土石坝渗流研究综述

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1、土石坝渗流研究综述（丁树云蔡正银） http://www.hwcc.com.cn2008年10月1日《人民长江》编辑：宋志宁 摘要:渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，直接关系到工程的安全和投资。许多水工建筑物的失事都与渗流有关。从渗流量计算、渗透变形、渗透控制、渗流的数值模拟和渗透变形试验几个方面总结了国内外的研究现状和成果。认为今后研究重点应放在研制能够测定宽级配料在有围压条件下垂直向、水平向临界水力坡降与渗透系数的设备上，并应开展相应的理论分析。还应该研究建立渗透分析模型，利用其分析散粒体颗粒间受力相互作用发生变形的过程，并确立相应的数

2、值模拟方法。关键词:渗透变形;数值模拟;渗流量计算;临界水力比降;土石坝1概述随着我国水利水电建设的快速发展和“西电东输”水电项目的实施，众多高土石坝的建设被提上了日程，特别在深厚覆盖层河谷，地质条件差，地震烈度高，多数坝高较大（尤其200m以上）的大坝选择或拟选择建土石坝。渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，直接关系到工程的安全和投资。许多水工建筑物的失事都与渗流有关，例如1964年鲍德温山（BaldwinHills）坝由于铺盖与基础接触面产生渗透破坏而失事，1976年堤堂（Teton）坝由于右岸一个窄断层发生渗透破坏，不到6h就发生了跨坝

3、事故。根据我国对241座大型水库曾发生的1000个工程安全问题所作的统计，其中有37.1%的安全问题是由于渗流引起的。渗流是一门与水力学和岩土力学有着密切关系的学科，随着近代科学技术的不断发展，渗流在基本理论、试验手段、计算方法和应用等方面都得到了极大发展，逐渐成为一门专门的学科，已能解决各种复杂的工程问题。理论的发展与研究手段的进步是分不开的，主要表现在两个方面:①渗流研究中已经比较普遍地使用了现代电子计算技术，发展了数值模拟方法;②渗流机理研究的试验手段日益先进。土石坝是挡水建筑物，它和渗流并存，有土石坝就有渗流，土石坝的发展史也就是渗流理论和渗流控制

4、理论的发展史。本文从渗流基本规律、渗流中的数值模拟计算、渗透特性的试验研究3个方面分析国内有关渗流问题的研究现状。2渗流基本规律研究复杂的渗流问题需要深入认识渗流的机理，对其正确认识是建立完善的数学模型的前提，并有助于为生产实践提出有关的建议。土石坝的渗流问题归根到底主要是3个方面:①渗流计算;②渗透变形;③控制渗流。2.1渗流量计算在土石坝设计和运行管理中，渗流计算常占有重要的位置。设计土石坝时，需要通过渗流计算来确定渗漏损失和合理的防渗排渗措施，而坝和坝型的断面尺寸也经常需要借助渗流计算来比较确定。从理论上讲，土石坝渗流计算是在已知定解条件（初始条件、

5、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严格的解析法，它在满足定解条件下求解渗流基本方程，然后得到解的解析表达式。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可

6、以在计算机上模拟出来，同时出现了很多用于渗流分析的程序。2.2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。粗粒土渗透变形破坏坡降的大小是水利水电工程中需要考虑的问题，我国科学家在总结前人的经验基础上，根据单颗粒水力平衡关系，总结出了管涌的临界水力坡降简化式，国内外一些渗流理论专家根据力学平衡原理，通过理论推导，得出一些管涌和流土的临界水力坡降模型公式。如太沙基模型公式、伊斯托明娜管涌型土的抗渗坡降公式、扎马林模型公式、沙金煊公式、中国水利水电科学

7、研究院公式等，其具体形式在这里不再列举，这些公式都未考虑与级配特征有关的参数。目前的试验研究发现，这些理论公式与实测值之间存在一些差距，在工程中未能得到较好的应用。有关渗透变形的研究，大多学者是从试验的角度进行的探索。郭爱国［1］，朱崇辉［2］，刘杰等［3］分别从渗透试验中发现随着粗细颗粒级配的不同，土的渗透机理将会发生改变，粗粒料较多时，粗粒形成骨架，细颗粒充填其中，土的渗透破坏性质取决于粗颗粒的特征，当粗粒含量较少时，不足以形成骨架，粗颗粒是散乱地堆积在细颗粒当中，土的渗透稳定性类似于细粒料。不均匀系数小的土，颗粒大小均匀，骨料与填料区别不明显，土体不

8、能形成骨架结构，如果粒径较小，在较小的水头下，出口处小颗粒被水流带