土石壩滲流研究的現狀與發展

□張　斌（遼寧西北供水有限責任公司）

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土石壩滲流研究的現狀與發展

□張斌（遼寧西北供水有限責任公司）

摘要：建筑行業的快速發展，由于其自身特性，施工中極易受到外界客觀因素影響，對其中施工技術提出了更高的要求。根據大量的國內外文獻資料，對土石壩滲流研究的發展過程進行了綜述。重點論述了當今世界土石壩滲流研究的現狀，并進行簡要分析。最后，從滲流研究的理論方法、實現手段等方面對中國土石壩滲流研究的發展方向做以展望。

關鍵詞：滲流分析；滲流力學；土石壩；安全監測

1引言

對于滲流力學理論而言，誕生歷史較久，隨著理論不斷的發展和完善，理論基礎已經趨于完善。滲流力學是一門較為冷僻的學科，是基于流體力學與土力學兩種理論基礎上衍生而成的，并逐漸作為邊緣學科進入了人們的視線。此外，滲流力學不僅囊括土力學以及流體力學的知識，同時包括地下水動力學理論以及水利等諸多學科，將這些互相獨立的學科聯系在一起，即滲流力學。

在建筑領域，關于土石壩工程的設計中，首先需要結合工程實際要求，進行滲流分析，能夠大大降低土石壩出現滲漏破壞現象，并針對其中潛在的安全隱患提出合理的布設防滲措施，確保工程后續施工活動有序開展。在對土石壩滲流研究過程中，不僅需要結合工程實際建設需求，同時需要進一步清楚水流特點以及土體結構特性，了解水流在土層中的運動規律。針對土石壩滲流理論的研究，由于需要對水流特性以及土體結構進行分析，所以相應的研究難度較高，由此為了能夠更為簡單的得到研究結果，針對其中存在的問題進行解決時需要對理論簡化，對各項數值進行公式計算。

2土石壩滲流理論研究概述

土石壩建筑的本質，主要起到擋水作用，同滲流并存于一體。滲流力學理論的發展和完善主要是隨著土石壩建筑設計和監督相關理論的創新衍生而成，其發展歷史可以看作是滲流力學理論以及控制理論的發展歷史，共同創新和發展。究其根本，主要是由于土石壩自身特性，極易受到外界客觀因素的影響，而滲流破壞作為影響土石壩建筑安全和穩定的主要原因之一，所以兩者之間有著較為密切的聯系。據權威數據統計顯示，由于此類問題造成的土石壩建筑安全事故占總事故的35%左右。最早研究土石壩滲流影響的方法主要是通過水利學法以及圖解法等眾多科學計算模擬，對其中存在的滲流破壞風險進行分析，這種方法要點在于達西定律，假設某一種情況進行分析。

伴隨著中國計算機信息技術水平的快速發展，為數值方法的實際推廣和應用提供了更為廣闊的平臺，以其獨特的優勢為滲流研究做出了巨大貢獻。這種數值方法最早是在上個世紀由L.F.Richardson最先提出。方法一經誕生，受到了相關領域的廣泛重視和關注，經過漫長時期的完善和實際應用，取得了較為可觀的成效，積累了大量實踐應用經驗，并且相關理論基礎已經趨于完善。盡管這種方法在實際應用中取得了可觀的成效，但是其核心思想是由R.Courant在1913年創新界定的，而“有限單元法”這一名稱是由R.W.Clough最先在研究中采用，就其本質而言，同有限差分法之間存在顯著的差異。這種方法以其獨特的優勢和實踐開展經驗，在上個世紀60年代開始應用在流體力學理論研究方面。Zienkiewiz在1965年針對此類方法做出了進一步的闡述，認為這種方法更加適合應用在復雜的科學計算中，依托于可按變分形式，這一理念的提出，在一定程度上促進了在滲流分析領域的應用和研究理論基礎。有限元方法在實際應用中，最早是借助此種方法來分析土壩中相關問題，由Clough和Woodward最先提出，最先應用在滲流問題研究中，后經過不斷完善和創新，進一步引用在非穩定滲流問題分析中。相較于國外對于土石壩滲流問題的研究，我國起步較晚，源于上個世紀70年代后期，借鑒國外實際開展經驗，理論方面研究取得了可觀成效，積累了大量實踐經驗，其中該項理論研究最主要的成果是由南京水利水電科學研究院和北京水利水電科學研究院共同研究得出，以其獨特優勢為土壩滲流以及壩坡穩定做出了科學分析流程。但是由于這種方法在實際應用中缺乏科學合理的檢驗標準，以致于實踐應用中多數將多種方法計算結果進行對比分析。

