土石壩滲流穩(wěn)定及其控制方法研究

汪超盛

摘要：土石壩滲流機(jī)理和滲控措施是研究土石壩滲流的重要課題。從土石壩滲流機(jī)理，土石壩滲流數(shù)值計算，土石壩滲流實驗研究以及土石壩滲流控制四個方面總結(jié)了我國的研究現(xiàn)狀和成果，認(rèn)為今后的研究應(yīng)該著眼于尋求一種統(tǒng)一的、符合實際情況的、綜合考慮各種必要因素的研究方法。

Abstract： The seepage mechanism and seepage control measures of earth-rock dams are important topics for studying seepage of earth-rock dams. From the seepage mechanism of earth-rock dams， numerical calculation of seepage flow of earth-rock dams， experimental study of seepage of earth-rock dams and seepage control of earth-rock dams， the research status and achievements of China are summarized. It is believed that future research should focus on seeking a unified and realistic research method which can take into account various necessary factors.

關(guān)鍵詞：土石壩;滲流機(jī)理;數(shù)值計算;實驗研究

Key words： earth rock dam;percolation mechanism;numerical calculation;experimental research

中圖分類號：TV139.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0257-03

0? 引言

滲流學(xué)科的發(fā)展是基于各個相關(guān)學(xué)科而向前發(fā)展的，涉及到很多學(xué)科的邊緣學(xué)科，比如巖土力學(xué)、水力學(xué)、地下水動力學(xué)等，在廣泛的應(yīng)用中，逐漸發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科。

建國以來，由于土石壩構(gòu)造簡單、運(yùn)行管理方便，適應(yīng)地基變形的能力強(qiáng)等特點，被廣泛運(yùn)用，特別是隨著滲流技術(shù)的不斷提高，土石壩的筑壩技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。土石壩滲流數(shù)值模擬方法層出不窮[1]。然而，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]，由于滲透破壞而導(dǎo)致土石壩失事的概率，中國是29%（2391座），可見研究土石壩的滲流穩(wěn)定意義重大?；诖耍疚年U述了土石壩滲流的機(jī)理，梳理了現(xiàn)有的土石壩滲流數(shù)值計算與實驗研究成果，總結(jié)了土石壩滲控措施，以期為我國土石壩滲流理論的研究提供參考。

1? 土石壩滲流機(jī)理研究

土石壩滲流問題較為復(fù)雜，影響因素也比較多。關(guān)于土石壩的滲流機(jī)理，國內(nèi)的學(xué)者做了許多有益的探討。歸根結(jié)底來說，土石壩的滲流機(jī)理主要是針對滲流量計算、滲透變形[3]來說的。

1.1 滲流量計算

一般來說，土石壩的壩身比較長，地基的透水性有時也會比較大，當(dāng)滲流量過大，極易使得滲流速度在局部區(qū)域產(chǎn)生集中沖刷，因此，土石壩的滲流量的大小就可能成為壩型以及防滲、排滲方案的決定性因素。

目前，計算土石壩的方法主要有流體力學(xué)發(fā)、水力學(xué)法、流網(wǎng)法、試驗法、數(shù)值計算法等。流體力學(xué)法只有在邊界條件簡單的情況下才有解，而且計算繁瑣，工程上較少采用。而水力學(xué)法是一種近似的解析法，計算簡單，能夠滿足工程精度的要求，在過去一直被廣泛采用。流網(wǎng)法是一種簡單的方法，它能夠求解滲流場內(nèi)任一點的滲流要素，但對不同土質(zhì)和滲透系數(shù)相差較大的情況難以采用。而最近隨著計算機(jī)的快速發(fā)展，數(shù)值解法在滲流分析中得到了廣泛的運(yùn)用，對于復(fù)雜和重要的工程，往往采用的是數(shù)值計算的方法來分析和求解。不僅快捷方便，而且計算精度也較高。

