本發(fā)明涉及水利工程穩(wěn)定性評價與監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，特別涉及一種堤壩滲透穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險的測定方法。

背景技術(shù)：

堤壩是為了防止洪水、潮水泛濫而建造的構(gòu)筑物，是我國防洪工程體系的重要組成部分。我國現(xiàn)有堤防27萬多公里，保護耕地3220萬頃，保護人口3.22億。然而當前許多堤壩由于長期高水位滲透力的作用，使堤壩內(nèi)土體顆粒流失或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致堤壩變形甚至失穩(wěn)，常發(fā)生流土和管涌等滲透破壞變形，再加上自然和人為的破壞，多數(shù)堤壩存在著潰壩安全隱患。近年來洪災(zāi)發(fā)生的頻率和嚴重程度都有不斷加大的趨勢，堤壩風(fēng)險已成為制約我國水利工程安全與國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。因此有必要對堤壩穩(wěn)定性及其風(fēng)險進行分析和評估，從而為堤壩穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險評價提供可靠的技術(shù)支持。

目前國內(nèi)外常用的堤壩穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險評價方法主要有如下幾種：(1)工程地質(zhì)類比法。該方法主要是將待評價目標堤壩與類似的歷史潰壩案例進行對比來預(yù)估目標堤壩的穩(wěn)定性及其風(fēng)險，包括其潛在失事模式與風(fēng)險率。然而由于堤壩失穩(wěn)是在外部荷載和內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)(包括材料缺陷、管理不當)等多種因素聯(lián)合作用下發(fā)生發(fā)展的，其不確定性因素很大，即使工程特性相似度很高的兩個堤壩，由于沒有考慮堤壩的實際運行情況，因此不能單獨用來預(yù)估目標堤壩的風(fēng)險；(2)專家經(jīng)驗法。該方法是在堤壩風(fēng)險初步分析中采用事件樹法時應(yīng)用專家經(jīng)驗確定潰壩概率的方法，主要從某一荷載狀態(tài)或工況出發(fā)，依據(jù)事件發(fā)展的物理過程，對構(gòu)成堤壩潰決的各要素進行邏輯分析，形成多種潰壩模式的工具，由具有豐富工程經(jīng)驗的專家判斷并分析堤壩多潰決模式下的潰決概率。然而該方法過于依賴于專家經(jīng)驗和主觀判斷，如果專家經(jīng)驗不夠豐富，則可能影響到所賦概率的正確性和準確性；(3)綜合分析評價法。該類方法主要通過有針對性的評價方法對堤壩安全的多層次、多目標結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做出綜合評價，可細分為動力系統(tǒng)方法，以及運用投影尋蹤、集對分析、物元可拓分析、粗集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評價等一批新的方法。然而該方法評價體系的構(gòu)建還不完善，且堤壩安全影響因素不易確定，其影響因素很難考慮周全，通過一些計算方法，只能定量考慮一些影響因素的影響程度和權(quán)重，其評價結(jié)果仍然不夠可靠，具有一定的或然性和模糊性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述傳統(tǒng)堤壩穩(wěn)定性評價及風(fēng)險測定方法的不足，本發(fā)明提供了一種堤壩滲透穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險的測定方法，通過對堤壩系統(tǒng)的勘測及室內(nèi)土工試驗，確定其橫向剖面圖及基本物理力學(xué)參數(shù)，進而確定其最短流徑長度及最大滲透水力梯度，并求出堤壩發(fā)生滲透破壞時的臨界水力梯度對應(yīng)的堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度，通過將堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度與實際平均寬度進行比較，判斷其是否穩(wěn)定及其風(fēng)險率，從而達到確定其穩(wěn)定性及評價其潰堤風(fēng)險大小的目的。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種堤壩滲透穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險的測定方法，包括如下步驟：

