浅论碾压坝渗流情况分析

■ 陈忠润

电模拟法是根据渗流与电流相似的原理建立的一种试验方法，它可摘要：在碾压土石坝运行中，因渗流引起的滑坡、渗透破坏尤为严重，

因此必须合理地对土石坝进行渗流分析并采取措施。关键词：土石坝；渗流；渗透变形1碾压土石坝的渗流

土石坝是透水的，水库蓄水后在各种因素的影响下，坝体和坝基将产生渗流，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动称为渗流，若透水性较大会造成大量水力损失。当渗水从坝体、坝基逸出时，若渗流水的速度或坡降达到一定值后，可能将坝体和坝基内的土粒带出，形成管涌和流土，产生渗透变形破坏，甚至会导致工程失事。

当坝体产生渗流后，坝体内渗流的自由表面线称为浸润线。浸润线以上的土体为自然含水量状态，浸润线以下的土体浸没于水中，处于饱和状态，受到渗流压力的作用。渗流会使侵润线下土体的有效重量降低，抗剪强度减弱，对土粒还将产生渗透动水压力，易产生渗透变形，如坝体内的浸润线过高，对坝体的稳定不利，在寒冷地方，土中的水分由于冻融作

用会使土体变得松软形成裂缝，因此必须降低坝体浸润线并采取保护措施。2土石坝中的渗流特性

坝体和河岸中的渗流均为无压渗流，有浸润面存在，大多数情况下可看作为稳定流，但水库水位急降时则产生不稳定流，需要考虑浸润面随时间变化对坝坡的影响。渗流流速V和坡降J的关系为：

J1/式中：—渗透系数；—渗流参量，=1～1.1时为层流，=2时为紊流，=1.1～1.85时为过渡紊流态；

在渗流分析中，一般假定渗流速度和坡降符合达西定理=1；在均

质土坝中可假定各点和各方向渗透系数相同，但在不均质土体中应考虑渗透系数的变化。一般来说，土体中的渗流取决于孔隙大小的变化，从而取决于土石坝中的应力和变形状态；对宽广河谷的土石坝，一般采用二

维渗流分析就可满足要求，对狭窄河谷中的高坝则需要进行三维渗流分析。3渗流分析方法

有许多方法可用来分析渗流，常见的渗流分析的方法：水力学法、流体力学法、有限单元法和试验法，其中，水力学法和流体力学法比较简单，也具有一定的精度，遇到坝身土料配置或坝基较为复杂时，可采用有限单元法和试验法。

3.1水力学法

采用水力学法计算时，作了一些基本假设：坝体土料是均质土，坝体内每点在各方向的渗透系数都是常数；渗透水流是渐变流，等势线上各点的水头是常数；渗透水流为二元稳定流，属于层流，符合达西定律。

水力学法方法是一种近似方法，只适用在渗流表面缓慢下降，流线较为平缓地段。为了扩大使用范围需要进行修正和补充。由于该方法简单和方便，一般情况能满足计算精度要求而应用较广。但是水力学法不能求得任意点的流速和坡降，只能给出计算截面的平均渗透流速和平均水力坡降。

3.2流体力学法

流体力学法是以达西定律为基础，根据渗流的边界条件求解渗流连续性方程，是一种较为精确的计算方法。但由于土坝渗流的边界条件非常复杂，要直接解渗流连续性方程会存在许多困难，所以除有解析解法之外一般采用近似解法。

3.3试验法

常用的试验方法有缝隙水槽法和电模拟法。

缝隙水槽法是根据粘性液体在通过两块近距离的平行透明壁时产生平面无旋转的特点来模拟渗流的运动，它可以直接给出渗流图形，是一种简单的试验方法，但只能解决二维渗流问题。

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以解决二维渗流问题、三维渗流问题及层状地基和组合地基的渗流问题，

是目前广泛应用的一种方法。

3.4有限单元法

有限单元法是将渗流区域分解为有限个单元的集合体且引用变分原理，将整个渗流运动用一组方程来表示，借助计算机来进行渗流求解。有限单元法是目前采用的最有效方法，这种方法能较好的适应边界条件，可解决较复杂的渗流问题，计算精度较高。

4土石坝的渗透变形及防护4.1渗透变形及其危害

当土产生渗流时，渗流水的坡降或流速达到一定值时，会引起土体的冲刷侵蚀，从而引起坝体和坝基的变形及破坏称为渗透变形。渗透变形的产生及发展与土的颗粒级配和渗流的水力条件等因素有关，其表示型式可分为管涌、流土、接触性冲刷和接触性流失。渗流变形可在小范围内发生，也可发展至大范围，导致坝体沉降、坝坡坍塌或形成集中的渗流通道

等，危及大坝的安全。

土石坝的防渗设计在于选择好筑坝土料及坝的防渗结构形式、过渡区和排水反滤等防止渗流变形对坝的危害。防渗体用来控制渗流，减小溢出坡降和渗流量。过渡区用以实现心墙或斜墙等防渗体与坝壳土料的可靠连接，并防止渗流变形。反滤则是实现坝体、坝基与排水的连接，防止管涌与流土。

4.2渗流变形的防护标准

在渗流作用下是否产生渗透破坏以及产生哪种破坏型式，这是土石坝设计时必须知道的问题。渗流稳定与否重点取决于渗流出口处的渗流状态。因此渗透稳定分析就是求出渗流出口处的最大实际渗透坡降J，将其

