摘 要：在水利工程建設(shè)中，水利水電工程設(shè)計是整個工程中十分重要的一個環(huán)節(jié)滲流計算在水利水電工程設(shè)計中應(yīng)用非常普遍，本文作者對水利水電工程設(shè)計中遇到問題進行了探討。

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　　水利水電工程的設(shè)計工作貫穿于工程建設(shè)的全過程,包括工程項目的規(guī)劃、可行性研究、初步設(shè)計及施工設(shè)計等一系列設(shè)計工作。由于工程技術(shù)難度大、重視安全性、投資數(shù)額巨大等原因,都對工程設(shè)計的可行性、合理性及經(jīng)濟性研究提出了較高要求。但是,就目前情況來看,水利水電工程設(shè)計仍然存在著諸多丞待解決的問題。

　　1.計算目的

　　1. 1 壩體(堤身)浸潤線的位置。

　　1.2 滲透壓力、水力坡降和流速。

　　1.3 通過壩體(堤身)或壩(堤)基的滲流量。

　　1.4 壩體(堤身)整體和局部滲流穩(wěn)定性分析。

　　2. 滲流計算的主要方法

　　滲流計算求解方法一般可分為以下4 種類型：

　　2.1 流體力學(xué)解法：是一種嚴格的解法，在滿足定解的邊條件下可以求出滲流場中任何一點的值。但解答非常復(fù)雜，只少數(shù)簡單的情況有效，在實際工程應(yīng)用上受到較多的制約。

　　2.2 水力學(xué)解法：是流體力學(xué)解法的近似解。是在作了某假定的基礎(chǔ)上對一些特定的邊界條件的流體力學(xué)解法。同樣實際工程應(yīng)用上受到較多的制約。

　　2.3 模擬試驗：基于上述二種方法的缺點，對于實際工程，常通過水力學(xué)實驗來模擬求解滲流問題。

　　2.4 計算機數(shù)值模擬：通過建立一個數(shù)學(xué)模型，來求解滲問題，也稱數(shù)值法，數(shù)值法又分為有限差分法、有限元法。目前，上述滲流計算方法中在水利工程上應(yīng)用最廣的主是水力學(xué)解法和有限元法。

　　3. 滲流計算工況組合及滲透系數(shù)的選取

　　3.1 常規(guī)堤防工程

　　常規(guī)的堤防工程計算提出了三種水位組合，此三種水位合的滲流計算目的及相應(yīng)土體的滲透系數(shù)選取原則主要為：

　　3.1.1 臨水側(cè)為高水位，背水坡為相應(yīng)水位。本組合的計算目的：

　　1)計算背水坡可能最高的逸出點位置、背水坡逸出段及背水坡基礎(chǔ)表面出逸比降，用于背水坡滲流安全復(fù)核、反濾層及排水設(shè)施設(shè)計;

　　2) 背水坡面可能最高的浸潤線，用于背水邊坡穩(wěn)定計算;

　　3) 當(dāng)?shù)躺怼⒌袒�土的滲透系數(shù)大于10m / s 時，計算滲流量用于分析防滲措施對本工程運行要求的可行性和背水坡排水設(shè)施設(shè)計(對于大壩均要求進行滲流量計算)。對上述第1)、2)種計算目的工況，堤身、堤基的滲透系數(shù)則取小值平均值，對第3)種計算目的工況則取大值平均值。

　　3.1.2 臨水側(cè)為高水位，背水坡為低水位或無水。本組合的計算目的：

　　1) 背水坡面可能最高的浸潤線，用于背水坡邊坡穩(wěn)定計算，相應(yīng)各土體的滲透系數(shù)取小值平均值;

　　2) 復(fù)核局部滲流穩(wěn)定及進行反濾層設(shè)計，則進行局部滲流穩(wěn)定性復(fù)核土體的滲透系數(shù)取小值，其上、下部位土體的滲透系數(shù)取大值平均值。

　　3.1.3 洪水降落時對臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定最不利的情況。當(dāng)臨水坡面可能最高浸潤線時，臨水坡穩(wěn)定計算最不利，所以計算工況下的土體滲透系數(shù)應(yīng)取小值平均值。

　　3.2 特殊項目

　　對一些特殊的項目，必要時還應(yīng)考慮以下計算工況或因素。

　　3.2.1 工程中蓄水過快的情況。在工程蓄水使水位上升過快時，對上游壩坡穩(wěn)定也是不利的，特別是初次蓄水時。因為水位上升太快，浸潤飽和土的過程又很長，特別是透水性小的粘性土，造成浸潤線很陡，此時上下土層的飽和性不一致，且浸潤前峰滲透坡降很大，將導(dǎo)致不均勻沉降，從而產(chǎn)生裂隙而滑坡。