1.2 滲透變形

土石壩的滲透變形是壩身及壩基中的滲流，由于物理或化學(xué)的作用，導(dǎo)致土顆粒流失，土壤發(fā)生局部破壞。一般滲透變形與土料的性質(zhì)、土粒的級配、水流條件以及防滲、排水措施等因素有關(guān)，一般有管涌、流土、接觸沖刷和接觸流失等類型[4]。

對于管涌臨界水力坡降的成果很多，但是沒有形成完全成熟的結(jié)論。根據(jù)南京水科院的實驗研究，當(dāng)滲流方向由下而上時，非粘性土發(fā)送管涌的臨界坡降可按以下經(jīng)驗公式推算：Jc=42d3/。其中d3為相對于粒徑曲線上含量為3%的粒徑;k為滲透系數(shù)，n為土壤的孔隙率。當(dāng)滲流自下而上發(fā)生時，常采用由極限平衡理論所得的太沙基公式計算：Jc=（G-1）（1-n）。其中，G為土粒的比重，n為土粒的孔隙率。沙金煊[6]提出了管涌的臨界坡降公式：Jc=（γs/γw-1）（1-n）αd/dΘk。其中，γs為土粒容重，α為考慮土體顆粒為非球形而產(chǎn)生的形狀系數(shù)，一般為對砂礫為1.16～1.17，對銳角顆粒為1.50～1.67;流土的臨界坡降公式為JB=（γs/γw-1）（1-n）α。吳良驥研究了無粘性土管涌臨界水力坡降表達(dá)式為JKP=[（γs-γw）/γw]d1/（d1+εdsK）。其中，dsK為土體顆粒的等效粒徑，dsK=1/∑p1/d1，p1為d1粒徑的顆粒含量，ε為土體的孔隙比;水平管涌的計算公式為：JKp=tanΦ[（γs-γw）/γ]d1/（d1+εdsK），其中，？準(zhǔn)為土體的內(nèi)摩擦角。而毛昶熙，段祥寶等基于滲流力推導(dǎo)了臨界水力坡降公式：Jc=6[（1-n）（s-1）dsK/DsK]2.5，式中，dsK，DsK為細(xì)粒填料與整個土料的等效粒徑，算法為1/∑pi/di，并進(jìn)行了大量實驗的驗證，實驗表明是比較可信的。

2? 土石壩滲流數(shù)值計算

目前土石壩滲流計算的數(shù)值方法主要有三種：即有限差分法，有限單元法和邊界元法。有限差分法是將定解區(qū)域離散為合理分布的區(qū)域，并將微商用相應(yīng)的差商來代替。其算法簡易方便，但對于不規(guī)則邊界以及非均勻滲透介質(zhì)較難模擬;有限單元法將滲流計算域劃分為有限個互不重疊的單元，分別估計每個單元的插值函數(shù)，將微分方程中的水頭函數(shù)表達(dá)式代換為由較為簡單的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助變分原理對其求解，有限元法能夠針對不規(guī)則邊界條件以及非均勻滲透介質(zhì)滲流問題進(jìn)行模擬分析;邊界元法將區(qū)域積分轉(zhuǎn)化為邊界積分，與有限元法相比，邊界元法便于處理無限或半無限滲透介質(zhì)介質(zhì)奇異和自由面的問題。

在土石壩滲流數(shù)值模擬方面，各類商業(yè)軟件以及各個科研機(jī)構(gòu)開發(fā)的程序?qū)映霾桓F。南京科學(xué)院開發(fā)了土壩滲流計算程序UNSST2，飽和-非飽和滲流計算程序UNSAT2，加拿大GEO-SLOPE國際開發(fā)有限公司開發(fā)的Geo-studio軟件中的Seep/w模塊，運(yùn)用ANSYS的二次開發(fā)工具APDL語言編寫滲流計算命令流程序，以及Abaqus及其二次開發(fā)小程序等等。

