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水利水电工程碾压土石坝设计的渗流分析

【摘 要】在水利工程建设中，渗流计算是碾压式土石坝设计的最重要环节，本文作者对碾压式土石坝设计的渗流计算方法进行了探讨。

【关键词】碾压式土石坝；渗流计算

1 计算目的

1．1 坝体(堤身)浸润线的位置。

1．2 渗透压力、水力坡降和流速。

1．3 通过坝体(堤身)或坝(堤)基的渗流量。

1．4 坝体(堤身)整体和局部渗流稳定性分析。

2 渗流计算的主要方法

渗流计算求解方法一般可分为以下4 种类型：

2．1 流体力学解法：是一种严格的解法，在满足定解的边条件下可以求出渗流场中任何一点的值。但解答非常复杂，只少数简单的情况有效，在实际工程应用上受到较多的制约。

2．2 水力学解法：是流体力学解法的近似解。是在作了某假定的基础上对一些特定的边界条件的流体力学解法。同样实际工程应用上受到较多的制约。

2．3 模拟试验：基于上述二种方法的缺点，对于实际工程，常通过水力学实验来模拟求解渗流问题。

2．4 计算机数值模拟：通过建立一个数学模型，来求解渗问题，也称数值法，数值法又分为有限差分法、有限元法。目前，上述渗流计算方法中在水利工程上应用最广的主是水力学解法和有限元法。

3 渗流计算工况组合及渗透系数的选取

3．1 常规堤防工程

常规的堤防工程计算提出了三种水位组合，此三种水位合的渗流计算目的及相应土体的渗透系数选取原则主要为：

3．1．1 临水侧为高水位，背水坡为相应水位。本组合的计算目的：

（1） 计算背水坡可能最高的逸出点位置、背水坡逸出段及背水坡基础表面出逸比降，用于背水坡渗流安全复核、反滤层及排水设施设计；

（2） 背水坡面可能最高的浸润线，用于背水边坡稳定计算；

（3） 当堤身、堤基土的渗透系数大于10m ／ s 时，计算渗流量用于分析防渗措施对本工程运行要求的可行性和背水坡排水设施设计(对于大坝均要求进行渗流量计算)。

对上述第1）、2）种计算目的工况，堤身、堤基的渗透系数则取小值平均值，对第3）种计算目的工况则取大值平均值。

3．1．2 临水侧为高水位，背水坡为低水位或无水。本组合的计算目的：

（1） 背水坡面可能最高的浸润线，用于背水坡边坡稳定计算，相应各土体的渗透系数取小值平均值；

（2） 复核局部渗流稳定及进行反滤层设计，则进行局部渗流稳定性复核土体的渗透系数取小值，其上、下部位土体的渗透系数取大值平均值。

3．1．3 洪水降落时对临水侧堤坡稳定最不利的情况。当临水坡面可能最高浸润线时，临水坡稳定计算最不利，所以计算工况下的土体渗透系数应取小值平均值。

3．2 特殊项目

对一些特殊的项目，必要时还应考虑以下计算工况或因素。

3．2．1 工程中蓄水过快的情况。在工程蓄水使水位上升过快时，对上游坝坡稳定也是不利的，特别是初次蓄水时。因为水位上升太快，浸润饱和土的过程又很长，特别是透水性小的粘性土，造成浸润线很陡，此时上下土层的饱和性不一致，且浸润前峰渗透坡降很大，将导致不均匀沉降，从而产生裂隙而滑坡。

3．2．2 降雨饱和堤坝岸坡。降雨饱和堤坝岸坡的稳定与临水侧水位骤降情况是相类似的，是由于大气降水及河岸地下水的补给造成较高的孔隙水压力的结果，尤其在基础中存在承压水或排水不畅时最为严重。

3．2．3 堆筑期间的孔隙水压力。施工期孔隙水压力的问题，一种情况是在软粘性土的饱和地基上筑堤(坝)，由于填筑速度较快，上部荷重所引起的孔隙水压力来不及消散，因而在剪应力不断增加下，其稳定性大减从而引起滑坡； 另一种情况是由于填筑土料本身含水量过大，在堤(坝)本身引起孔隙水压力，从而发生滑坡。

3．2．4 超孔隙水压力。孔隙水压力可理解为计算点至排水面问水体的重量。但从上述降雨饱和堤坝岸坡以及堆筑期间的孔隙水压力分析可见，实际情况中各点的孔隙水压力都超过常规概念上的孔隙水压力值，那么把这超出部分的孔隙水压力定义为超孔隙水压力。按一些资料，粘性土填筑所造成的超孔隙水压力一般约为上部重量的50％，有的达80～90％；对于在饱和的软粘性土地基上修筑堤坝，则其产生的超孔隙水压力几乎等于所加的上部重量。

4 水力学解法在工程上的运用

水力学解法“是在作了某些假定的基础上对一些特定的边界条件的流体力学解法”。除了对边界条件及计算过程中的一些假定以外，水力学解法对地层的渗透系数也做了一些简化处理。

4．1 对于渗透系数相差5 倍以内的相邻薄土层可视为一层， 采用加权平均的渗透系数作为计算依据。

4．2 双层结构地基， 当下卧土层的渗透系数比上层土层的渗透系数小100 倍及以上时，可将下卧土层视为不透水层；表层为弱透水层时，可按双层地基计算。

4．3 当直接与堤基连接的地基土层的渗透系数比堤身的渗透系数大100 倍及以上时，可认为堤身不透水，仅对堤基按有压流进行渗透计算，堤身浸润线的位置可根据地基中的压力水头确定。

4．4 对加权平均的渗透系数的计算一般上有以下二种情况：

4．4．1 对各向异性土的计算

对各种异性土(包括任意倾斜方向的不同渗透性)，可把渗透区边界(包括建筑物的地下轮廓)的水平尺寸剩以因数a 转化为各向同性均质地基进行渗透计算，且渗透系数取为k，算得各点水头后，再把水平尺寸除以a，恢复为原来的图形。

4．4．2 对层状土的计算

对渗透系数和厚度不同的层状地基，可转化为均质各向异性土来处理，其等效平均的水平渗透系数与垂直渗透系数。

5 有限元解法在工程上的运用

5．1 数学模型的选取

从目前应用研究的情况上看，大约有四种数学计算模型：①布辛内斯克方程；②拉普拉斯方程；③扩散方程；④固结方程。以上各种计算数学模型都有