步驟一：堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學(xué)參數(shù)的確定；

步驟二：堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定；

步驟三：堤壩發(fā)生破壞時其臨界水力梯度的確定；

步驟四：堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度的確定；

步驟五：堤壩滲透穩(wěn)定性評價及潰壩風(fēng)險預(yù)警；

步驟六：堤壩滲透穩(wěn)定性臨界水頭高度的確定。

步驟一所述的堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學(xué)參數(shù)的確定方法為：

測定堤壩的高度H、水位高度H₀、壩頂寬度D_a、壩底寬度D_b，壩兩側(cè)坡度系數(shù)m₁、m₂，繪出堤壩橫向剖面圖；通過鉆孔取樣得到堤壩土體試樣，運用土工室內(nèi)試驗測定堤壩土體試樣土粒相對密度d_s、土的孔隙率n、顆粒粒度組成以及粒徑累計曲線。

步驟二所述的堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定方法為：

1)假設(shè)堤壩的壩坡入滲為均勻面狀入滲，其入滲點取壩坡入滲實際水頭高度的一半，則其出滲點位于入滲點高程以下的下游壩坡位置上，由滲流入滲流徑幾何關(guān)系確定任一滲流流徑長度L與滲透水力梯度i：

式中：h'為流徑水位差；

2)將式(2)對h'求導(dǎo)，得時，滲透水力梯度i最大，將代入式(1)(2)得最短流徑長度L_min與最大滲透水力梯度i_max：

步驟三所述的堤壩發(fā)生破壞時其臨界水力梯度的確定方法為：

1)堤壩發(fā)生流土?xí)r臨界水力梯度的確定

當滲流力γ_wi等于土的浮重度γ'時，土產(chǎn)生流土的臨界狀態(tài)，即：

式中：i_cr1為堤壩發(fā)生流土?xí)r的臨界水力梯度；

2)堤壩發(fā)生管涌時臨界水力梯度的確定

式中：i_cr2為堤壩發(fā)生管涌時的臨界水力梯度；

d₅、d₂₀分別為小于該粒徑的含量占總土重的5％和20％的顆粒粒徑，其值根據(jù)室內(nèi)試驗得到的粒徑累計曲線確定；

根據(jù)i_cr1、i_cr2取兩者最大值作為堤壩發(fā)生滲透破壞的臨界水力梯度i_cr。

步驟四所述的堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度的確定方法為：

堤壩的最大滲透水力梯度i_max達到臨界水力梯度i_cr時，堤壩發(fā)生滲透破壞，即堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度D_cr為：

步驟五所述的堤壩滲透穩(wěn)定性評價及潰壩風(fēng)險預(yù)警方法為：

堤壩實際平均寬度D為：

1)堤壩滲透穩(wěn)定性評價

將堤壩實際平均寬度D與臨界滲透穩(wěn)定平均寬度D_cr進行對比，若D＞D_cr，則判定堤壩穩(wěn)定，若D≤D_cr，則判定堤壩不穩(wěn)定；

2)堤壩風(fēng)險率的確定及風(fēng)險等級的劃分

當判定堤壩不穩(wěn)定時，其風(fēng)險率R為：

當R≤30％時，判定堤壩風(fēng)險等級為??；當30％＜R≤60％時，判定堤壩風(fēng)險等級為中；當R＞60％時，判定堤壩風(fēng)險等級為大；根據(jù)上述風(fēng)險率R的范圍對堤壩進行不同等級的風(fēng)險預(yù)警。

步驟六所述的堤壩滲透穩(wěn)定性臨界水頭高度的確定方法為：

在堤壩實際平均寬度D的前提下，當壩體內(nèi)最大滲透水力梯度i_max達到滲透破壞臨界水力梯度i_cr時所對應(yīng)的水頭高度為堤壩滲透穩(wěn)定性臨界水頭高度H'₀：

