土石坝渗流研究的现状与发展

□张　斌（辽宁西北供水有限责任公司）



土石坝渗流研究的现状与发展

□张斌（辽宁西北供水有限责任公司）

摘要：建筑行业的快速发展，由于其自身特性，施工中极易受到外界客观因素影响，对其中施工技术提出了更高的要求。根据大量的国内外文献资料，对土石坝渗流研究的发展过程进行了综述。重点论述了当今世界土石坝渗流研究的现状，并进行简要分析。最后，从渗流研究的理论方法、实现手段等方面对中国土石坝渗流研究的发展方向做以展望。

关键词：渗流分析；渗流力学；土石坝；安全监测

1引言

对于渗流力学理论而言，诞生历史较久，随着理论不断的发展和完善，理论基础已经趋于完善。渗流力学是一门较为冷僻的学科，是基于流体力学与土力学两种理论基础上衍生而成的，并逐渐作为边缘学科进入了人们的视线。此外，渗流力学不仅囊括土力学以及流体力学的知识，同时包括地下水动力学理论以及水利等诸多学科，将这些互相独立的学科联系在一起，即渗流力学。

在建筑领域，关于土石坝工程的设计中，首先需要结合工程实际要求，进行渗流分析，能够大大降低土石坝出现渗漏破坏现象，并针对其中潜在的安全隐患提出合理的布设防渗措施，确保工程后续施工活动有序开展。在对土石坝渗流研究过程中，不仅需要结合工程实际建设需求，同时需要进一步清楚水流特点以及土体结构特性，了解水流在土层中的运动规律。针对土石坝渗流理论的研究，由于需要对水流特性以及土体结构进行分析，所以相应的研究难度较高，由此为了能够更为简单的得到研究结果，针对其中存在的问题进行解决时需要对理论简化，对各项数值进行公式计算。

2土石坝渗流理论研究概述

土石坝建筑的本质，主要起到挡水作用，同渗流并存于一体。渗流力学理论的发展和完善主要是随着土石坝建筑设计和监督相关理论的创新衍生而成，其发展历史可以看作是渗流力学理论以及控制理论的发展历史，共同创新和发展。究其根本，主要是由于土石坝自身特性，极易受到外界客观因素的影响，而渗流破坏作为影响土石坝建筑安全和稳定的主要原因之一，所以两者之间有着较为密切的联系。据权威数据统计显示，由于此类问题造成的土石坝建筑安全事故占总事故的35%左右。最早研究土石坝渗流影响的方法主要是通过水利学法以及图解法等众多科学计算模拟，对其中存在的渗流破坏风险进行分析，这种方法要点在于达西定律，假设某一种情况进行分析。

伴随着中国计算机信息技术水平的快速发展，为数值方法的实际推广和应用提供了更为广阔的平台，以其独特的优势为渗流研究做出了巨大贡献。这种数值方法最早是在上个世纪由L.F.Richardson最先提出。方法一经诞生，受到了相关领域的广泛重视和关注，经过漫长时期的完善和实际应用，取得了较为可观的成效，积累了大量实践应用经验，并且相关理论基础已经趋于完善。尽管这种方法在实际应用中取得了可观的成效，但是其核心思想是由R.Courant在1913年创新界定的，而“有限单元法”这一名称是由R.W.Clough最先在研究中采用，就其本质而言，同有限差分法之间存在显著的差异。这种方法以其独特的优势和实践开展经验，在上个世纪60年代开始应用在流体力学理论研究方面。Zienkiewiz在1965年针对此类方法做出了进一步的阐述，认为这种方法更加适合应用在复杂的科学计算中，依托于可按变分形式，这一理念的提出，在一定程度上促进了在渗流分析领域的应用和研究理论基础。有限元方法在实际应用中，最早是借助此种方法来分析土坝中相关问题，由Clough和Woodward最先提出，最先应用在渗流问题研究中，后经过不断完善和创新，进一步引用在非稳定渗流问题分析中。相较于国外对于土石坝渗流问题的研究，我国起步较晚，源于上个世纪70年代后期，借鉴国外实际开展经验，理论方面研究取得了可观成效，积累了大量实践经验，其中该项理论研究最主要的成果是由南京水利水电科学研究院和北京水利水电科学研究院共同研究得出，以其独特优势为土坝渗流以及坝坡稳定做出了科学分析流程。但是由于这种方法在实际应用中缺乏科学合理的检验标准，以致于实践应用中多数将多种方法计算结果进行对比分析。