　　3.2.2 降雨飽和堤壩岸坡。降雨飽和堤壩岸坡的穩(wěn)定與臨水側(cè)水位驟降情況是相類似的，是由于大氣降水及河岸地下水的補給造成較高的孔隙水壓力的結(jié)果， 尤其在基礎(chǔ)中存在承壓水或排水不暢時最為嚴重。

　　3.2.3 堆筑期間的孔隙水壓力。施工期孔隙水壓力的問題，一種情況是在軟粘性土的飽和地基上筑堤(壩)，由于填筑速度較快，上部荷重所引起的孑L 隙水壓力來不及消散，因而在剪應(yīng)力不斷增加下，其穩(wěn)定性大減從而引起滑坡; 另一種情況是由于填筑土料本身含水量過大，在堤(壩)本身引起孔隙水壓力，從而發(fā)生滑坡。

　　3.2.4 超孔隙水壓力。孔隙水壓力的一般公式為，可u：，可理解為計算點至排水面問水體的重量。但從上述降雨飽和堤壩岸坡以及堆筑期間的孔隙水壓力分析可見，實際情況中各點的孔隙水壓力都超過常規(guī)概念上的孔隙水壓力值，那么把這超出部分的孔隙水壓力定義為超孔隙水壓力。按一些資料，粘性土填筑所造成的超孔隙水壓力一般約為上部重量的50%，有的達80～90%;對于在飽和的軟粘性土地基上修筑堤壩，則其產(chǎn)生的超孔隙水壓力幾乎等于所加的上部重量。

　　4. 水力學(xué)解法在工程上的運用

　　水力學(xué)解法“是在作了某些假定的基礎(chǔ)上對一些特定的邊界條件的流體力學(xué)解法”。除了對邊界條件及計算過程中的一些假定以外，水力學(xué)解法對地層的滲透系數(shù)也做了一些簡化處理。

　　4.1 對于滲透系數(shù)相差5 倍以內(nèi)的相鄰薄土層可視為一層， 采用加權(quán)平均的滲透系數(shù)作為計算依據(jù)。

　　4.2 雙層結(jié)構(gòu)地基， 當(dāng)下臥土層的滲透系數(shù)比上層土層的滲透系數(shù)小100 倍及以上時，可將下臥土層視為不透水層;表層為弱透水層時，可按雙層地基計算。

　　4.3 當(dāng)直接與堤基連接的地基土層的滲透系數(shù)比堤身的滲透系數(shù)大100 倍及以上時，可認為堤身不透水，僅對堤基按有壓流進行滲透計算，堤身浸潤線的位置可根據(jù)地基中的壓力水頭確定。

　　4.4 對加權(quán)平均的滲透系數(shù)的計算一般上有以下二種情況：

　　4.4.1 對各向異性土的計算

　　對各種異性土(包括任意傾斜方向的不同滲透性)，可把滲透區(qū)邊界(包括建筑物的地下輪廓)的水平尺寸剩以因數(shù)a 轉(zhuǎn)化為各向同性均質(zhì)地基進行滲透計算，且滲透系數(shù)取為k，算得各點水頭后，再把水平尺寸除以a，恢復(fù)為原來的圖形。

　　4.4.2 對層狀土的計算

　　對滲透系數(shù)和厚度不同的層狀地基，可轉(zhuǎn)化為均質(zhì)各向異性土來處理，其等效平均的水平滲透系數(shù)與垂直滲透系數(shù)。

　　5. 有限元解法在工程上的運用

　　5.1 數(shù)學(xué)模型的選取

　　從目前應(yīng)用研究的情況上看，大約有四種數(shù)學(xué)計算模型：①布辛內(nèi)斯克方程;②拉普拉斯方程;③擴散方程;④固結(jié)方程。

　　以上各種計算數(shù)學(xué)模型都有其特定的適應(yīng)條件，從四種模型的計算結(jié)果比較上一般可得出：一般土石壩和地基的非穩(wěn)定滲流問題，可采用固結(jié)方程加上流量補給條件的自由邊界及相應(yīng)定解條件計算流場分布，較為合理;對固結(jié)完好不再壓縮的土石壩的非穩(wěn)定滲流問題，可用拉氏方程加上流量補給條件的自由邊界計算。實際上拉氏方程只是固結(jié)方程的一個特定解。

　　5.2 有限元計算程序

　　目前關(guān)于滲流有限元計算的程序很多，各有不足之處，但均應(yīng)重視對邊界條件的輸入。有限元滲流計算除二維外，還有三維滲流有限元，也有針對巖體裂隙滲流的有限元計算程序。

　　6. 結(jié)語

　　總之,必須重視水利水電工程的設(shè)計工作,不斷完善工程設(shè)計中的不足,提高工程設(shè)計水平和質(zhì)量,為保障水利水電工程建設(shè)的安全性和耐久性奠定基礎(chǔ)。

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