目前土石壩滲流主要是采用有限元法，運(yùn)用各類有限元軟件進(jìn)行計算分析。趙舒心，許成順等運(yùn)用Geo-studio軟件，并引入等效滲透系數(shù)計算模型，對混凝土防滲墻深度對滲流量和穩(wěn)定安全系數(shù)的影響進(jìn)行了分析;劉福益，費(fèi)文平等通過ANSYS二次開發(fā)，運(yùn)用滲透系數(shù)調(diào)整法，實現(xiàn)了基于ANSYS的熱分析模塊對心墻堆石壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析的功能;陳勇，湯用泉利用Abaqus軟件，以飽和-非飽和滲流理論為基礎(chǔ)，模擬了庫水位下降作用下無基坑振沖加密施工的土石壩滲流場，并對各級水位下的孔壓，流速以及流向進(jìn)行分析，評價了大壩的滲流安全。張愛軍， 駱亞生等利用UnderFlow-3d對黑河引水工程金盆樞紐區(qū)1.2km×1.2km范圍內(nèi)的三向滲流數(shù)值計算，指出土石壩的滲流研究不應(yīng)該只局限于壩體區(qū)域，而應(yīng)該將壩體、壩肩以及一定范圍內(nèi)的庫區(qū)按整體一并研究才能得到符合實際的結(jié)果。

3? 土石壩滲流實驗研究

土石壩滲透實驗主要是對土石壩筑壩材料滲透系數(shù)的精確模擬。滲透系數(shù)是土石壩滲流計算的一個重要的參數(shù)，滲透系數(shù)的大小直接決定了滲流量的大小以及采取的滲控措施。目前，根據(jù)《土工試驗規(guī)程》SL-237-1999中的《粗粒土的滲透及滲透變形試驗》SL237-056-1999的規(guī)定，試驗?zāi)Ｐ徒孛嬷睆交蜻呴L應(yīng)該不小于試樣粒徑特征值D85的4～6倍。然而實際工程中的土石壩筑壩材料所用到的巨粒土，直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實驗室常用的測定土體滲透系數(shù)的儀器，因而無法精確測量巨粒土發(fā)生滲透破壞時的臨界水力梯度以及水平向的滲透系數(shù)。并且，滲透系數(shù)的測試方法不同，其測量值相差比較大。

對于巨粒土的滲透特性測量，河海大學(xué)巖土工程研究所張福海，王保田[7]等研制了粗顆粒土滲透系數(shù)及土體滲透變形測試儀，根據(jù)巨粒混合土中含有細(xì)粒土致使土體難以飽和的特點，在儀器上設(shè)置了密封抽氣飽和裝置，可以對土樣進(jìn)行抽氣飽和，與工程實踐切合較好;馬凌云，李春林等在充分考慮節(jié)能環(huán)保和職業(yè)安全的前提下，采用組合式滲透儀、恒壓供水系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及大量程、高精度的測壓系統(tǒng)，對原有滲透特性試驗設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，滿足了高壩粗粒土滲透特性試驗的要求。

對于滲透系數(shù)的測量，國內(nèi)許多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)也開發(fā)了相應(yīng)的儀器設(shè)備。鄒玉華，陳群[8]等利用自行研制的可提供高水壓、高應(yīng)力的粗粒土大型高壓滲透儀，研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下防滲料和反濾料的滲透變形特性;姜順龍， 王凱采用試坑單環(huán)注水、試坑直接注水和室內(nèi)粗粒土常水頭滲透方法進(jìn)行壩殼料的滲透系數(shù)測定，研究表明，試坑直接注水法適用于適用于滲透系數(shù)較大的壩殼料（1×10-1～1×10-3cm/s），試坑單環(huán)注水法適用于滲透系數(shù)稍小的土料（？燮1×10-2cm/s），而室內(nèi)常水頭法適用于各類壩殼料的滲透材料;雷紅軍，孫遜等在三軸剪切儀的基礎(chǔ)上改造底座及頂帽，并增加三向滲透管路系統(tǒng)，研制了三軸多向滲透試驗裝置，可以實現(xiàn)土樣剪切過程中3個方向中任意一個方向的滲透，測定試樣在不同應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下3個方向的滲透系數(shù)，用以揭示飽和土發(fā)生大剪切變形過程中的滲透特性變化規(guī)律。

