土石壩滲流發(fā)展研究進(jìn)展

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 新疆 烏魯木齊 830000）

土石壩滲流發(fā)展研究進(jìn)展

裴成元

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 新疆 烏魯木齊 830000）

滲流和滲透控制是土石壩工程中的一項(xiàng)極其重要的課題，參考大量文獻(xiàn)資料，對(duì)土石壩滲流發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。主要論述我國(guó)土石壩滲流發(fā)展現(xiàn)狀及滲流控制理論的現(xiàn)代水平。最終，從滲流的研究理論方向，軟件開發(fā)等各方面論述對(duì)我國(guó)土石壩滲流研究方向進(jìn)行展望。

土石壩；滲流，發(fā)展

引言

隨著我國(guó)水利水電的迅速發(fā)展，土石壩因其眾多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為大壩建設(shè)的重要選擇。由于滲流會(huì)直接影響到大壩的安全，因此早從20世紀(jì)50年代起，滲流和滲流控制就逐漸成為一門學(xué)科。從20世界80年代開始，水工建筑滲流控制的原理由很久以前的上堵下排以防為主的原則，到現(xiàn)在逐漸地發(fā)展為防滲與排滲互相結(jié)合反濾層保護(hù)滲流的出口，現(xiàn)在工程中普遍得到應(yīng)用，滲流和滲流控制是一門與土力學(xué)和水力學(xué)息息相關(guān)的學(xué)科，在兩門力學(xué)中均有涉及，伴隨著科技的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都有突破，然而在水利滲流方面無論從理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)的方法手段，計(jì)算的方式方法，軟件的開發(fā)，和具體應(yīng)用等方面都有了極大程度的發(fā)展進(jìn)步。近十年來我國(guó)土石壩工程技術(shù)在許多領(lǐng)域取得了令人矚目的成果并且在滲流控制上有較大的發(fā)展，其中周所周知名的我國(guó)的小浪底土石壩其高度達(dá)到了154m，水布埡面板堆石壩更是高達(dá)233m，這在國(guó)際上都屬于非常大型的土石壩工程，在滲流控制方面，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：①面板壩的滲流控制更加完善。②我們自主開發(fā)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)愈加先進(jìn)。③排水體作用的發(fā)揮。

土石壩是擋水的建筑物，他是和滲流并存的，原則上來說有土石壩就會(huì)有滲流，兩者是息息相關(guān)的，土石壩的發(fā)展歷史也就相當(dāng)于滲流控制理論的發(fā)展史以及滲流的理論，本文也就是從面板壩的滲流控制，我國(guó)自主開發(fā)的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展方面，排水體作用的發(fā)揮來展開論述。

1.面板壩的滲流控制措施的發(fā)展：

我國(guó)早期面板壩的滲流控制措施是將重點(diǎn)放在面板的止水結(jié)構(gòu)方面，雖然面板的止水結(jié)構(gòu)多達(dá)三道，但有時(shí)也無法避免出現(xiàn)嚴(yán)重漏水的問題。而目前面板壩的滲流控制提升了墊層料的防滲作用，還采用了上游黏土鋪蓋。其中很重要的一點(diǎn)是墊成料具有第二道防滲能力，研究表明高面板壩一旦出現(xiàn)板面脫空的情況，與此同時(shí)面板止水會(huì)被拉斷，面板會(huì)產(chǎn)生例如貫通性裂縫的一系列問題，要保證大壩正常運(yùn)行的最低滲透系數(shù)是10-3cm/s，只要墊層的滲透系數(shù)達(dá)10-3cm/s，就不會(huì)出現(xiàn)大量的滲漏，大壩可以照常的運(yùn)行，我國(guó)的面板堆石壩墊成料均達(dá)到了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，有了第二道防滲線，未出現(xiàn)大量滲漏問題。因此第二道防滲防線對(duì)于我國(guó)土石壩的發(fā)展具有重要意義。

2.大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展：

近年來，我國(guó)的大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)與安全研究進(jìn)展神速，水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所自主研制開發(fā)的非接觸式變形監(jiān)測(cè)儀器及自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用于三峽等大型的水利工程；以采集數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單顯示及資料整編支持為主的著名軟件DAMS-IV大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于大壩工程監(jiān)測(cè)作用也是至關(guān)重要的?？萍嫉倪M(jìn)步是永無止境的，北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院推出的《理正滲流分析軟件》適用于堤壩的滲流及滲流穩(wěn)定計(jì)算，可以采用經(jīng)典滲流理論和有限元分析方法可以直接堆穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流進(jìn)行求解，這對(duì)于處理各種非均質(zhì)土層分布及復(fù)雜壩體情況帶來了很大便利。遼寧省水利水電科學(xué)研究院開發(fā)出來的一套石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)使得人們對(duì)土石壩的安全評(píng)估更加直觀清晰，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于若干大型水庫(kù)上了。