3國內外滲流理論研究現狀

3.1國外研究現狀

為了能夠推動我國建筑行業健康持續發展，針對其中各項理論研究提出了更高的要求，作為大壩建筑安全監測中不可或缺的組成部分，滲流觀測有著較為突出的作用，當前國際上對于大壩監測方法的選擇存在明顯的差異，主要是根據建筑工程實際需要為依據。諸如瑞典的大壩建筑工程，其全自動化智能監測系統在世界范圍內排名前列，尤其是對大壩建筑安全監測技術，是其他國家所無法達到的。瑞典在2004年首次研發而成創新型的光導纖維，并將其實際應用在多個土石壩建筑上，結合土石壩建筑自身特性選擇不同的施工安裝技術。經過一段時間的分析和驗證，發現這種技術的安裝方法較為先進，設備監測結果精確度較高。

對滲流分析理論研究經過不斷完善和創新，理論基礎趨于完善，在此研究中通過對大壩的監測，對其大壩建筑各項數據指標進行分析。于同年8月對瑞典某大壩進行了一場實驗論證，來分析溫度變化同滲流損失量之間關系。圖1為Hylte大壩的溫度測量結果。

圖1　Hylte大壩的溫度測量結果圖

3.2國內研究現狀

相較于國外對于大壩安全監測方面的研究，中國起步較晚，相應的技術水平和理論基礎較為薄弱，但是其后勢強勁，即吸收和借鑒國外工作經驗來完善我國相關研究。例如我國南京水利水文自動化自行研究開發的創新型非接觸式變形監測儀器，以其獨特的智能自動化優勢被廣泛應用在大型水利工程建設中，包括在三峽以及葛洲壩等眾多水利工程建設中，取得了較為可觀的成效；南京南瑞集團公司針對水利工程安全所研發的技術和產品，在實際大壩水利工程安全監測應用中起到了突出的作用，其中最主要的是一種創新型的DAMS-Ⅳ大壩監測系統，在實際應用中效果尤為突出，但是相應的系統安全監測軟件只能顯示簡單的數據資料，以對數據資料的編制為主要功能，有待進一步完善。

我國在水利系統軟件開發上不斷完善和創新，在實際應用中取得了較為可觀的成效，由北京理正軟件研究中心自主研發的邊坡穩定分析軟件、滲流分析軟件以及工程水力學計算軟件等，被廣泛應用在建筑領域。該公司所研發的軟件非常適合在大壩滲流破壞以及滲透穩定分析中應用，通過一系列滲透理論以及有限元法對大壩滲透破壞等問題進行計算，為后續問題分析提供準確的數據參考依據。此軟件在土層結構分布情況以及大壩整體結構情況分析中，主要借助AutoCAD建立模型，繪制虛擬圖像對浸潤線進行滲流分析，在確立了相關參數和條件后，全自動化智能分析計算結果，并傳輸到邊坡穩定分析軟件中，為邊坡穩定分析提供最原始的計算參數，最后將滲流計算結果顯示出來，為后續滲流防范措施提供參考依據。如圖2。

圖2　浸潤線以下的壩體結構示意圖

4土石壩滲流研究發展方向展望

就我國土石壩滲流理論研究現狀來看，理論基礎已經較為完善，并且積累了大量的實踐工作開展經驗，相關安全監測技術手段也在不斷創新和發展，呈現良好的發展前景。但是，由于其自身特性以及發展歷史較短問題，仍然存在一系列問題，制約著相關研究的有序進行，有待進一步完善。由此，吸收和借鑒國外該項工作先進理論研究以及實踐經驗，為其提供合理的發展方向有一定必要。

4.1創新豐富多樣化的滲流計算方法

由于土石壩建筑自身特性，極易受到外界客觀因素的影響，所以在實際工程建設中應結合工程實際需要，采用多樣化的滲流計算方法，將所計算得出的結果對比分析，選擇最為合適的滲流計算方法，確保計算結果的準確度。此外，滲流計算方法能夠適應建筑變化特性，不斷進行自我完善和調整，以滿足土石壩建筑需要。

4.2計算機技術多樣化發展

伴隨著中國電子計算機技術快速發展，針對土石壩滲流計算的過程已經摒棄了傳統的手工計算，大多采用計算機的高效計算方式，這種方式不僅能夠提供更高精準度的計算結果，提升計算效率和質量，規避錯誤偏差，同時所得結果能夠更為直觀的展現出來，為后續分析活動順利開展奠定基礎。電子計算機滲流計算主要是通過圖像的方式呈現，或三維或二維示意圖，展現數據變化曲線，一方面能夠規避大量繁瑣數據的錄入，另一方面有助于將數據變化趨勢更為直觀生動的展現出來。圖像中以彩色為主，通過顏色的變化表示滲流值計算結果準確與否。

參考文獻

［1］劉倬昀，辛全才，張帆等.土石壩壩料分區優化研究［J］.水力發電，2014（12）：35-37，41.

［2］程聲龍.土石壩滲流破壞及其控制措施［J］.黑龍江水利科技，2014（4）：120-122.

［3］孫力偉.土石壩滲流穩定分析淺議［J］.城市建筑，2014（4）：309-309.

（責任編輯：韋詩佳）

中圖分類號：TV641；TV223.4

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8853（2016）05-0111-02

收稿日期：2016-01-22