（岩土工程专业论文）土石坝渗流安全性态分析研究及工程应用.pdf

南京水n 羊- 1 - 学研究院硕 ：学位论文十彳i 坝渗流安伞性态分析研究及丁程廊用 摘要 我国已修建了8 6 万余座水库，其中绝人部分水库都是采用土石坝。由于修 建时期经济水甲低、筑坝技术不成熟等原因，许多上石坝都存在工程质量筹、病 险隐患多和工程管理不善等严重问题，其中渗透变形是士石坝的主要病害。根据 土石坝_ 1 ：程安全事故的统计，其中有3 7 1 的安全问题是由渗透变形引起的。因 此在土石坝的研究领域，关于土石坝渗流性态的研究具有重要意义。目前研究土 石坝渗流安全性念的方法有数值计算和实测资料分析两种，本文结合湖北某水库 主坝工程，采用以实测资料分析为主、数值计算为辅的综合分析方法，对土石坝 渗流安全性态进行了研究。 论文的研究内容丰要包括： ( 1 ) 以有限元理论和渗流理论为基础，运用g e o s t u d i o 软件的s e e p w 模 块对湖北某水库土石坝在特征库水位下各个关键断面的渗流场进行计算； ( 2 ) 依据该水库土石坝渗流安全监测资料，绘制土石坝的实测浸润线、过程 线、相关图以及位势计算表； ( 3 ) 结合数值汁算成果和实测资料分析成果，运用比较分析的方法，对该水 库土石坝的渗流性态进行研究，并且评价其渗流性态的安全。 本文从数值计算和实测资料分析相结合的角度出发，对土石坝渗流安全性态 进行了系统地研究。根据研究成果可知湖北某水库主坝的渗流性态正常，但是存 在坝体孔隙水压力偏高的现象，并且主坝局部防渗效果不好。从而判断出该坝渗 流性念偏于不安全，需要对其进行除险加固。 关键词：土石坝；渗流性态；数值计算；资料分析：安全监测 南京水利科学研究院颂l j 学位论义土石坝渗流安伞性态分析研究及t 程鹰用 a b s t r a c t t h e r ea r em o r et h a n8 6t h o u s a n d so fr e s e r v o i r sh a v eb e e nb u i l ti nc h i n a ，m o s t o fw h i c hu s e de a r t h r o c kd a m b e c a u s eo ft h el o we c o n o m i cl e v e la n dt h ei m m a t u r e t e c h n o l o g yi nc o n s t r u c t i o np e r i o da n do t h e rr e a s o n s ，t h e r ea r ean u m b e ro fe a r t h r o c k d a m st h a th a v et h es e r i o u sp r o b l e m ss u c ha sp o o rq u a l i t y ，p o t e n t i a ld a n g e r o u s p r o b l e m sa n dp o o re n g i n e e r i n gm a n a g e m e n ta n ds oo n e a r t h r o c kd a mi n f i l t r a t i o n d e f o r m a t i o ni st h em a i nd i s e a s ea m o n gt h e s ep r o b l e m s a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c so f e a r t h r o c kd a m s a f e t ya c c i d e n t s ，3 7 1p e r c e n to ft h es e c u r i t yi s s u e sw e r ec a u s e db y i n f i l t r a t i o no fd e f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha b o u tt h eb e h a v i o ro fe a r t h - r o c k d a ms e e p a g eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h er e s e a r c hf i e l do fe a r t h r o c kd a m a tp r e s e n t ， t h er e s e a r c hm e t h o d so fe a r t h r o c kd a ms e e p a g es a f e t yb e h a v i o ra r en u m e r i c a l c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fm e a s u r e dd a t a b a s e do nt h ee n g i n e e r i n go ft h em a i nd a m o far e s e r v o i ri nh u b e i ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h ee a r t h - r o c kd a ms e e p a g es a f e t y b e h a v i o rw i t ht h ec o m p r e h e n s i v em e t h o do fm e a s u r e dd a t aa n a l y s i si nt h em a i na n d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na ss u p p l e m e n t a r y t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e s ： ( 1 ) b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n ds e e p a g et h e o r y ，u s i n gg e o s t u d i o s o f t w a r es e e p wm o d u l et oc a l c u l a t et h ev a r i o u sc r i t i c a ls e c t i o n s s e e p a g ef i e l do f e a r t h r o c kd a mi nt h ec h a r a c t e r i s t i cr e s e r v o i rw a t e rl e v e l i nh u b e ip r o v i n c e ； ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ee a r t h - r o c kd a m ss e e p a g es a f e t ym o n i t o r i n gd a t a ，t od r a w t h em e a s u r e de a r t h r o c kd a ms e e p a g el i n e ，p r o c e s sl i n e s ，c o r r e l o g r a m sa sw e l la st h e p o t e n t i a lc o m p u t a t i o n ； ( 3 ) c o m b i n i n gt h er e s u l t so f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dm e a s u r e dd a t aa n a l y s i s ， t or e s e a r c ht h es e e p a g eb e h a v i o ro ft h ee a r t h r o c kd a ma n dt oe v a l u a t ei t ss e e p a g e s e c u r i t yb e h a v i o rw i t ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sm e t h o d t h i sp a p e rm a k e sas y s t e m a t i cr e s e a r c ho ft h ee a r t h r o c kd a ms e e p a g es a f e t y b e h a v i o rt h r o u g ht h ec o m b i n e dp e r s p e c t i v eo ft h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dm e a s u r e d d a t aa n a l y s i s a c c o r d i n gt or e s e a r c hr e s u l t s ，w ec a ns e et h es e e p a g ep a t t e r no ft h e m a i nd a mo far e s e r v o i ri nh u b e ip r o v i n c ei sn o r m a l ，b u tt h e r ee x i s t st h ep h e n o m e n o n o fh i g hp o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h ed a mb o d y ，a n dt h ea n t i s e e p a g ee f f e c ti ns o m ep a r t s o ft h em a i nd a mi sp o o r b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，i tc a nb ej u d g e dt h a tt h ed a m s e e p a g eb e h a v i o ri ss o m e w h a tu n s a f e ，s oi t sr