4? 土石壩的滲流控制

根據(jù)大量的工程經(jīng)驗以及國內(nèi)外學(xué)者的研究，土石壩滲流問題主要體現(xiàn)在壩體滲流、壩基滲流和繞壩滲流這三個方面，而所采取的的工程措施也是根據(jù)土石壩不同的地形地質(zhì)條件來決定的。而相應(yīng)的措施也有水平防滲，垂直防滲以及排水減壓。隨著人們對土石壩滲流機(jī)理的研究不斷深入以及大型商業(yè)軟件的開發(fā)，對于重大的土石壩滲流問題，往往是依靠數(shù)值分析的方法計算來確定的，這樣比以往依靠經(jīng)驗公式計算更加符合實際。

耿計計，王瑞駿[9]等通過水力學(xué)法與三維有限元法的比較研究，發(fā)現(xiàn)有限元法避免了某些人為的假定，且計算模型更為接近實際，因此其計算結(jié)果更為合理，并對該工程垂直防滲墻的長度進(jìn)行了敏感性研究，得出了壩肩混凝土防滲墻的延伸長度與繞壩滲流特性的改善呈正相關(guān)性的結(jié)論;燕峒勝利用有限元法研究了純化水庫垂直塑鋪和壩體鋪設(shè)復(fù)合土工膜與壩基垂直鋪塑聯(lián)合防滲兩個方案，從防滲效果和經(jīng)濟(jì)性的角度評價了兩個方案的可行性;呂海東，王瑞駿[10]等研究了深厚砂層壩肩繞壩滲流防滲墻延伸長度方案的比較，發(fā)現(xiàn)了深厚砂層壩肩的繞壩滲流主要發(fā)生在砂層內(nèi)，且隨著防滲墻延伸長度的增加，砂層及左壩肩整體的繞壩滲流量均逐步減小的規(guī)律。

土石壩滲流控制的數(shù)值計算不僅簡單方便，而且能夠進(jìn)行多方案的滲控效果和經(jīng)濟(jì)可行性比較，因而在實際工程中被大量采用。

5? 展望

對于土石壩的滲流機(jī)理、數(shù)值分析及實驗，我國在工程實踐以及大量的研究中已經(jīng)取得了豐碩的成果。對于土石壩臨界水力梯度的判斷，已經(jīng)加入了土體粒徑這一影響因素，使得實驗做出的結(jié)果更加符合工程實際;對于粗粒土的水平向滲透系數(shù)以及臨界水力坡度的測定，國內(nèi)已經(jīng)有大量學(xué)者在研究，并且已經(jīng)有了一定的實驗成果;對于土體滲透系數(shù)的定性測量，已經(jīng)開始向盡可能模擬其在有圍壓和不同水頭作用下的方向發(fā)展，使得所測量的滲透系數(shù)更加切合工程背景。

然而，我們要認(rèn)識到，現(xiàn)有的實驗研究成果沒有一個準(zhǔn)確的、定性的結(jié)論，許多實際復(fù)雜的、大型的土石壩滲流問題仍然需要多種方法的聯(lián)合對比，并且結(jié)合模型實驗的方法來加以驗證，對于類似問題的研究，還是需要花費(fèi)很大的人力、物力以及財力。

為此，今后的研究工作應(yīng)該針對一種符合實際情況的，綜合考慮各種必要因素的土石壩滲流理論，并且建立相應(yīng)的數(shù)值計算方法。

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