3国内外渗流理论研究现状

3.1国外研究现状

为了能够推动我国建筑行业健康持续发展，针对其中各项理论研究提出了更高的要求，作为大坝建筑安全监测中不可或缺的组成部分，渗流观测有着较为突出的作用，当前国际上对于大坝监测方法的选择存在明显的差异，主要是根据建筑工程实际需要为依据。诸如瑞典的大坝建筑工程，其全自动化智能监测系统在世界范围内排名前列，尤其是对大坝建筑安全监测技术，是其他国家所无法达到的。瑞典在2004年首次研发而成创新型的光导纤维，并将其实际应用在多个土石坝建筑上，结合土石坝建筑自身特性选择不同的施工安装技术。经过一段时间的分析和验证，发现这种技术的安装方法较为先进，设备监测结果精确度较高。

对渗流分析理论研究经过不断完善和创新，理论基础趋于完善，在此研究中通过对大坝的监测，对其大坝建筑各项数据指标进行分析。于同年8月对瑞典某大坝进行了一场实验论证，来分析温度变化同渗流损失量之间关系。图1为Hylte大坝的温度测量结果。

图1　Hylte大坝的温度测量结果图

3.2国内研究现状

相较于国外对于大坝安全监测方面的研究，中国起步较晚，相应的技术水平和理论基础较为薄弱，但是其后势强劲，即吸收和借鉴国外工作经验来完善我国相关研究。例如我国南京水利水文自动化自行研究开发的创新型非接触式变形监测仪器，以其独特的智能自动化优势被广泛应用在大型水利工程建设中，包括在三峡以及葛洲坝等众多水利工程建设中，取得了较为可观的成效；南京南瑞集团公司针对水利工程安全所研发的技术和产品，在实际大坝水利工程安全监测应用中起到了突出的作用，其中最主要的是一种创新型的DAMS-Ⅳ大坝监测系统，在实际应用中效果尤为突出，但是相应的系统安全监测软件只能显示简单的数据资料，以对数据资料的编制为主要功能，有待进一步完善。

我国在水利系统软件开发上不断完善和创新，在实际应用中取得了较为可观的成效，由北京理正软件研究中心自主研发的边坡稳定分析软件、渗流分析软件以及工程水力学计算软件等，被广泛应用在建筑领域。该公司所研发的软件非常适合在大坝渗流破坏以及渗透稳定分析中应用，通过一系列渗透理论以及有限元法对大坝渗透破坏等问题进行计算，为后续问题分析提供准确的数据参考依据。此软件在土层结构分布情况以及大坝整体结构情况分析中，主要借助AutoCAD建立模型，绘制虚拟图像对浸润线进行渗流分析，在确立了相关参数和条件后，全自动化智能分析计算结果，并传输到边坡稳定分析软件中，为边坡稳定分析提供最原始的计算参数，最后将渗流计算结果显示出来，为后续渗流防范措施提供参考依据。如图2。

图2　浸润线以下的坝体结构示意图

4土石坝渗流研究发展方向展望

就我国土石坝渗流理论研究现状来看，理论基础已经较为完善，并且积累了大量的实践工作开展经验，相关安全监测技术手段也在不断创新和发展，呈现良好的发展前景。但是，由于其自身特性以及发展历史较短问题，仍然存在一系列问题，制约着相关研究的有序进行，有待进一步完善。由此，吸收和借鉴国外该项工作先进理论研究以及实践经验，为其提供合理的发展方向有一定必要。

4.1创新丰富多样化的渗流计算方法

由于土石坝建筑自身特性，极易受到外界客观因素的影响，所以在实际工程建设中应结合工程实际需要，采用多样化的渗流计算方法，将所计算得出的结果对比分析，选择最为合适的渗流计算方法，确保计算结果的准确度。此外，渗流计算方法能够适应建筑变化特性，不断进行自我完善和调整，以满足土石坝建筑需要。

4.2计算机技术多样化发展

伴随着中国电子计算机技术快速发展，针对土石坝渗流计算的过程已经摒弃了传统的手工计算，大多采用计算机的高效计算方式，这种方式不仅能够提供更高精准度的计算结果，提升计算效率和质量，规避错误偏差，同时所得结果能够更为直观的展现出来，为后续分析活动顺利开展奠定基础。电子计算机渗流计算主要是通过图像的方式呈现，或三维或二维示意图，展现数据变化曲线，一方面能够规避大量繁琐数据的录入，另一方面有助于将数据变化趋势更为直观生动的展现出来。图像中以彩色为主，通过颜色的变化表示渗流值计算结果准确与否。

参考文献

［1］刘倬昀，辛全才，张帆等.土石坝坝料分区优化研究［J］.水力发电，2014（12）：35-37，41.

［2］程声龙.土石坝渗流破坏及其控制措施［J］.黑龙江水利科技，2014（4）：120-122.

［3］孙力伟.土石坝渗流稳定分析浅议［J］.城市建筑，2014（4）：309-309.

（责任编辑：韦诗佳）

中图分类号：TV641；TV223.4

文献标识码：B

文章编号：1673-8853（2016）05-0111-02

收稿日期：2016-01-22