土石坝渗流发展研究进展

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 新疆 乌鲁木齐 830000）

土石坝渗流发展研究进展

裴成元

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 新疆 乌鲁木齐 830000）

渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，参考大量文献资料，对土石坝渗流发展现状进行阐述。主要论述我国土石坝渗流发展现状及渗流控制理论的现代水平。最终，从渗流的研究理论方向，软件开发等各方面论述对我国土石坝渗流研究方向进行展望。

土石坝；渗流，发展

引言

随着我国水利水电的迅速发展，土石坝因其众多优点已经成为大坝建设的重要选择。由于渗流会直接影响到大坝的安全，因此早从20世纪50年代起，渗流和渗流控制就逐渐成为一门学科。从20世界80年代开始，水工建筑渗流控制的原理由很久以前的上堵下排以防为主的原则，到现在逐渐地发展为防渗与排渗互相结合反滤层保护渗流的出口，现在工程中普遍得到应用，渗流和渗流控制是一门与土力学和水力学息息相关的学科，在两门力学中均有涉及，伴随着科技的不断发展，各行各业都有突破，然而在水利渗流方面无论从理论知识，实验的方法手段，计算的方式方法，软件的开发，和具体应用等方面都有了极大程度的发展进步。近十年来我国土石坝工程技术在许多领域取得了令人瞩目的成果并且在渗流控制上有较大的发展，其中周所周知名的我国的小浪底土石坝其高度达到了154m，水布垭面板堆石坝更是高达233m，这在国际上都属于非常大型的土石坝工程，在渗流控制方面，主要表现为以下几点：①面板坝的渗流控制更加完善。②我们自主开发的大坝监测系统愈加先进。③排水体作用的发挥。

土石坝是挡水的建筑物，他是和渗流并存的，原则上来说有土石坝就会有渗流，两者是息息相关的，土石坝的发展历史也就相当于渗流控制理论的发展史以及渗流的理论，本文也就是从面板坝的渗流控制，我国自主开发的大坝监测系统发展方面，排水体作用的发挥来展开论述。

1.面板坝的渗流控制措施的发展：

我国早期面板坝的渗流控制措施是将重点放在面板的止水结构方面，虽然面板的止水结构多达三道，但有时也无法避免出现严重漏水的问题。而目前面板坝的渗流控制提升了垫层料的防渗作用，还采用了上游黏土铺盖。其中很重要的一点是垫成料具有第二道防渗能力，研究表明高面板坝一旦出现板面脱空的情况，与此同时面板止水会被拉断，面板会产生例如贯通性裂缝的一系列问题，要保证大坝正常运行的最低渗透系数是10-3cm/s，只要垫层的渗透系数达10-3cm/s，就不会出现大量的渗漏，大坝可以照常的运行，我国的面板堆石坝垫成料均达到了这个标准，有了第二道防渗线，未出现大量渗漏问题。因此第二道防渗防线对于我国土石坝的发展具有重要意义。

2.大坝监测系统的发展：

近年来，我国的大坝自动化安全监测与安全研究进展神速，水利部南京水利水文自动化研究所自主研制开发的非接触式变形监测仪器及自动化系统已经广泛使用于三峡等大型的水利工程；以采集数据的简单显示及资料整编支持为主的著名软件DAMS-IV大坝监测系统对于大坝工程监测作用也是至关重要的。科技的进步是永无止境的，北京理正软件设计研究院推出的《理正渗流分析软件》适用于堤坝的渗流及渗流稳定计算，可以采用经典渗流理论和有限元分析方法可以直接堆稳定流和非稳定流进行求解，这对于处理各种非均质土层分布及复杂坝体情况带来了很大便利。辽宁省水利水电科学研究院开发出来的一套石坝自动化安全监测分析与评价系统使得人们对土石坝的安全评估更加直观清晰，现已经应用于若干大型水库上了。

