淺談如何計算水利水電工程設計中的滲流

劉偉嬪

一、計算目的

在科技實踐領域，滲流理論被廣泛運用在各個方面。在現代化實體水利化工領域，滲流理論的運用必不可少，它是成功完成各項任務的理論武器，對于各種設施建筑的設計和數據的計算有著不可替代的作用。水利工程建設中，我們最為常用的滲流問題具體包括以下幾個方面：積水建筑物的設計計算、水工建筑物的滲漏及穩定、水庫河渠的側滲等。針對這些水力學方面的問題，我們進行滲流計算的主要目的就是：

1.精準地計算出滲流力量；

2.浸潤線位置的確定；

3.滲透壓強和滲透壓力的確定

4.滲透流速的確定

自然之中，液體在多孔介質中流動。我們所知道的天然多孔介質主要是巖層和土體等裂隙性和多孔性介質。

而在日常生活中的許多工業項目和水利工程中，滲流存在于各個方面。諸如生產建設中的擋水土壩中的滲流等。針對滲流問題研究時，我們主要注重以下幾個部分：滲流速度分布、滲流作用于基底上的力等。

二.滲流計算的主要方法

我們在研究滲流問題，對建筑物等進行計算時，主要采用以下幾種方法。

1.流體力學解法：這種解法屬于一種比較嚴格的解法，當實際條件滿足時能夠精準地計算出任何一個點的數值。然而，由于其解答過程的復雜性和條件的苛刻性，在實際生產和建筑中這種解法很少用到，它只能在較為簡單的情況下運用。

2.水力學解法：如上的近似解法。是在理論上對一些情況進行假定，在假定的條件進行對某些特定便捷的流體力學解法。這種解法在時間生產應用中由于條件要求的苛刻，所受限制良多，實際應用并不普遍。

3.模擬解法：在以上兩種解法缺點的基礎上，在面對實際工程時，通常會利用水力學實驗來模擬實際場景繼而解出相應的滲流問題。

4.計算機數值模擬：這種解法主要是先根據具體情況建立起一個數學模型，用建立起的數學模型來解出滲流問題。這種解法通常也被叫做數值法，而在數值法的領域內，又有有限差分法、有限元法之分。如今，在實際工程建造中，被廣泛應用于水利工程中的主要是有限元法和水力學解法。這兩種解法各有不同，然而在水利工程和建筑設計中卻共同發揮著不可小覷的作用和能量。

三.滲流計算工況及系數選取

1.常規堤防工程

通常情況下，有三種水位組合存在于常規堤防工程計算之中，這三種組合的滲透系數選取原則和滲流計算目的分為以下幾個方面：

背水坡為相應水位，臨水側為高水位。這樣的組合其計算目的是：①對背水坡最高溢出點、背水坡表面處溢出點等都得到計算，這樣的計算非常有利于安全復核，其他有關排水設施也在很大程度上發揮作用。②浸潤線的計算，穩定背水邊坡在這種情況下的穩定計算；③利用滲流量以及各種具體分析和數據對整個工程的背水設計和可行性進行深入研究探討。

臨水側為高水位，背水坡為低水位，有時情況惡劣還會出現無水狀況。這個設計組合的計算目的就是：①浸潤線和背水坡邊的計算，相應各個參數都要相應地準備一些，取平均值。②對局部滲流的穩定性進行復核，并重視反濾層設計。在土體的滲透系數取值方面，局部滲透取最小值，上下部位選取大值的平均值。

當在生活中遭遇洪水襲擊時，這種情況對臨水側堤坡穩定是最不利的。當臨水坡面超過最高浸潤線時，在這種情況下有關穩定性的計算最不利，因此在面臨計算工況下進行土體滲透系數時我們所應選取的數值應該是最小值的平均值。

2特殊項目

由于一些項目較為特殊，必要時還應考慮工程蓄水過快、降雨飽和堤壩岸坡、堆筑期間的孔隙水壓力、超孔隙水壓力等因素，應具體問題具體分析。

1.工程蓄水過快

工程蓄水過快會影響上游壩坡的穩定性，尤其是工程初次蓄水時，影響更為顯著。由于浸潤飽和土需要一個漫長的過程，特別是對于粘性土而言，其透水性差，導致浸潤線陡峭，很容易出現上下涂層的飽和性出現差異。如果浸潤前鋒滲透坡降過大，出現不均勻沉降的情況，壩坡很容易出現裂隙，誘發滑坡等地質災害。

2.降雨飽和堤壩岸坡

臨水側水位驟降與降雨飽和堤壩岸坡兩者之間有很強的相似性，其主要是由于大氣降水過多或河岸地下水補給過多，使孔隙水壓力升高，如果在基礎中有承壓水存在，或工程本身存在排水不暢的問題時，降雨飽和堤壩岸坡最為嚴重。

3.堆筑期間的孔隙水壓力

如果工程的地基土質屬軟粘性土，而工程施工又過快時，上部荷重導致的孔隙水壓力就沒有充足的時間消散。此時剪應力的增加會大幅削弱軟粘性土的穩定性，易誘發滑坡。另外，當填筑土料本身水分過大時，也易產生孔隙水壓力，導致發生滑坡。

4.超孔隙水壓力

根據孔隙水壓力的計算公式可知，其為排水面與計算點之間的水體重量。但是對堆筑期間的孔隙水壓力分析可知，實際情況中的孔隙水壓力值都大于常規的孔隙水壓力值。超孔隙水壓力值即大于常規孔隙水壓力值的部分。相關資料顯示，粘性土與飽和的軟粘性土填筑造成的超孔隙水壓力并不相同，前者造成的超孔隙水壓力一般在上部重量的50%左右，特殊情況下可能達到80%-90%。對于后者而言，其超孔隙水壓力大約等于上部重量。

五、結語

目前，水利水電工程設計中的滲流計算方法很多，本文在闡述滲流計算主要方法的基礎上，對滲流計算工況組合與滲透系數的選取進行了簡要分析，以水力學解法為例進行了重點探討，旨在為水力水電工程設計中的滲流計算提供一些借鑒。

參考文獻：

[1] 焦建華.水利水電工程設計中滲流計算的探討[J].水利技術監督，2007，15（5）：46-48.9.

[2] 童華南.堤防工程設計中滲流計算若干問題的探討[J].城市建設理論研究（電子版），2012，（33）.