淺談如何計算水利水電工程設(shè)計中的滲流

劉偉嬪

一、計算目的

在科技實踐領(lǐng)域，滲流理論被廣泛運用在各個方面。在現(xiàn)代化實體水利化工領(lǐng)域，滲流理論的運用必不可少，它是成功完成各項任務(wù)的理論武器，對于各種設(shè)施建筑的設(shè)計和數(shù)據(jù)的計算有著不可替代的作用。水利工程建設(shè)中，我們最為常用的滲流問題具體包括以下幾個方面：積水建筑物的設(shè)計計算、水工建筑物的滲漏及穩(wěn)定、水庫河渠的側(cè)滲等。針對這些水力學(xué)方面的問題，我們進行滲流計算的主要目的就是：

1.精準地計算出滲流力量；

2.浸潤線位置的確定；

3.滲透壓強和滲透壓力的確定

4.滲透流速的確定

自然之中，液體在多孔介質(zhì)中流動。我們所知道的天然多孔介質(zhì)主要是巖層和土體等裂隙性和多孔性介質(zhì)。

而在日常生活中的許多工業(yè)項目和水利工程中，滲流存在于各個方面。諸如生產(chǎn)建設(shè)中的擋水土壩中的滲流等。針對滲流問題研究時，我們主要注重以下幾個部分：滲流速度分布、滲流作用于基底上的力等。

二.滲流計算的主要方法

我們在研究滲流問題，對建筑物等進行計算時，主要采用以下幾種方法。

1.流體力學(xué)解法：這種解法屬于一種比較嚴格的解法，當(dāng)實際條件滿足時能夠精準地計算出任何一個點的數(shù)值。然而，由于其解答過程的復(fù)雜性和條件的苛刻性，在實際生產(chǎn)和建筑中這種解法很少用到，它只能在較為簡單的情況下運用。

2.水力學(xué)解法：如上的近似解法。是在理論上對一些情況進行假定，在假定的條件進行對某些特定便捷的流體力學(xué)解法。這種解法在時間生產(chǎn)應(yīng)用中由于條件要求的苛刻，所受限制良多，實際應(yīng)用并不普遍。

3.模擬解法：在以上兩種解法缺點的基礎(chǔ)上，在面對實際工程時，通常會利用水力學(xué)實驗來模擬實際場景繼而解出相應(yīng)的滲流問題。

4.計算機數(shù)值模擬：這種解法主要是先根據(jù)具體情況建立起一個數(shù)學(xué)模型，用建立起的數(shù)學(xué)模型來解出滲流問題。這種解法通常也被叫做數(shù)值法，而在數(shù)值法的領(lǐng)域內(nèi)，又有有限差分法、有限元法之分。如今，在實際工程建造中，被廣泛應(yīng)用于水利工程中的主要是有限元法和水力學(xué)解法。這兩種解法各有不同，然而在水利工程和建筑設(shè)計中卻共同發(fā)揮著不可小覷的作用和能量。

三.滲流計算工況及系數(shù)選取

1.常規(guī)堤防工程

通常情況下，有三種水位組合存在于常規(guī)堤防工程計算之中，這三種組合的滲透系數(shù)選取原則和滲流計算目的分為以下幾個方面：

背水坡為相應(yīng)水位，臨水側(cè)為高水位。這樣的組合其計算目的是：①對背水坡最高溢出點、背水坡表面處溢出點等都得到計算，這樣的計算非常有利于安全復(fù)核，其他有關(guān)排水設(shè)施也在很大程度上發(fā)揮作用。②浸潤線的計算，穩(wěn)定背水邊坡在這種情況下的穩(wěn)定計算；③利用滲流量以及各種具體分析和數(shù)據(jù)對整個工程的背水設(shè)計和可行性進行深入研究探討。

臨水側(cè)為高水位，背水坡為低水位，有時情況惡劣還會出現(xiàn)無水狀況。這個設(shè)計組合的計算目的就是：①浸潤線和背水坡邊的計算，相應(yīng)各個參數(shù)都要相應(yīng)地準備一些，取平均值。②對局部滲流的穩(wěn)定性進行復(fù)核，并重視反濾層設(shè)計。在土體的滲透系數(shù)取值方面，局部滲透取最小值，上下部位選取大值的平均值。

當(dāng)在生活中遭遇洪水襲擊時，這種情況對臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定是最不利的。當(dāng)臨水坡面超過最高浸潤線時，在這種情況下有關(guān)穩(wěn)定性的計算最不利，因此在面臨計算工況下進行土體滲透系數(shù)時我們所應(yīng)選取的數(shù)值應(yīng)該是最小值的平均值。

2特殊項目

由于一些項目較為特殊，必要時還應(yīng)考慮工程蓄水過快、降雨飽和堤壩岸坡、堆筑期間的孔隙水壓力、超孔隙水壓力等因素，應(yīng)具體問題具體分析。

1.工程蓄水過快

工程蓄水過快會影響上游壩坡的穩(wěn)定性，尤其是工程初次蓄水時，影響更為顯著。由于浸潤飽和土需要一個漫長的過程，特別是對于粘性土而言，其透水性差，導(dǎo)致浸潤線陡峭，很容易出現(xiàn)上下涂層的飽和性出現(xiàn)差異。如果浸潤前鋒滲透坡降過大，出現(xiàn)不均勻沉降的情況，壩坡很容易出現(xiàn)裂隙，誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

2.降雨飽和堤壩岸坡

臨水側(cè)水位驟降與降雨飽和堤壩岸坡兩者之間有很強的相似性，其主要是由于大氣降水過多或河岸地下水補給過多，使孔隙水壓力升高，如果在基礎(chǔ)中有承壓水存在，或工程本身存在排水不暢的問題時，降雨飽和堤壩岸坡最為嚴重。

3.堆筑期間的孔隙水壓力

如果工程的地基土質(zhì)屬軟粘性土，而工程施工又過快時，上部荷重導(dǎo)致的孔隙水壓力就沒有充足的時間消散。此時剪應(yīng)力的增加會大幅削弱軟粘性土的穩(wěn)定性，易誘發(fā)滑坡。另外，當(dāng)填筑土料本身水分過大時，也易產(chǎn)生孔隙水壓力，導(dǎo)致發(fā)生滑坡。

4.超孔隙水壓力

根據(jù)孔隙水壓力的計算公式可知，其為排水面與計算點之間的水體重量。但是對堆筑期間的孔隙水壓力分析可知，實際情況中的孔隙水壓力值都大于常規(guī)的孔隙水壓力值。超孔隙水壓力值即大于常規(guī)孔隙水壓力值的部分。相關(guān)資料顯示，粘性土與飽和的軟粘性土填筑造成的超孔隙水壓力并不相同，前者造成的超孔隙水壓力一般在上部重量的50%左右，特殊情況下可能達到80%-90%。對于后者而言，其超孔隙水壓力大約等于上部重量。

五、結(jié)語

目前，水利水電工程設(shè)計中的滲流計算方法很多，本文在闡述滲流計算主要方法的基礎(chǔ)上，對滲流計算工況組合與滲透系數(shù)的選取進行了簡要分析，以水力學(xué)解法為例進行了重點探討，旨在為水力水電工程設(shè)計中的滲流計算提供一些借鑒。

參考文獻：

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