| 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（Baldwin Hills）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、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走，并逐渐发展为流土破坏。如果不均匀系数较大，曲率系数也较大，土体缺乏中间粒径，在土体结构中，大颗粒形成的骨架结构空隙较大，小颗粒在大空隙中处于自由状态，在较小的水力坡降下，小颗粒土体被带走，形成管涌破坏，这种破坏形式由于粗颗粒骨架还存在，还能承担一定的水力坡降，土体结构并未完全破坏。如土体不均匀系数较大，曲率系数为1～3，土体级配良好，土体中颗粒大小渐变，空隙中填料被约束而处于固定状态，渗透破坏形式表现为流土破坏。朱崇辉［2］ 通过试验发现:同类土体的渗透变形与土体的密度有关，密度越小土体越疏松，在渗透水流的作用下容易发生渗透破坏;渗透变形还与土体的粘聚力有关，粘聚力越大，土体间作用力越强，土体越稳定，越不容易发生渗透破坏。薛星祖［4］ 分析砾质土的渗透变形i～V曲线图，将其分为3个阶段:第1阶段，水力坡降和渗透流速呈直线关系，土样未破坏;第2阶段，在一定渗透水流作用下发生管涌之前，土体先出现压密或变松，细颗粒开始移动，开始出现潜蚀，即内部管涌，移动的细颗粒淤积在通道的孔隙中，使流速变小，出现i～V曲线的第1折点，说明在土体内首先发生了颗粒的调整和移位，已有内部管涌发生;第3阶段，出现骨架变形时为第2折点，线段几乎与流速坐标平行，这是管涌通道发展的最终结果，这个阶段很短，而且变化很快。何永红［5］ 等在分析砂卵石的渗透变形的形成条件的基础上，对渗透变形的形式进行了简要评价，并提出了渗透变形临界坡降的计算方法。葛建［6］ 、曾有丽［7］ 阐述了堤防、水工建筑物渗透变形的类型、成因、规律，对渗透稳定性问题进行了分析研究。朱伟［8］ 结合某工程问题，应用有限元饱和—非饱和渗流解析，对地基渗透破坏发生机制及其影响因素做了分析和讨论。李振［9］ 比较详尽地介绍了黑河土石坝筑坝材料在各种组合情况下的渗透稳定性及其特点，比较全面地分析了各种渗透势下的渗透变形机理。
根据上述分析，前面列举的与级配特征无关的计算式计算出的单一结果与多组不同级配特征下实测结果产生较大差距成为必然，认为用一个统一的与级配无关的模型公式表示级配复杂多样的粗粒土的渗透破坏坡降，从理论上讲本身就存在缺陷，故应当考虑粗粒土的级配对渗透变形的影响。朱崇辉［10］ 建议将级配特征相近的粗粒土进行分类研究，建立分段统一的渗透破坏坡降模型表达式，将级配特征参数引入渗透破坏模型公式。
2.3 渗流控制 从20世纪80年代开始，闸坝基础渗流控制的原则逐渐明确为防渗、排渗与反滤层保护渗流出口相结合。对土石坝透水地基渗流控制方法主要有:设置截水槽，浇筑混凝土防渗墙或设灌浆帷幕，铺筑上游水平防渗铺盖。
3 渗流的数值模拟计算
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，都可以在计算机上模拟出来。实践证明，利用数值方法求解均质或非均质、各向异性或各向同性以及复杂边界条件的土石坝渗流问题，虽然得到的解是近似的，然而却是满意的解答，对于土石坝渗流问题，已基本上可取代模拟试验。由于数值模拟无需复杂而专门的设备，不像常规物理试验那样需要很长的时间，修改算法和模型都比较方便，并且可以程序化，因而近年来有关渗流分析的数值计算和模拟发展尤为迅速，使得许多渗流力学难于解答的问题得以重新认识。
在渗流的数值模拟方面，有科研院所自己编制的程序，如南京水利科学研究院结合生产任务应用有限元法研制的土坝渗流计算程 最新推荐 猜你喜欢
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