水壩滲流的研究

仇為鑫

摘 要 水壩由于上下游存在水位差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滲流現(xiàn)象。滲流不僅會(huì)削弱水壩的蓄水能力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)誘發(fā)地基變形，影響水壩的整體穩(wěn)定性。本文從水壩滲流產(chǎn)生的原因入手，逐步介紹了了滲流的危害，并提出控制措施。

關(guān)鍵詞 水壩 滲流 控制措施

中圖分類號(hào)：TV62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

水壩作為主要的擋水物，當(dāng)其壅高上游水位后，大壩的上下游會(huì)形成較大的水位差，使得儲(chǔ)蓄水體在水壓力的作用下，通過(guò)具有較強(qiáng)透水性的巖土體中，發(fā)生滲漏。由此可見，滲流隨著水壩的運(yùn)行會(huì)一直存在，如果在設(shè)計(jì)施工和后期的管理階段中不對(duì)滲流進(jìn)行專門的技術(shù)處理，不但會(huì)使得水壩的蓄水量減少，而且壩基滲透壓力會(huì)減小水壩的有效重力，情況嚴(yán)重的，甚至?xí)饓位鶟撐g和滲透變形，危機(jī)大壩安全。

1水壩滲流的產(chǎn)生

水壩土體中存在大量的孔隙，并且大部分的孔隙都是互相連通的。當(dāng)飽和土體中的兩點(diǎn)存在水頭壓力差時(shí)，水體就會(huì)在壓力差的作用下，從壓力較高的一側(cè)通過(guò)水體的連通孔隙流向壓力較低的一側(cè)。水在壓力差作用下通過(guò)土體孔隙的現(xiàn)象就是滲流。由此可見，水壩由于周圍天然土體存在孔隙，以及壩體材料的孔隙，在上下游水位差下，會(huì)不可避免的產(chǎn)生滲流現(xiàn)象。

在以擋水為目的的土石堤壩中會(huì)由于滲流逐漸改變地基的土體構(gòu)成和改變堤壩中的應(yīng)力分布，會(huì)喪失穩(wěn)定性;非飽和的坡面會(huì)由于水分的遷移而造成土的含水率和土的強(qiáng)度變化，這些都有可能引發(fā)破壞事故。

2水壩滲流的特點(diǎn)

2.1堤壩滲流類型

第一，堤身滲流。堤身滲流包括散浸與集中滲漏，就散浸而言，滲流經(jīng)過(guò)堤壩經(jīng)由背水坡進(jìn)行滲出，逸出點(diǎn)若是過(guò)高超過(guò)下游排水設(shè)備的頂部，則下游坡面土體會(huì)出現(xiàn)陰濕情況，而此種情況便被稱之為散浸。就集中滲漏而言，滲水可從壩體下游面，壩基的幾個(gè)或是幾個(gè)空穴集中流出，從而出現(xiàn)股水滲漏出的異常滲漏情況，便屬于集中滲漏。第二，接觸滲漏。滲水經(jīng)過(guò)堤壩體與地基、剛性建筑物、新老結(jié)合的接觸面經(jīng)過(guò)時(shí)，在堤壩后下游所對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行滲出，同時(shí)也可能會(huì)穿過(guò)堤上建筑物以及壩下埋管出現(xiàn)裂縫，滲水經(jīng)由裂縫急性流出，沿著接觸面急性滲出。第三，壩基滲漏。此種滲漏情況是經(jīng)由壩基水層，從壩腳或是從壩腳以外覆蓋面較為薄弱的位置進(jìn)行滲出。

2.2滲透變形產(chǎn)生條件

2.2.1土體結(jié)構(gòu)因素分析

（1）粗細(xì)顆粒粒徑比：能在粗顆粒骨架之間空隙通過(guò)的細(xì)顆粒，其粒徑小于空隙直徑。據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)>20時(shí)，才易于形成管涌。