3.排水体作用的发挥：

排水可谓是渗流控制的重要举措之一时常会与防渗配合使用，是一种常用的减压方法。其主要是要将极透水的构件安置于防渗体的下游，截断未截住的渗流，将其以很小的水头损失排向坝体以外，确保排水体以外的下游侧坝体处于无渗流区。在反滤层的广泛使用后，排水与防渗这看似矛盾的两种措施也巧妙地解决了，近年来，由于反滤层设计方法的不断完善，对反滤层防止渗透破坏能力有了更为全面且深刻的认知，并且明确了反滤层是排水体主要的构成成分，其并称为反滤排水，排水体布置的特点是紧靠过滤层，渗流由过渡层直接进入排水体，以此保证过渡层之后的坝体处于无渗流区，充分保证排水体的功能得以发挥。例如我国著名的青海黑圈砂石面板坝坝体排水，其排水效果就特别好，明显优于其他板坝。

4.土石坝渗流发展展望：

渗流量的计算是一个比较大的问题，在土石坝设计和运行管理中，渗流计算常常占有着很重要的位置，在设计土石坝的时候，常常需要通过渗流计算来确定渗漏损失以及合理的防渗在土石坝设计和运行管理中,渗流计算常占有重要的位置。从理论上讲,土石坝渗流计算是在已知定解条件(初始条件、边界条件)下解渗流基本方程,以求出土石坝渗流场的水头分布,进而计算渗流量和渗流水力坡降等。迄今为止,已有大量文献介绍了建立在透水或不透水地基上的土石坝渗流计算方法。这些方法可以将其概括为流体力学解法和水力学解法两类。

流体力学解法是一种非常严格的解析法,它是在满足定解条件下求解出渗流基本方程,然后得到解的解析表达式。然而与之相对的水力学解法是一种近似的解析法,它基于对土石坝渗流作某些假定以及对局部急变渗流区段应用流体力学解析解的某些成果而求得渗流问题的解答,因此它并不适用于渗流基本方程的求解。近代计算技术的发展和计算机的应用为土石坝渗流计算开辟了新的途径,各种复杂情况下的土石坝渗流都是可以在计算机上模拟出来的,同时出现了很多用于渗流分析的程序。

另一个大问题是渗透变形，渗透变形是指坝体及坝基中的渗流,由于其机械或化学作用,使土体产生局部破坏。渗透变形的形式与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排渗措施等因素有关。

当然无论是计算，还是渗透变形的变形最终都是需要计算机来更好更快的完成，计算机可以处理图像让观察变得更直观，让数据变得 清晰易懂。

纵上所述，现阶段我国土石坝研究的理论基础已经相当成熟，监测手段以及各种软件的开发也日益成熟。但是有些地方仍然存在不足，建议今后能够用计算机实现手段的多极化，实现运用多种渗流计算方法。其中，土石坝渗流计算的过程应由计算机来完成，并可以完全取代传统的手工计算，这样既可以保证数据的精确性还可以保证计算速度，不仅如此，渗流计算结果是可以用彩色的云图给出来的，其数据的变化趋势都可以通过二维和三维数据准确的表达出来，这样我们想要看的各种情况都是一目了然的。当然一切的一切终将是要为生态服务的，一渗流理论的最终一定会应用到生态城市的建设中的。

[1]毛昶熙，渗流计算分析与控制[M],北京：中国水利水电出版社，2003

[2]李炜，水力学[M]，武汉：武汉水利大学出版社，2000

[3] 罗焕炎，陈雨孙，地下水运动的数值模拟[M].北京：中国建筑工业出版社，1988

[4]张我华，佘功栓，蔡袁强，堤与坝管涌发生的机理及人工智能预测与评定，浙江大学学报，2004.38（7）

[5]刘建刚，陈建生，赵维炳，典型地基渗漏的完整井灌涌模型及其涌沙影响范围，工程勘察，2002.（4）.

[6]徐永福，兰守奇，孙德安等.一种能测量应力状态对非饱和土渗透系数影响的新型试验装置，岩石力学与工程学报，2005.24(1).

G322

B

1007-6344（2017）06-0310-01