e i n f o r c e m e n ti sr e q u i r e d 南京水利科学研究院硕i ：学位论文 土石坝渗流安伞住态分析研究及工程心用 k e yw o r d s ： e a r t h r o c kd a m ；s e e p a g eb e h a v i o r ；n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ； d a t aa n a l y s i s ；s a f e t ym o n i t o r i n g 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ： 日 学位论文使用授权说明 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部 或部分内容的公布( 包括刊登) 授权南京水利科学研究院研究生处办理。 论文作者( 签名) ： 同 南京水利科学研究院硕j ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外土石坝工程技术的发展 1 1 1 国内外土石坝工程技术发展概况 土石坝由于其适用条件广、便于就地取材和抗震性能好等优势，自人类建坝始至今已 在世界范围内获得了迅猛发展f 1 1 。根据土石坝工程技术的发展进程，可将其分为古代土石坝 ( 1 9 世纪中期以前) 、近代土石坝( 1 9 世纪中期至2 0 世纪上半叶) 和现代土石坝( 2 0 世纪中叶以 后) 等三个阶段。 约在4 1 0 0 年以前，古巴比伦在幼发拉底河修建的土坝丌创了人类通过大型工程利用水 资源的先河。到了1 8 世纪，西班牙修筑了一座高4 4 5 m 的土坝，但蓄水不久即被冲毁【2 1 。 古代土石坝工程都是凭经验选料修建的，没有得到理论的支撑，所以大部分都溃决了。但 是在极其漫长的岁月中，也正是经历这种筑坝和溃坝的反复，土石坝的设计和施工技术逐 步地向着安全和成熟的方面进步的。 近代土石坝工程技术发展阶段中，土石坝在试验技术、设计理论、施工设备与工艺等 方面，已取得了令人瞩目的成就。人们在总结建坝经验和失事教训的基础上，积累了一些 施工经验，筑坝技术有了新的起点，筑坝理论体系在这一阶段初现萌芽。1 8 5 6 年达西( d a r c y ) 提出了土体渗流的摹本定律达西定律，直接促使坝工设计理论有了新的突破。1 8 8 6 年 佛契海姆( p f o r c h h e i m e s ) 发现了土体的渗流符合拉普拉斯方程，由此推出了流网的计算方 法，并与1 9 1 4 年提出了用流网法试算土石坝渗流场的方法。在1 9 3 9 年瑞典的彼得森 ( k e p e t t e r s o n ) 和弗伦尼斯( w f e l l e n i u s ) 提出了瑞典圆弧法，并用此法来分析土石坝的坝坡稳 定问题。而1 9 2 5 年太沙基的( k t e r z a g h i ) 的土力学专著问世，使得土力学成为- - f l 独立 的学科，从而为土石坝工程技术的发展提供了理论依据3 1 。这些理论突破使得土石坝筑坝技 术由纯经验的阶段，步入了半经验半理论的阶段，并逐渐被应用于坝工理论的深入研究中。 同时这些理论突破也充分表明了渗流问题的研究在土石坝筑坝理论发展中的重要性。这一 阶段土石坝工程迅速发展的成果主要有德鲁德( d r u i d ) 湖坝( h = 3 6 6 m ，1 8 7 1 年，美国) 、巴登 ( b a r d e n ) 坝( h = 3 8 1 m ，18 7 6 年，英格兰) 和福特佩克( f o r tp e c k ) 坝( h = 6 8 6 m ，18 9 5 年，美国) 笙【4 】 可。 进入2 0 世纪中叶，随着岩土力学、动力分析、施工技术和计算机的发展，土石坝筑坝 技术、坝工理论、土工试验均出现了较快的发展。其中特别是应用土石坝有限元分析方法 对坝体的应力、变形、稳定和渗流等问题分析的逐步深入，土工机械、原位观测技术和水 文学在土石坝工程上的应用，大大促进了现代土石坝工程的发展。美国的土石坝工程技术 l 南京水利科学研究院颁l j 学位论文 第一章绪论 的发展具有一定的代表意义，美围垦务局在其西部1 7 个州建造了大量5 0 m 以上的高土石坝。 2 0 世纪5 0 年代前后已积累起来的土石坝技术和美国的经验，已在各国广为传播，新建土石 坝的座数和坝高都逐年增高。至1 9 7 7 年底，国际上高于l o o m 的土石坝就有1 4 1 座。近l o 年来，土石坝特别是高土石坝在围际范围内增长很快，2 0 0 m 以上的高坝中土石坝约占7 0 ， 坝高为3 0 0 m 的坝均为土石坝。 与国外相比，我国修筑土石坝蓄水为农业生产服务虽然历史悠久，但真证的发展兴盛 是在新中国建睦i 以后丌始的1 5 l 。5 0 年代中期在海河流域的永定河上修改了北京市官厅水库 粘土心墙坝。在淮河流域修建了河南省石漫滩、板桥和薄山等水库，均采用土石坝，坝高 都在5 0 m 以下，坝型多为均质坝或粘土心墙砂砾石坝。从1 9 5 8 年大跃进开始到7 0 年代中 期全国各地掀起建坝高潮，如北京市的密云水库、河北省的岳城水库、海南省松涛、云南 省毛家村等大型水库土石坝。