浅谈如何计算水利水电工程设计中的渗流

刘伟嫔

一、计算目的

在科技实践领域，渗流理论被广泛运用在各个方面。在现代化实体水利化工领域，渗流理论的运用必不可少，它是成功完成各项任务的理论武器，对于各种设施建筑的设计和数据的计算有着不可替代的作用。水利工程建设中，我们最为常用的渗流问题具体包括以下几个方面：积水建筑物的设计计算、水工建筑物的渗漏及稳定、水库河渠的侧渗等。针对这些水力学方面的问题，我们进行渗流计算的主要目的就是：

1.精准地计算出渗流力量；

2.浸润线位置的确定；

3.渗透压强和渗透压力的确定

4.渗透流速的确定

自然之中，液体在多孔介质中流动。我们所知道的天然多孔介质主要是岩层和土体等裂隙性和多孔性介质。

而在日常生活中的许多工业项目和水利工程中，渗流存在于各个方面。诸如生产建设中的挡水土坝中的渗流等。针对渗流问题研究时，我们主要注重以下几个部分：渗流速度分布、渗流作用于基底上的力等。

二.渗流计算的主要方法

我们在研究渗流问题，对建筑物等进行计算时，主要采用以下幾种方法。

1.流体力学解法：这种解法属于一种比较严格的解法，当实际条件满足时能够精准地计算出任何一个点的数值。然而，由于其解答过程的复杂性和条件的苛刻性，在实际生产和建筑中这种解法很少用到，它只能在较为简单的情况下运用。

2.水力学解法：如上的近似解法。是在理论上对一些情况进行假定，在假定的条件进行对某些特定便捷的流体力学解法。这种解法在时间生产应用中由于条件要求的苛刻，所受限制良多，实际应用并不普遍。

3.模拟解法：在以上两种解法缺点的基础上，在面对实际工程时，通常会利用水力学实验来模拟实际场景继而解出相应的渗流问题。

4.计算机数值模拟：这种解法主要是先根据具体情况建立起一个数学模型，用建立起的数学模型来解出渗流问题。这种解法通常也被叫做数值法，而在数值法的领域内，又有有限差分法、有限元法之分。如今，在实际工程建造中，被广泛应用于水利工程中的主要是有限元法和水力学解法。这两种解法各有不同，然而在水利工程和建筑设计中却共同发挥着不可小觑的作用和能量。

三.渗流计算工况及系数选取

1.常规堤防工程

通常情况下，有三种水位组合存在于常规堤防工程计算之中，这三种组合的渗透系数选取原则和渗流计算目的分为以下几个方面：

背水坡为相应水位，临水侧为高水位。这样的组合其计算目的是：①对背水坡最高溢出点、背水坡表面处溢出点等都得到计算，这样的计算非常有利于安全复核，其他有关排水设施也在很大程度上发挥作用。②浸润线的计算，稳定背水边坡在这种情况下的稳定计算；③利用渗流量以及各种具体分析和数据对整个工程的背水设计和可行性进行深入研究探讨。

临水侧为高水位，背水坡为低水位，有时情况恶劣还会出现无水状况。这个设计组合的计算目的就是：①浸润线和背水坡边的计算，相应各个参数都要相应地准备一些，取平均值。②对局部渗流的稳定性进行复核，并重视反滤层设计。在土体的渗透系数取值方面，局部渗透取最小值，上下部位选取大值的平均值。

当在生活中遭遇洪水袭击时，这种情况对临水侧堤坡稳定是最不利的。当临水坡面超过最高浸润线时，在这种情况下有关稳定性的计算最不利，因此在面临计算工况下进行土体渗透系数时我们所应选取的数值应该是最小值的平均值。

2特殊项目

由于一些项目较为特殊，必要时还应考虑工程蓄水过快、降雨饱和堤坝岸坡、堆筑期间的孔隙水压力、超孔隙水压力等因素，应具体问题具体分析。

1.工程蓄水过快

工程蓄水过快会影响上游坝坡的稳定性，尤其是工程初次蓄水时，影响更为显著。由于浸润饱和土需要一个漫长的过程，特别是对于粘性土而言，其透水性差，导致浸润线陡峭，很容易出现上下涂层的饱和性出现差异。如果浸润前锋渗透坡降过大，出现不均匀沉降的情况，坝坡很容易出现裂隙，诱发滑坡等地质灾害。

2.降雨饱和堤坝岸坡

临水侧水位骤降与降雨饱和堤坝岸坡两者之间有很强的相似性，其主要是由于大气降水过多或河岸地下水补给过多，使孔隙水压力升高，如果在基础中有承压水存在，或工程本身存在排水不畅的问题时，降雨饱和堤坝岸坡最为严重。

3.堆筑期间的孔隙水压力

如果工程的地基土质属软粘性土，而工程施工又过快时，上部荷重导致的孔隙水压力就没有充足的时间消散。此时剪应力的增加会大幅削弱软粘性土的稳定性，易诱发滑坡。另外，当填筑土料本身水分过大时，也易产生孔隙水压力，导致发生滑坡。

4.超孔隙水压力

根据孔隙水压力的计算公式可知，其为排水面与计算点之间的水体重量。但是对堆筑期间的孔隙水压力分析可知，实际情况中的孔隙水压力值都大于常规的孔隙水压力值。超孔隙水压力值即大于常规孔隙水压力值的部分。相关资料显示，粘性土与饱和的软粘性土填筑造成的超孔隙水压力并不相同，前者造成的超孔隙水压力一般在上部重量的50%左右，特殊情况下可能达到80%-90%。对于后者而言，其超孔隙水压力大约等于上部重量。

五、结语

目前，水利水电工程设计中的渗流计算方法很多，本文在阐述渗流计算主要方法的基础上，对渗流计算工况组合与渗透系数的选取进行了简要分析，以水力学解法为例进行了重点探讨，旨在为水力水电工程设计中的渗流计算提供一些借鉴。

参考文献：

[1] 焦建华.水利水电工程设计中渗流计算的探讨[J].水利技术监督，2007，15（5）：46-48.9.

[2] 童华南.堤防工程设计中渗流计算若干问题的探讨[J].城市建设理论研究（电子版），2012，（33）.