（2）土顆粒級(jí)配的不均勻系數(shù)：研究表明：CU<10的土易產(chǎn)生以流土為主要形式滲透變形;CU>20的土易產(chǎn)生管涌為主要形式的滲透變形;10

2.2.2水動(dòng)力條件

確定能否產(chǎn)生滲透變形的主要方法是分析滲透水流水力坡降與土層臨界水力坡降的關(guān)系。所謂土層的臨界水力坡降是指滲透水流使土體發(fā)生滲透變形極限平衡狀態(tài)時(shí)所具有的水力坡降。其理論大小為

一般情況下，當(dāng)滲透水流的實(shí)際水力坡降大于土體臨界水力坡降時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生滲透變形破壞。

3水壩滲流的分析

通常的滲流分析方法由解析法、數(shù)值解法、流網(wǎng)法等。

3.1解析法

常見方法有流體力學(xué)和水力學(xué)法。

（1）流體力學(xué)法。假定水壩滲流區(qū)內(nèi)的滲流滿足達(dá)西定律及滲流連續(xù)方程，其中任一點(diǎn)的勢(shì)函數(shù)應(yīng)滿足拉普拉斯方程，即

（2）水力學(xué)法。假定滲透水流為漸變流，過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)滲透坡降和滲透流速都是相等的。這種方法不能準(zhǔn)確求出任一點(diǎn)的滲流要素，但一般已能滿足工程設(shè)計(jì)要求的精度。

3.2數(shù)值解法

滲流分析的數(shù)值計(jì)算方法主要有差分法和有限單元法。

差分法是對(duì)拉普拉斯方程用差分法求解，一般用于穩(wěn)定滲流。將滲流場(chǎng)劃分為有限個(gè)正方形網(wǎng)格，結(jié)合邊界條件，以各網(wǎng)格交點(diǎn)處的測(cè)壓管水頭值為未知數(shù)，建立一系列差分方程式，然后聯(lián)立求解各點(diǎn)的測(cè)壓管水頭值。

有限單元法是以變分原理求泛函極小值的方法求解符合邊界條件和初始條件的滲流方程。先將滲流場(chǎng)劃分為有限個(gè)單元，以各單元結(jié)點(diǎn)處的測(cè)壓管水頭值為未知數(shù)，把求解泛函極值的問(wèn)題化為求解線性方程組的問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)解方程組即可求得各點(diǎn)水頭值，并據(jù)以求得其他滲流要素。

3.3流網(wǎng)法

該發(fā)使用手繪制出流網(wǎng)，然后用流網(wǎng)來(lái)求解平面滲流的各個(gè)要素，實(shí)質(zhì)上就是滲流基本微分方程的圖解法。由于簡(jiǎn)便迅速，可用于解決邊界條件較復(fù)雜的滲流問(wèn)題，且能達(dá)到足夠的精度，故得到廣泛采用。

4水壩滲流的防治措施

在實(shí)際生產(chǎn)中，常在壩上游面固結(jié)灌漿，堵塞漏洞和縫隙，加固補(bǔ)強(qiáng)壩體和提高防滲性能，以進(jìn)一步提高壩體的承載能力和完整性。壩下游面追蹤固結(jié)灌漿，在下游壩面有漏水或溶蝕物逸出的地方，造成水平孔和斜孔，埋注漿管進(jìn)行灌漿，以堵塞漏水通道和壩體空洞、裂縫、加固壩體，增加壩面穩(wěn)定性和抗沖刷能力。

5總結(jié)

近年來(lái)，水壩在防洪、灌溉等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。其中，安全問(wèn)題一直是影響水壩運(yùn)行的重要因素，有必要對(duì)水壩安全性進(jìn)行分析。由上文可以看出，滲透是比較常見的水壩問(wèn)題。本文從滲透的原理出發(fā)，對(duì)滲透的產(chǎn)生、特點(diǎn)、分析方法以及防治措施進(jìn)行討論，實(shí)際生活中，應(yīng)綜合考慮各方面影響因素，將滲透對(duì)水壩的影響降到最低。

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