在7 0 年代后期开始兴建了甘肃省碧口和陕西省石头河土石坝， 坝高超过了l o o m 。自7 0 年代中期以来我国高土石坝建设有了突破性发展。坝高接近2 0 0 m ， 坝型仍以碾压式为主，防渗体主要采用土质心墙和混凝土面板。土质心墙堆石坝，已建成 的有云南省鲁布革( 坝高1 0 3 m ) 和河南省小浪底( 坝高1 6 7 m 、覆盖层深达8 0 m ) 等，其规模和 难度均处于国际前列i l l 。 1 1 2 国内土石坝工程病险状况 在我国已建的8 6 万余座水库中，大型水库( 库容l 亿m 3 以上) 4 0 0 余座，中型水库( 库 容0 1 亿1 亿m 3 ) 2 6 0 0 余座，小型水库8 3 万余座。水库的主要挡水建筑物就是大坝，这 些水库中9 0 的大中型水库是采用土石坝，绝大多数的小型水库都是采用土石坝，尤以均 质土坝最多【6 】。 在2 0 世纪5 0 年代至7 0 年代修建的水库数量巨大，由于当时经济水平低、筑坝技术不 成熟等种种原因，许多水库都存在着防洪标准低、工程质量差、病险隐患多和工程管理不 善等严重问题。目前约有2 4 的大、中型水库是病险水库，约有3 0 - - 4 0 的小型水库是病 险水库 7 i 。据1 9 9 1 年统计，我国已溃决的大坝近3 0 0 0 座，这充分说明了我国土石坝的安全 状况令人堪忧。其中有的已造成了巨大的灾难，令人痛心。如位于河南省泌阳县的板桥水 库，1 9 5 2 年工程竣工。由于1 9 7 5 年8 月发生特大暴雨，洪水漫顶致使水库溃坝，引发的后 果相当惨烈【8 l ；沟后水库位于青海省，为面板砾石坝，由于坝体施工质量和设计不周等问题 致使1 9 9 3 年8 月2 7 日发生溃坝事故，后果影响最为严重【9 1 。 通过上述土石坝安全事故可以得知影响土石坝安全的病害具体有以下几种： 1 ) 漫项，由于库容及泄水设施不足或塌岸、地震等意外事故，致使库水漫溢，冲蚀坝体 2 南京水利科学研究院硕i ：学位论文第一章绪论 而溃决。漫顶事故一般占事故的5 0 左右。漫项最易使七石坝溃决，我国板桥水库士坝就 是一例。 2 ) 渗透变形，此种病害在中小型土石坝的坝基处最常发生，特别是早期建造的坝，由于 勘探、强透水坝基和破碎基岩防渗处理不佳，渗透破坏尤为突出。根据对我国2 4 1 座大型 水库曾发生的1 0 0 0 个工程安全问题所作的统计，其中有3 7 1 的大坝安全问题是由于渗透 变形引起的。 3 ) 滑动或液化失稳，此种失事约占事故的l o 1 5 ( 含护坡破坏) 。由于坝基或坝身 的抗剪强度低、边坡陡和孔隙压力高，在静力或动力下均可失稳。例如，我因湖北南川坝 施工期粘十坝体大滑坡；山东岸堤坝骤然蓄高水位时，上游疏松砂壳的液化流动都属此类。 4 ) 人为的及生物的破坏，毁于战争、蚁、獾、鼠、蛇、鳗及植物根腐烂成孔的坝都曾发 生过。中小型堤坝尤应注意，我国黄河大堤花园口决口也是一例【l o l 。 由于这些病害的存在使得当前我国水库在发挥巨大效益的一j 时，病险水库的安全问题 也日益突出。一方面本身固有的工程问题使得水库的抗风险能力大大减弱；另一方面由于 病险水库加固迟缓，大中型病险水库仍占总水库的1 4 左右，小型水库占到约2 5 ，影响具 有广泛性i l l 】；再加上这些水库的安全管理跟不上，致使这些病险水库在汛期容易受到更大 程度上的破坏。 由上述可知，我国水库目酊存在着土石坝数量众多、病险问题严重等情况，一方面影 响了水库对国民经济所产生的工程效益，另一方面对水库下游人民生命财产造成了威胁。 而渗流作用是影响土石坝安全的重要因素，也是土石坝研究中的重点内容。 1 2 土石坝渗流及监测技术 1 2 1 土石坝渗流 由于我国土石坝中有很多是在上世纪5 0 年代初期至7 0 中期内的群众性筑坝，坝体在 筑坝材料、地质和施工等许多方面形成的非均一性、变异性而致使土石坝工程性质复杂化。 坝体材料的复杂性和坝基处理质量差使得渗流作用对土石坝的安全造成了更大的影响。 土石坝渗流的产生是由上下游水位差和坝体材料特性而引起的。在上下游水头差的作 用下，水流穿过坝体材料的孔隙渗向土石坝的下游逸出口。渗流是土石坝的固有特性，是 伴随水库的蓄水运行而发生的。而渗流对土石坝安全的影响取决于坝体的填筑材料质量和 坝基透水层的处理措施，当坝体施工质量高且坝体材料压实均匀且坝基防渗效果良好时， 土石坝对渗流压力从上游至下游的逐级传递效果就好，从而可以确保土石坝的安全运行。 反之，渗流作用力会破坏土石坝坝体材料结构的平衡，带走坝体和坝基中部分细颗粒，严 南京水利科学研究院硕 ：学位论文 第一章绪论 重时便会产生管涌、流土、接触冲刷和接触流土等渗流破坏【l2 1 ，这些渗流破坏会对土石坝 的安全运行造成不利的影响。 其中管涌是指在渗流作用下土石坝的坝体和坝基中部分细颗粒被渗流水带走的现象。 这是一种比较常见的渗流破坏形式，其主要发生在坝的下游坝坡或下游地基表面渗流逸出 处，并且只发生于无粘性土中。管涌对土石坝的破坏主要足促使土石坝内部渗流通道的形 成，极大地降低了土石坝的防渗性能，提高了土石坝渗流事故发生的概率，是影响土石坝 安全的重要因素。下面通过几个实例说明管涌对土石坝的破坏性。 