和借鑒國外該項工作先進理論研究以及實踐經(jīng)驗，為其提供合理的發(fā)展方向有一定必要。

4.1創(chuàng)新豐富多樣化的滲流計算方法

由于土石壩建筑自身特性，極易受到外界客觀因素的影響，所以在實際工程建設(shè)中應(yīng)結(jié)合工程實際需要，采用多樣化的滲流計算方法，將所計算得出的結(jié)果對比分析，選擇最為合適的滲流計算方法，確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。此外，滲流計算方法能夠適應(yīng)建筑變化特性，不斷進行自我完善和調(diào)整，以滿足土石壩建筑需要。

4.2計算機技術(shù)多樣化發(fā)展

伴隨著中國電子計算機技術(shù)快速發(fā)展，針對土石壩滲流計算的過程已經(jīng)摒棄了傳統(tǒng)的手工計算，大多采用計算機的高效計算方式，這種方式不僅能夠提供更高精準(zhǔn)度的計算結(jié)果，提升計算效率和質(zhì)量，規(guī)避錯誤偏差，同時所得結(jié)果能夠更為直觀的展現(xiàn)出來，為后續(xù)分析活動順利開展奠定基礎(chǔ)。電子計算機滲流計算主要是通過圖像的方式呈現(xiàn)，或三維或二維示意圖，展現(xiàn)數(shù)據(jù)變化曲線，一方面能夠規(guī)避大量繁瑣數(shù)據(jù)的錄入，另一方面有助于將數(shù)據(jù)變化趨勢更為直觀生動的展現(xiàn)出來。圖像中以彩色為主，通過顏色的變化表示滲流值計算結(jié)果準(zhǔn)確與否。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：韋詩佳）

中圖分類號：TV641；TV223.4

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-8853（2016）05-0111-02

收稿日期：2016-01-22