本發(fā)明步驟二的理論依據(jù)與基本原理如下：

由于堤壩滲流場極為復(fù)雜，其入滲點與出滲點不易確定，因此假設(shè)堤壩的壩坡入滲為均勻面狀入滲，其入滲點取壩坡入滲實際水頭高度的一半，則其出滲點位于入滲點高程以下的下游壩坡位置上，其壩體可能滲流入滲流徑如圖5。因此設(shè)入滲點為壩體上游壩坡水位接觸點與坡腳的中點(記為點A)，過點A作AB∥DC交下游壩坡于點B，并作AH⊥DC，垂足為點H。

由滲流關(guān)系知，出滲點應(yīng)在下游壩坡BC之間。為了計算各條流徑長度，將滲透路徑看作為直線，因此假設(shè)BC之間有一動點M，過動點M作動直線NM⊥AH，垂足為點N。過點B作輔助線BP⊥NM，垂足為點P。

設(shè)流徑水位差為h'，BP＝AN＝h'，在△BMP中，則PM＝h'm₂。又故在△ANM中，

由圖中Da、Dc的關(guān)系得：

D_c＝(m₁+m₂)(H-H₀)+D_a

令

則其流徑長度L與滲透水力梯度i為：

本發(fā)明步驟三的理論依據(jù)與基本原理如下：

堤壩滲透破壞發(fā)生的主要原因是由于滲流力的作用，使堤壩內(nèi)土體顆粒流失或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致堤壩變形甚至失穩(wěn)，主要表現(xiàn)的滲透破壞變形為流土和管涌兩種形式。

1)土體在向上的滲流力作用下克服了向下的重力，土體就要發(fā)生浮起或受到破壞，這種在向上滲流力作用下，粒間有效應(yīng)力為0時，顆粒群發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流土現(xiàn)象。根據(jù)流土發(fā)生的條件，使土體開始發(fā)生流土現(xiàn)象時的水力梯度稱為臨界水力梯度i_cr1，顯然，滲流力γ_wi等于土的浮重度γ'時，土產(chǎn)生流土的臨界狀態(tài)，即：

上式表明，臨界水力梯度i_cr1與土性密切相關(guān)，研究表明，土的不均勻系數(shù)愈大，i_cr1愈小，土中細顆粒含量高，i_cr1值增大；土的滲透系數(shù)愈大，i_cr1愈低。

2)在水流滲透作用下，堤壩中細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，以至流失；隨著土的孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷，這種現(xiàn)象稱為管涌。

管涌發(fā)生的水力條件為滲流力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動是發(fā)生管涌的水力條件，可用管涌的水力梯度表示，管涌的臨界水力梯度計算依據(jù)《水利水電地質(zhì)工程勘察規(guī)范》(GB50487-2008)確定：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)異的技術(shù)效果：

本發(fā)明針對水對堤壩的滲透作用機理與特點，根據(jù)堤壩實際滲透路徑與發(fā)生滲透破壞時臨界滲透路徑的關(guān)系判定堤壩是否穩(wěn)定，并以此建立和確定了一種堤壩滲透穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險的測定方法。該方法可以在某種程度上克服傳統(tǒng)預(yù)測評價方法存在的不足和局限性，在堤壩穩(wěn)定性與風(fēng)險評價領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明涉及的方法流程示意圖；

圖2為堤壩橫向剖面圖；

圖3為堤壩粒徑累計曲線圖；

圖4為堤壩流網(wǎng)圖；

圖5為堤壩滲流入流流徑幾何關(guān)系圖；

圖6為實施例堤壩橫向剖面圖。

具體實施方式

本發(fā)明所研究堤壩位于長江支流下游，其實際情況及周圍環(huán)境已經(jīng)查明，同時堤壩所建初期資料及堤壩整體范圍也已經(jīng)明確，具備此發(fā)明應(yīng)用條件。下面結(jié)合附圖和具體實施方式，以此堤壩為例進行詳細說明。具體實施方案與過程如下：