与渗透破坏的临界坡降Jcr相比较：若渗流出口处的最大实际渗透坡降J

小于其临界渗透坡降Jcr，坝体就稳定;若渗流出口处的最大实际渗透坡

降J等于其临界渗透坡降Jcr，坝体处于临界状态：若渗流出口处的最大

实际渗透坡降J大于其临界渗透坡降Jcr，则坝体不稳定，应采取措施。土坝的渗透破坏

临界水力坡降和实际渗透坡降计算公式。（1）管涌的渗透破坏的临界坡降计算

其中：

—管涌的渗透破坏的临界坡降；

GS—土的颗粒密度与水的密度之比；

n—土的孔隙率；

d5—颗粒级配曲线上含量等于5%时的相应粒径；

—颗粒级配曲线上含量等于20%时的相应粒径；（2）流土的渗透破坏的临界坡降计算

其中：

—流土的渗透破坏临界坡降；

GS—土的颗粒密度与水的密度之比；n—土的孔隙率；

粘性土不会产生管涌，管涌是无粘性土发生的渗透破坏型式，对于

Engineering research工程研究无粘性土，管涌与流土应根据土的细小颗粒含量按中国水利水电科学研究院的判别方法：

中国水利水电科学研究院刘杰[19]根据土体细粒含量（填料颗粒）的体积等于粗粒（骨架颗粒）空隙体积的原则，得到细粒含量P的表达式为：

Z渗流分析的目的在于：对初选大坝的形式和尺寸进行检验，确定对坝坡稳定有重要影响的渗透作用力，为核算坝坡稳定提供依据；计算通过坝体、坝基及绕过坝端的渗流量，采取适当的防渗措施减小渗漏损失；进行坝体防渗布置与土料配置，根据坝体内部的渗流参数与渗流溢出坡降，检验土体的渗流稳定，防止发生管用和流土，自此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸和排水设施的容量和尺寸；确定坝体内浸润线的位置，为坝坡稳定计算和分析提供依据；计算坝体和坝基渗流出口处的渗透坡降或流速，判断其渗透稳定性；确定通过坝和河岸的渗流水量损失并设计排水系统容量。

（作者单位：云南能源职业技术学院）

参考文献

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[2]祁庆和．水工建筑物．北京：中国水利电力出版社，1996．[3]李炜.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006．

PZd1n2(1n2)s2d1n2式中:d1—细粒本身的干容重；

n2—粗体本身在密室状态下的空隙体积；

s2—粗料的土体容重；

当细粒含量PZ>35%时，为流土；PZ<25%时，为管涌；25%（3）最大实际渗透坡降J的计算JH/L式中：H—上下游水位差；L—经折算的闸坝地下轮廓线的总长度；5结束语

在坝与水库失事事故统计中约有四分之一是由于渗流问题引起的，

（上接第32页）

中，若在线圈额定电压添加于继电器线圈两端时，激励其形成特定强度的电流，有电流通过的线圈即具有电磁效应，这样产生的电磁力与弹簧的拉力方向相反，将衔铁朝着铁芯方向移动，这样可以让衔铁的静、动两个触点吸和；如果撤除电流，那么电磁效应产生的作用力就不复存在，在弹簧的拉力作用下，衔铁将向反方向运动，回到先前的位置。通过如此的断开、吸附操作，可以实现电路中切断、连通的目的。我们可以将继电器视成一个开关，它与一个三极管相连，而将单片机的p2.3与三极管的某一引脚相连接，如果该引脚处于高电平状态，将使得继电器触发，然后实施洒水作业。

3.6总电路连接图4总结

本次自动浇花系统的电路的设计，硬件的组成，软件的安装，程序的设计以及老师的指导，我们团队付出了很多心血，我们都知道程序设计很有挑战性，硬件电路的设计需要精心的构思，但是在我们查找相关资料，与指导老师反复调试之后，最后还是成功了，在实验室里忙忙碌碌的工作，我们的内心是开心的，也是充实的。团结一致，相互信任，克服困难，我想这就是团队的精神所在，大学期间学习固然重要，但是实践才是验证真理的路劲。

（作者单位：陕西西安西安翻译学院电子工程系）

参考文献

[1]李泉溪.单片机原理与应用实例仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社，2009.8.

[2]曾光宇等.现代传感器技术与应用基础[M].北京:北京理工大学出版社,2006.3.

[3]李敏,孟臣.数字式温/湿度传感器及其应用技术[J].电子元器件应用,200.11.

（上接第34页）

河流是大自然的产物，在对于城市河流生态景观进行设计时，首先应该是以工程技术为依靠，表现出河流的景观艺术，技术和艺术的相互结合创造了独特的城市河流景观设计，而城市河流生态景观的设计为城市创造出了优美绿化的社会环境，并且维持了河流的生态系统完整性。城市河流生态景观设计加快了我国对于城市河流的研究，很大程度上积极推动了我国城市河流生态景观的规划工作，为身处城市中心的人民营造了一个更健康绿化的河流景观环境。

（作者单位：苏州工艺美术职业技术学院）

参考文献

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设理论研究（电子版）,2014,(8).

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