实例一：黑龙江省拉林河上的龙风山水库于1 9 6 0 年8 月9n 下游坡脚处发生冒水翻砂 现象，这是由于内部渗流通道形成导致管涌事故的发生，经过在上下游抛填沙砾石料后降 低了渗流破坏的影响，确保了水库的安全运行。 实例- - ：河南省汝阳县马兰河上的玉马水库1 9 7 6 年7 月开始蓄水运行，于1 9 7 8 年4 月库水位回落时在上游坝而发现一塌坑，后对大坝进行放空开挖检查发现塌坑下部是竖向 管涌通道。经分析得知是由于垂直向下的渗流出口形成了垂直向上的管涌破坏，而集水井 是导致管涌破坏的关键因素，主要是由于集水井底的砂卵石地基溜走了管涌后的斜墙粘土 而造成了坝顶塌坑。 实例三：海南省三亚市郊区的岭落水库于1 9 9 3 年开始蓄水运行，1 9 9 5 年的一场暴雨使 得土石坝的上部在下游坝坡出现了渗流，最后导致了溃坝事故的发生。通过分析得知坝体 材料属于分散性土，抗裂缝冲刷能力很低，且坝顶存在横向裂缝，下游坝坡没有反滤保护， 因此当库水位上升至接近坝顶时渗流很快通过横向裂缝向坝坡逸出，从而形成连通上下游 的渗流通道，并不断扩大，最终导致土石坝的溃决。 由上可知，对于土石坝而言，渗流作用的影响是相当大的，渗流造成的破坏可以是单 一型式出现，也可以是多种形式伴随出现于各个不同的部位，因此不要因为某种形式的渗 流破坏出现，而忽视了其他部位可能出现的渗流破坏f l3 1 。并且渗流破坏的发生都是由小范 围较迅速发展至大范围，可以导致坝体沉降、坝坡塌陷或形成集中的渗流通道等危及土石 坝安全的严重渗流破坏的发生。当由轻微程度的渗流作用演变成为管涌、流土之类的渗流 破坏时，便会降低土石坝的防渗性，破坏了坝体的渗流稳定性，影响水库的安全运行。 1 2 2 土石坝渗流监测技术 由于土石坝的渗流作用是其固有的工程特性，并且渗流作用会给土石坝的安全运行带 来不利影响，因此如何控制土石坝的渗流作用是土石坝安全管理的重要内容。而土石坝工 程的复杂性以及工程环境的多变性，使得土石坝的渗流隐患难以被及时发现，这样关于土 4 南京水利科学研究院硕一j j 学位论文第一章绪论 石坝渗流监测技术便应运而生了。而某些坝安全市故的教训，从反面说明了渗流安伞监测 的重要性。比如法国马尔巴塞( m a p a s s e t ) 坝就是由于坝基基岩中孔隙水压力过高，致使坝 基失稳，从而在1 9 5 9 年1 2 月2 日被洪水冲垮l h l 。如果实施了渗流监测并且及时对监测资料进 行分析研究，这样的事故有可能是会被避免的。 土石坝渗流监测的目的是监视坝的运行状态，包括施工期和运行期的运行状态。前者 由于问题复杂设计无把握，目的在于控制施工、修f 设计。后者由于遗留问题一时解决不 了，目的在于安全警戒【l5 1 。通过土石坝的渗流监测便町以及时获悉土石坝内部的渗流性态， 通过对土石坝渗流监测资料的分析，就能够判断土石坝是否存在渗透破坏，从而可以评价 土石坝渗流的安全性。 土石坝渗流安全监测是一个系统工程，整个工程包括规划漫计、仪器设备选璀、系统 安装调试、资料整理分析等儿方面。就学科而言土石坝渗流安全监测技术是门以水利工 程技术和岩土工程技术为基础、计算机数值计算为辅助、测量仪器设备为媒介的综合性学 科，其中的任一方面的发展都会推动安全监测技术的进步l i 引。 土石坝渗流监测的最终目的是对实测数据进行分析研究，通过监测资料分析便可以对 影响土石坝安全的多种内外凶素以及各个因素的影响程度有一个明确的认知，这样便能了 解土石坝渗流的监测物理量的变化规律，在遇到异常测值的现象时就能及时发现问题所在 并做出相关判断，从而便能掌握土石坝的运行状态，为其安全运行提供依据。 1 3 土石坝渗流安全分析研究的现状 当前土石坝渗流安全分析的手段主要有两类：理论分析和实测资料分析。 理沦分析主要是运用数学方法对土石坝的渗流浸润线、等势线等进行计算分析，由于 土石坝工程的复杂性，计算结果往往不能满足研究的需要，并且对实际工程的性态模拟具 有相当程度上的局限性。而随着计算机的发展和数值计算理论的问世，土石坝渗流理论分 析的方法越来越多。其中有限单元法便是应用相当广泛的一种计算方法，而以有限元理论 为基础研制出的计算软件更是方便了土石坝渗流性态的数值模拟，提高了理论计算分析成 果的准确性，大大地拓展了土石坝渗流数值计算分析的研究深度和广度。 有限单元法的原理就是把连续体或者研究区域离散化，利用场函数分片多项式逼近模 式来实现离散化过程，用有限个单元体的集合体来进行分析研究【1 7 1 。土石坝渗流有限元法 的基础是变分原理，其基本求解思想是把渗流计算区域划分为有限个互不重叠的单元体( 基 本单元) ，单元体的角度称为结点，在每个单元内选择一些合适的结点作为求解函数的插值 点，将微分方程中的变量改写成由各变量( 或其导数) 的结点值与所选用的插值函数( 或称为 5 南京水利科学研究院硕1 j 学位论文 第一章绪论 基函数) 组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，对稳定渗流微分方程离散求解， 整个计算域内的解则可以看作是由所有基本单元上插值函数的近似解构成。 常见的有限元计算方法主要有罩兹法、伽辽金法和最d , - 乘法等。