3.排水體作用的發(fā)揮：

排水可謂是滲流控制的重要舉措之一時(shí)常會(huì)與防滲配合使用，是一種常用的減壓方法。其主要是要將極透水的構(gòu)件安置于防滲體的下游，截?cái)辔唇刈〉臐B流，將其以很小的水頭損失排向壩體以外，確保排水體以外的下游側(cè)壩體處于無滲流區(qū)。在反濾層的廣泛使用后，排水與防滲這看似矛盾的兩種措施也巧妙地解決了，近年來，由于反濾層設(shè)計(jì)方法的不斷完善，對(duì)反濾層防止?jié)B透破壞能力有了更為全面且深刻的認(rèn)知，并且明確了反濾層是排水體主要的構(gòu)成成分，其并稱為反濾排水，排水體布置的特點(diǎn)是緊靠過濾層，滲流由過渡層直接進(jìn)入排水體，以此保證過渡層之后的壩體處于無滲流區(qū)，充分保證排水體的功能得以發(fā)揮。例如我國(guó)著名的青海黑圈砂石面板壩壩體排水，其排水效果就特別好，明顯優(yōu)于其他板壩。

4.土石壩滲流發(fā)展展望：

滲流量的計(jì)算是一個(gè)比較大的問題，在土石壩設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中，滲流計(jì)算常常占有著很重要的位置，在設(shè)計(jì)土石壩的時(shí)候，常常需要通過滲流計(jì)算來確定滲漏損失以及合理的防滲在土石壩設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中,滲流計(jì)算常占有重要的位置。從理論上講,土石壩滲流計(jì)算是在已知定解條件(初始條件、邊界條件)下解滲流基本方程,以求出土石壩滲流場(chǎng)的水頭分布,進(jìn)而計(jì)算滲流量和滲流水力坡降等。迄今為止,已有大量文獻(xiàn)介紹了建立在透水或不透水地基上的土石壩滲流計(jì)算方法。這些方法可以將其概括為流體力學(xué)解法和水力學(xué)解法兩類。

流體力學(xué)解法是一種非常嚴(yán)格的解析法,它是在滿足定解條件下求解出滲流基本方程,然后得到解的解析表達(dá)式。然而與之相對(duì)的水力學(xué)解法是一種近似的解析法,它基于對(duì)土石壩滲流作某些假定以及對(duì)局部急變滲流區(qū)段應(yīng)用流體力學(xué)解析解的某些成果而求得滲流問題的解答,因此它并不適用于滲流基本方程的求解。近代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為土石壩滲流計(jì)算開辟了新的途徑,各種復(fù)雜情況下的土石壩滲流都是可以在計(jì)算機(jī)上模擬出來的,同時(shí)出現(xiàn)了很多用于滲流分析的程序。

另一個(gè)大問題是滲透變形，滲透變形是指壩體及壩基中的滲流,由于其機(jī)械或化學(xué)作用,使土體產(chǎn)生局部破壞。滲透變形的形式與土料性質(zhì)、土粒級(jí)配、水流條件以及防滲、排滲措施等因素有關(guān)。

當(dāng)然無論是計(jì)算，還是滲透變形的變形最終都是需要計(jì)算機(jī)來更好更快的完成，計(jì)算機(jī)可以處理圖像讓觀察變得更直觀，讓數(shù)據(jù)變得 清晰易懂。

縱上所述，現(xiàn)階段我國(guó)土石壩研究的理論基礎(chǔ)已經(jīng)相當(dāng)成熟，監(jiān)測(cè)手段以及各種軟件的開發(fā)也日益成熟。但是有些地方仍然存在不足，建議今后能夠用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)手段的多極化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)用多種滲流計(jì)算方法。其中，土石壩滲流計(jì)算的過程應(yīng)由計(jì)算機(jī)來完成，并可以完全取代傳統(tǒng)的手工計(jì)算，這樣既可以保證數(shù)據(jù)的精確性還可以保證計(jì)算速度，不僅如此，滲流計(jì)算結(jié)果是可以用彩色的云圖給出來的，其數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)都可以通過二維和三維數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的表達(dá)出來，這樣我們想要看的各種情況都是一目了然的。當(dāng)然一切的一切終將是要為生態(tài)服務(wù)的，一滲流理論的最終一定會(huì)應(yīng)用到生態(tài)城市的建設(shè)中的。

[1]毛昶熙，滲流計(jì)算分析與控制[M],北京：中國(guó)水利水電出版社，2003

[2]李煒，水力學(xué)[M]，武漢：武漢水利大學(xué)出版社，2000

[3] 羅煥炎，陳雨孫，地下水運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988

[4]張我華，佘功栓，蔡袁強(qiáng)，堤與壩管涌發(fā)生的機(jī)理及人工智能預(yù)測(cè)與評(píng)定，浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.38（7）

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[6]徐永福，蘭守奇，孫德安等.一種能測(cè)量應(yīng)力狀態(tài)對(duì)非飽和土滲透系數(shù)影響的新型試驗(yàn)裝置，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005.24(1).

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