步驟一：堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學(xué)參數(shù)的確定

依據(jù)《水利水電地質(zhì)工程勘察規(guī)范》(GB50487-2008)，對待測定的堤壩進行系統(tǒng)的勘察及調(diào)查測繪，測定堤壩的高度H為7m、水位高度H₀為5m、壩頂寬度D_a為2.5m、壩底寬度D_b為7.6m，壩兩側(cè)坡度系數(shù)m₁、m₂均為0.364，在勘察測繪的基礎(chǔ)上按一定比例繪出堤壩橫向剖面圖(見圖6)；同時依據(jù)《建筑工程地質(zhì)鉆探技術(shù)標準》(JGJ87-92)以及《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)，通過鉆孔取樣得到堤壩土體試樣，鉆孔完及時用水泥漿將孔澆灌，以防鉆孔對壩體產(chǎn)生損傷從而影響堤壩穩(wěn)定性，運用土工室內(nèi)試驗測定堤壩土體試樣土粒相對密度d_s為1.71、土的孔隙率n為0.48、顆粒粒度組成以及粒徑累計曲線(見圖3)。

步驟二：堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定

1)由于堤壩滲流場極為復(fù)雜，其入滲點與出滲點不易確定，因此假設(shè)堤壩的壩坡入滲為均勻面狀入滲，其入滲點取壩坡入滲實際水頭高度的一半，則其出滲點位于入滲點高程以下的下游壩坡位置上，其壩體可能滲流入滲流徑如圖5。由滲流入滲流徑幾何關(guān)系可確定任一滲流流徑長度L與滲透水力梯度i：

式中：h'為流徑水位差；

2)將式(2)對h'求導(dǎo)，可得時，滲透水力梯度i最大，將代入式(1)(2)可得最短流徑長度L_min與最大滲透水力梯度i_max：

步驟三：堤壩發(fā)生破壞時其臨界水力梯度的確定

當?shù)虊蔚闹滩牧鲜芩淖饔闷渌μ荻冗_到一定值時，就易發(fā)生流土和管涌滲透破壞，因此分別確定堤壩發(fā)生流土和管涌滲透破壞時的臨界水力梯度；

1)堤壩發(fā)生流土?xí)r臨界水力梯度的確定

當滲流力γ_wi等于土的浮重度γ'時，土產(chǎn)生流土的臨界狀態(tài)，因此：

式中：i_cr1為堤壩發(fā)生流土?xí)r的臨界水力梯度；

2)堤壩發(fā)生管涌時臨界水力梯度的確定

式中：i_cr2為堤壩發(fā)生管涌時的臨界水力梯度；

d₅、d₂₀分別為小于該粒徑的含量占總土重的5％和20％的顆粒粒徑(mm)；

根據(jù)i_cr1、i_cr2取兩者最大值作為堤壩發(fā)生滲透破壞的臨界水力梯度i_cr＝0.369。

步驟四：堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度的確定

堤壩的最大滲透水力梯度i_max達到臨界水力梯度i_cr時，堤壩將發(fā)生滲透破壞，因此，堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度D_cr為：

步驟五：堤壩滲透穩(wěn)定性評價及潰壩風(fēng)險預(yù)警

1)堤壩滲透穩(wěn)定性評價

將堤壩實際平均寬度D與臨界滲透穩(wěn)定平均寬度D_cr進行對比，發(fā)現(xiàn)＜D_cr＝5.19m，判定在當前水位下堤壩不穩(wěn)定。

2)堤壩風(fēng)險率的確定及風(fēng)險等級的劃分

因R≤30％時，判定堤壩風(fēng)險等級為小。

步驟六：堤壩滲透穩(wěn)定性臨界水頭高度的確定

在堤壩實際平均寬度D的前提下，當壩體內(nèi)最大滲透水力梯度i_max達到滲透破壞臨界水力梯度i_cr時所對應(yīng)的水頭高度為堤壩滲透穩(wěn)定性臨界水頭高度H'₀：