根据所采用的权函 数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、 矩量法、最z j s - - 乘法和伽辽金法；从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形 刚格和多边形网格；从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。 不同组合构成不同的有限元计算格式i l 引。 实测资料分析是以土石坝渗流实测数据为基础，运用各种资料分析的方法对其进行计 算分析，依据分析成果来了解土石坝的渗流安全性态。实测资料分析的方法主要有常规分 析、数学模型分析以及反演分析等几种。 常规分析方法主要是通过判断监测效应量的变化是否存在异常现象，寻找出影响监测 效应量变化的相关因素，由此对土石坝渗流安全性态作定性分析。定性分析能够初步分析 出土石坝渗流性态及其变化趋势。应用广泛的常规分析方法主要有测点过程线分析法、相 关分析法、特征值统计法和综合分析法等f 1 9 】。 数学模型分析法是指以坝工理沦和渗流原理为依托，借助于数学工具和物理力学规律， 建立效应量与原因量的数学关系式，据此对效应量进行定量分析。通过数学模型可以解释 和分析土石坝渗流监测资料，分析效应量与原因量之间的作用机理，评价土石坝的渗流安 全性态，并预报效应量( 包括各效应分量) 的变化趋势。数学模型分析法主要分为统计学模型 分析法、确定性模型分析法和混合性模型法、灰色系统模型分析法、模糊数学模型分析法 和神经网络数学模型分析法以及遗传理论数学模型等几种口0 1 。 反演分析是相对于土石坝渗流观测资料正分析发展起来的，就是以原型观测资料为依 据，应用实测资料分析的数值计算模型，来反推土石坝工程的实际渗透系数和渗流场，以 校正模型计算精度的影响因素，并且通过与正分析成果的比较分析，进一步研究土石坝的 渗流性态。土石坝渗流反演分析的基本方法主要有：反推法、解析法、人工神经网络方法、 数值优化算法等几种2 1 1 。 1 4 问题的提出及研究内容 1 4 1 问题的提出 由上可知渗流是伴随土石坝工程的蓄水运行而产生的，这是土石坝的固有特性所决定 的。土石坝产生渗漏、流土、管涌等是渗透破坏的表现。土石坝的渗流隐患也影响着土石 坝的坝坡稳定性，进而危及到整个土石坝的安全。据相关调查资料表明，我国由于渗流冲 6 南京水利科学铆究院硕一f = 学位论文 第一章绪论 刷破坏失事的土石坝所占比例达剑近4 0 ，而与渗流密切相关的滑坡事故也占到1 5 左右。 这些均证明了土石坝渗流安全性念的分析研究是非常重要的课题之一。 目前坝工理论中尚无方法可以直接对土石坝这样一个复杂的工程以及渗流性态进行全 面、准确地分析研究，或者是理论计算分析的成果往往与实际工程的渗流情况相差较大， 这主要是由于土石坝的物理模型和数学模型均无法达到与实际工程安全的一致性。土石坝 实际渗流性态是难以准确模拟的，再加上复杂多变的渗流作用，使得理论计算的方法无法 得出能够满意的结果。 针对理论计算分析的局限性，人们对土石坝的渗流形态进行了安全监测。首先以计算 成果作为基础，结合渗流原理和坝- t 理论，对可能存在渗流问题的土石坝实施渗流原型监 测，对土石坝的渗流进行实时的原型监测。通过对实测资料的分析掌握土石坝内部的渗流 状况，从而针对反映出来的渗流问题提出相应的控制措施，确保土石坝工程的安全运行。 当然由于渗流监测点数量的不足，也使得实测资料分析存在一定的局限性。 由于土石坝工程固有的特点，计算分析得出的结果存在着相应程度上的偏差，而实测 资料分析是掌握土石坝实际渗流状况的重要途径，因此如何综合运用数值计算分析方法和 实测资料分析方法，以便全面地、准确地分析研究土石坝的渗流安全性态，是需要进一步 重点探讨的课题。 1 4 2 研究方法和途径 本文的研究思路是综合运用数值计算分析和实测资料分析两种方法，对土石坝的渗流 安全性态进行分析研究。由于这两类分析方法均有一定程度上的局限性，因此如何最大程 度上提高其分析成果的准确度，选取最合适的方法和途径是论文研究的重要前提。 在数值计算分析方面，论文是采用大型通用数值计算软件( g e o s t u d i o 软件的 s e e p w 模块，结合实际工程，对其土石坝在特征库水位下的稳定渗流进行有限元数值计算。 在实测资料分析方面，论文利用所选实际工程的渗流实测资料，运用浸润线分析、过 程线分析和相关图分析等多种资料分析的方法，对其土石坝的实际渗流性态进行分析研究。 在确保上述两类分析成果准确度的基础上，论文以实测资料分析成果为主、数值计算 成果为辅，秉承比较分析的理念，运用综合分析方法对主坝的渗流性态进行分析研究及安 全评价。 1 4 3 研究内容 本文的研究对象是湖北某水库土石坝，研究的方法是结合实际工程资料，综合运用实 测资料分析和数值计算分析进行比较分析的方法，研究的目的对该水库土石坝渗流性态迸 7 南京水利科学研究院硕i j 学位论文 第一章绪论 行分析研究并且做安全评价。主要的研究内容如下： 1 ) 利用通用渗流数值计算软件g e o s t u d i o 软件中的s e e p w 模块，对某水库土石坝 工程进行数值计算分析，得出土石坝在库水位8 4 6 1 m 和库水位9 3 7 9 m 运行下各个断面的 计算浸润线和等势线。 2 ) 根据该水库土石坝渗流实测资料进行分析研究，绘制库水位过程线、坝体和坝基测 点过程线、测点相关图、特征库水位运行下的断面浸润线和特征升降阶段内的断面浸润线 变化图以及特征库水位下的断面坝基测点位势计算表等图表。 