水利工程论文-碾压混凝土坝压水试验理论与结果分析方法研究.doc

水利工程论文-碾压混凝土坝压水试验理论与结果分析方法研究摘要：据碾压混凝土坝成层施工和结构特点，以及混凝土本体、层面、缝面和坝体的渗流特性，就坝体压水试验中的常规压水试验、三段压水试验和交叉孔压水试验方法，作了较深入全面的理论和应用分析研究，其中还提出压水试验结果分析的平面渗源法和压水试验反分析研究的联合并用饱和非饱和非稳定渗流问题求解的有限元法和加速遗传优化算法。最后给出江垭大坝部分压水试验数据的应用分析结果。关键词：碾压混凝土坝压水试验交叉孔压水试验法平面渗源法由于碾压混凝土坝的成层结构，本体和层、缝面的渗透能力完全不同，施工时总是尽管千方百计地提高大坝的施工质量，但是坝体一般仍然表现为强渗透各向异性体，渗透各向异性比总是会达到多个数量级，而且坝体层面和缝面切向的主渗透系数变化范围大，准确测定这一渗透系数的难度很大，给碾压混凝土坝渗控方案的选定带来许多不便。另一方面，坝体的施工质量完全取决于层面和缝面的施工质量，如何在工程现场快速地检测和监测碾压混凝土坝的施工质量，具有重大工程意义。因层面和缝面的隙宽很小，目前还没有一种成熟的方法和仪器能够在工程现场对这些施工过程形成的结构隙面进行快速检测，这是目前确保坝体施工质量的关键问题所在。笔者认为，目前最有希望能够完成这一使命的方法即为大坝现场的压水试验。本文结合碾压混凝土坝的施工和结构特性，对压水试验的理论和成果整理方法进行较深入的探讨和研究。本文着重阐述了如何可靠地对工程现场取得的压水试验结果进行理论整理分析和确定混凝土坝缝面切向主渗透系数，为坝体渗流计算建模与分析、渗控设计方案论证和缝面施工质量的检测与监测等工作提供理论依据。1压水试验和结果分析方法1.1基本理论多孔介质中，饱和-非饱和渗流问题的连续方程为：（1）式中：饱和渗透系数张量；相对透水率，在非饱和区，在饱和区；容水度，在饱和区；选择系数，在非饱和区等于0，在饱和区等于1；弹性贮水率，在饱和区为一常数，在非饱和区=0；t时间。1.2非饱和渗流问题求解式（1）是一个非常复杂的微分控制方程，目前还无法找到其解析解，因为非饱和区的渗透系数张量、饱和度和容水度等都是与水头有关，是处处变化的，是一个极度高次的非线性问题，而且它的边界条件也是很复杂的，尤其是非饱和逸出面也是非线性的。目前求解这一问题的方法只能是通过介质水分特性曲线来近似地确定水头与饱和度及与相对透水率之间的关系，再用有限元等数值方法来迭代求解1-2，程序的开发也是很不易的。1.3饱和渗流问题求解鉴于式（1）问题的复杂性和为了对常见工程问题的求解以及满足工程应用推广的需要，式（1）问题经常被简化为相对简单的、应用经验丰富的饱和稳定及非稳定渗流问题进行求解。渗流控制方程为：（2）式中：渗透介质饱和渗透系数张量。1.4压水试验理论分析迄今为止，对于碾压混凝土坝层面和缝面施工质量的检测和监测一般只能通过压水试验来进行，且理论研究还不够深入。压水试验时，先在选定的方向上现场钻孔，形成压水孔，再在1段或3段压水孔试验段中进行压水试验，通过观测试验压力和入渗流量，来评定试验段区坝体的渗透性和渗透系数，因碾压混凝土本体的透水能力极小，试验所得的结果往往是反映了碾压混凝土缝面切向的透水性和主渗透系数，这也正好体现了工程界最为关心的层面和缝面施工质量的情况。目前，对压水试验进行理论分析和求解的方法主要有以下几种。1.4.1Hsieh和Neuman的交叉孔压水试验方法3,4美国Hsieh和Neuman于1985年提出的交叉孔压水试验（waterpressuretestwithcrossholes）的理论和方法，因这一方法有严格的数学理论，与常规压水试验和三段正交压水试验方法相比较，它具有几个重要的特点：(1)试验前不需要知道渗透各向异性介质的主渗透方向，且解是唯一的，大大提高了试验结果精度；(2)可以在任何方向上进行钻孔布置，这无疑给试验工作带来了极大的方便；(3)适当变化压水孔和观测孔间的距离，由试验结果的变化情况，就可以大约估算出岩体样本体积的大小，这为渗流场多孔隙等效连续体介质模型的求解，提供了建模乃至能否正确运用的理论依据；（4）岩体裂隙结构面的产状、结构面特性和母岩本身渗流特性都是直接困扰学术界和工程界评定岩体渗透系数张量时最常见因素，而此法不受它们的困扰；（5）与别的压水试验方法不同，交叉孔压水试验有其严密的理论推导和解析解；而其他试验方法尤其是目前在我国仍然用得最为广泛的常规压水，均没有严密的理论基础。因此，尽管这个方法的理论相当复杂，但是笔者认为它特别适合于对裂隙岩体渗透系数张量确定的试验研究，值得推广应用。1.4.2平面渗源法鉴于碾压混凝土坝常为强渗透各向异性体，且本体的渗透系数很小，层面和缝面切向与法向主渗透系数的各向异性比会有多个数量级，坝体渗透水流主要沿混凝土层面和缝面流动，在试验所形成的渗透水流基本上是平行于层面和缝面的向四周作径向辐射流态，因此可将压水试验渗流流态近似地视为平面径向流渗流场问题，从而据上述Hsieh和Neuman的交叉孔压水试验理论和相关热传导理论6，设在一个无限大平面域内事先假定各处初始水头h为一个常量，笔者经进一步的理论推导，得到持续点源压水条件下的试验段平面径向流各处水头变化的解析解为7：（3）式中：压水流量；k层面和缝面切向主渗透系数；观测距压水点源的距离；t时间。此式是一个关于碾压混凝土层面和缝面切向主渗透系数的关系式，据试验观测资料可以通过试算解得它的值。1.4.3常规压水试验由于碾压混凝土坝的成层结构和本体的极弱渗透性，压水试验可被看成是在一无限大平面域内的有压点源试验，流态主要呈现为层流。单段压水试验时，假定压水孔周围的流