3 ) 对于土石坝在库水位下降过程中所出现的浸润线赢出库水位的现象进行分析研究， 并对造成上述现象发生的渗压传递滞后时间做了初步的探讨。 4 ) 结合数值计算成果与实测资料分析成果，运用比较分析方法，对土石坝的渗流性态 进行分析研究，最后应用综合分析成果评价土石坝的渗流性态是否安全。 1 5 本章小结 土石坝由于其适用广泛、取材方便和抗震性能好等优点，在人类筑坝始至今已经获得了 迅猛发展，并且坝工理论和施工技术的r 益成熟使得土石坝朝着更多、更高和更实用的方 向发展着。 土石坝工程技术特别是高土石坝在国际范围内发展很快，其中以美国的发展经验最具 代表性。我国的土石坝工程技术在新中国成立以后，在国民经济带动下也得到了飞速发展。 在已修建的的8 6 万余座水库中，大型水库4 0 0 余座，中型水库2 6 0 0 余座，小型水库8 3 万余座，这些水库主要是采用土石坝的坝型。并且我国所修建的高土石坝规模和难度均处 于国际前列。 与此同时我们也清醒地认识到，我国的大部分水库是在2 0 世纪5 0 年至7 0 年代期间修 建的，由于经济水平和筑坝技术等因素的限制，再加上水库工程管理上的不足，使得许多 水库都存在着严重的问题，发生了很多的溃坝事故，造成了巨大的灾难。经过统计分析可 知渗流作用是影响土石坝安全的重要因素之一。 由于渗流是土石坝工程的固有特性，并且渗流作用给土石坝的安全运行带来不利影响， 人们便对土石坝实施了渗流监测。土石坝的渗流监测经过多年的发展已经成为了一个包括 规划设计、仪器设备选型、系统安装调试以及资料整理分析等多方面内容的系统工程。 土石坝渗流性态分析研究的手段主要有理论计算分析和实测资料分析两类。在理论计 算分析方面，有限单元法理论的提出和计算机数值计算能力的提高，大大拓展了土石坝渗 流数值计算分析的研究深度和广度。在实测资料分析方面，常见的方法有常规分析、数学 8 南京水利科学研究院硕上学位论义第一章绪论 模型分析以及反演分析等几种。 土石坝工程的复杂性和渗流性态的难以精确模拟性使得理论数值计算分析的成果与实 际工程的渗流情况相差极大，而上石坝渗流监测点数量的不足和布置的不连续性也使得实 测资料分析存在着一定的局限性。鉴于此，本章提出了论文的研究方法和途径，就是综合 运用数值计算分析和实测资料分析阿种方法，结合湖北某水库主坝的实际工程资料，对其 土石坝的渗流性态进行分析研究以及安全评价。 9 南京水利科学研究院硕：学位论叟第二章十石坝渗流数值计算方法研究 第二章土石坝渗流数值计算方法研究 2 1 土石坝渗流基本理论 2 1 1 土石坝渗流分析的意义 2 111 渗流概述 地下水最基本的运动形式是渗透，即在重力或压力差作用下通过多孔介质由水头高 处渗向低处的运动。当地下水在孔隙介质中运动时，由于运动通道的弯曲性和不规则性， 使得水流的运动轨迹在各点处均不相等。渗流定义的引入就是为了便于研究地下水在孔 隙介质中的整体运动特征和规律，可见示意图2 一l 。 ( a ) 实际渗透( b ) 假想渗流 图2 - 1 岩土中的渗流示意图 人们用一种假想水流来代管真实地下水流，设其具有实际水流的运动特性，运动时 所受的阻力与实际水流所受阻力相等，通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实 际水流相同，并连续充满整个含水层空隙和岩土颗粒所占据的空间。其中假想水流所占 据的空间区域包括空隙和岩土颗粒所占的全部空间便是渗流场，渗流场中垂直于渗流方 向的任一断面为过水断面( c r o s s s e c t i o n a la r e a ) ，在单位时间内通过过水断面的地下水体 积为渗流量( s e e p a g ed i s c h a r g e ) ，假想水流在过水断面上的平均流速为渗流速度( s e e p a g e v e l o c i t y ) 。除了上述几种基本概念，渗透系数、渗流水头和流网等也是用来分析工程中 渗流性态的变化和渗流区域的工程水文地质条件的变化。 渗流根据不同的影响因素可以分成好几类：依照水力要素是否随时间变化而分为稳 定渗流和非稳定渗流；依照水力要素随流程的变化程度而分为均质渗流和非均质渗流； 依照是否具有自由水面而分为无压渗流和有压渗流等。实际工程中的渗流性态是非常复 杂的，因此在具体工程的渗流分析过程中首先要分清楚渗流的种类，然后根据各自的特 性进行相关分析。 2 1 1 2 土石坝渗流分析的意义 在我国目前建有的8 6 万余座水库中土石坝是最普遍的坝型，而土石坝与渗流是同 1 0 南京水利科学研究院硕j j 学位论文第一二章十石坝渗流数值计算方法铆f 究 生共存的，土石坝的筑坝材料性质是渗流产生的固有条件，而渗流也有利于土石坝内超 孔隙水压力的消敝。但是当渗流在坝体坝基内形成渗透破坏时，渗透控制便成了研究的 重点，可以说土石坝工程的发展史就足渗透破坏控制的发展史。 很多病险水库的问题集中在渗流对坝体造成的渗透破坏方面，而很多的溃坝也是由 于渗透破坏造成的。例如1 9 7 6 年在美国发生的堤常( t e t o n ) 坝溃坝事故便是由于渗透 破坏所引发的【2 2 l 。而我幽渗透失事的坝约占失事坝总数的2 0 2 5 ，其中有一部分是 因裂缝引起的集中渗流冲刷而失市的坝。1 9 7 0 年广东省揭阳市横江水库垮坝事故足由于 坝身渗漏形成管涌而造成的；河南省渑池县的甘涧水库在1 9 7 3 年冬季施工时坝身出现 横向裂缝，1 9 7 4 年就因坝身渗漏而垮坝2 3 1 。 由于渗流对土石坝的安全存在着不可避免的影响，为了防止安全事故的发生或者最 大限度的降低土石坝发生渗流安全事故的可能性，我们必须重视土石坝渗流分析的重要 性。在土石坝工程设计阶段需要进行渗流计算分析，得出渗流性态的安全边际，以确保 土石坝工程的施工安全；在土石坝运行期问需要进行渗流性态的安全监测并且计算实际 渗流性态，以保证土石坝工程在安全运行状态下发挥工程效益。 2 1 2 土石坝渗流基本理论 2 1 2 1 达西定律和基本方程 地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程伴随着能量的损失。为了 揭示水在均匀多孔介质中的渗透规律，法国工程师达西于1 9 5 2 - - 一1 9 5 6 年通过大量试验 总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系式即为达西定律【2 4 l ： ，：q ：k d ：后丝! 二竺 ( 2 1 ) 彳三 式中：y 为渗流流速，q 为渗流流量，a 为过水面积，k 为渗透系数，j 为渗透坡降，研、 仍分别为上、下游水头，三为渗径长度。 达西定律反映了能量转化与守恒，由于渗透速度与水力坡降呈正比关系，故达西 定律又称为线性渗透定律，一般只适用于线性阻力的层流运动。 此外，渗流研究者们以能量守恒原理、质量守恒原理和牛顿运动定律为理论基础， 结合土工试验和工程实践，建立了以下渗流基本方程f 2 5 j ： 1 ) 渗流运动方程表示为： 上空：一g r a d h 一兰 ( 2 2 ) = 一 一一l z zj 职o t k 、 南京水利科学研究院顾一卜学位论文 第二章十。坝渗流数值计算方法研究 式中：i v 为孔隙率；g 为重力加速度；k 为渗透系数；h 为水头。 2 ) 渗流连续性方程表示为： 盟+ 盟+ 堡：o( 2 - 3 ) 融 却 现 式中：队b 和眩分别为渗流速度在x 、y 、z 方向上的分量。 3 ) 稳定渗流微分方程表示为： 昙( 颤瓦o h ) + 品( 勺考) + 鲁( t 警) = 。 ( 2 - 4 ) 式中：、乞分别为渗透系数在x 、y 、z 方向上的分量；h 为水头。 4 ) - t 稳定渗流微分方程表示为： 昙( t 瓦o h ) + 品( 尼y 嚣) + 昙( 七：警) = 墨警 ( 2 _ 5 ) 式中：s 。为单位贮存量；t 为时问 根据上述渗流基本方程可以得出以下几个结论： 其一是就渗流运动方程而言，从理沦上可以用连续变化的稳定渗流计算来代替非稳 定渗流计算。 其二是联立运动方程和连续性方程，结合相关定解条件，便能计算出渗流流速和水 头。 其三是上述方程的建立为渗流理论体系的形成奠定了基础，渗流理论的发展不仅解 决了众多工程设计施工问题，确保了工程安全，而且也促进了渗流数值模型计算理论的 发展。 2 122 定解条件和计算模型 渗流计算的数学模型就是基本方程与定解条件的结合，基本方程便是上文所介绍的 几种，而定解条件是指边界条件与初始条件的统称。边界条件是指流场的几何边界形状 位置与流场的水头分布，而初始条件是指渗流计算开始时的流场状态【2 6 1 。通过工程条件、 实测资料和土工试验可以确定渗流计算需要的定解条件。结合定解条件和基本方程便可 以组成计算渗流场的微分方程。例如边界条件和稳定渗流方程的组合可以求解稳定渗流 的渗压分布及其流网，而非稳定渗流问题需要再加入初始条件才能求解其渗流场的水头 分布及其流网。 在建立数学计算模型过程中，定解条件在某种程度上是己知的，而作为模型的核心 支配方程的选用则取决于工程的实际条件和求解的问题类型。例如稳定渗流场问题 南京水利科学研究院硕上学位论文第一二章土，( i 坝渗流数值计算方法研究 一般是采用拉普拉斯方程结合边界条件进行求解，而非稳定渗流则可以利用瞬时稳定渗 流问题的求解再结合自由面下降速度这样的定解条件进行分析。 随着计算机数值计算技术的迅猛发展和相关渗流分析软件的推广，渗流数学计算模 型计算在土石坝渗流分析理论体系中的地位愈发显得重要，通过不断完善模型算法，提 高模型计算精度，从而增强模型对土石坝渗流性念的模拟性。 2 1 3 土石坝渗流计算主要内容及方法 2 131 主要内容 长期的渗流作用会使土体发生冲刷、滑坡等破坏而影响坝坡稳定，严重的渗漏量会 降低水库的运行效益。而与渗流作用有关的水力要素主要有渗流水头、渗流速度、渗流 量和渗透坡降等几种，根据这几种水力要素的研究可以得知土石坝渗流计算的内容主要 包括坝体浸润线位置及其变化的计算、渗流量大小的计算、渗透坡降计算和渗流场计算 笙 可。 坝体浸润线是由渗流自由面与坝体任一横断面相截所形成的，渗流在坝体内会形成 孔隙水压力，如果坝体浸润线过高，孔隙水压力会影响到坝体内力的平衡。因此坝体浸 润线的计算主要是用来分析土石坝稳定的。在土石坝的没计阶段，浸润线的计算便于校 核土石坝的稳定性；而在土石坝的运行期，通过计算浸润线与实测浸润线的比较来分析 土石坝的实际渗流性态。 渗流在土石坝中的运动最终