【正文】 常需要借助滲流計(jì)算來(lái)比較確定。通過(guò)滲流計(jì)算我們可以確定滲流的動(dòng)水壓力和水力坡降及壩體的滲流量，從而我們可以來(lái)分析壩坡的整體穩(wěn)定性和局部滲流情況下土壩的安全性。研究方式主要分兩大類(lèi)：實(shí)驗(yàn)分析方法和理論分析方法。在上下游水頭差的作用下，水流穿過(guò)壩體材料的孔隙滲向土石壩的下游逸出口。而滲流對(duì)土石壩安全的影響取決于壩體的填筑材料質(zhì)量和壩基透水層的處理措施，當(dāng)壩體施工質(zhì)量高且壩體材料壓實(shí)均勻且壩基防滲效果良好時(shí)，土石壩對(duì)滲流壓力從上游至下游的逐級(jí)傳遞效果就好，從而可以確保土石壩的安全運(yùn)行。其中管涌是指在滲流作用下上石壩的壩體和壩基中部分細(xì)顆粒被滲流水帶走的現(xiàn)象。管涌對(duì)土石壩的破壞主要是促使土石壩內(nèi)部滲流通道的形成，極大地降低了土石壩的防滲性能，提高了土石壩滲流事故發(fā)生的概率，是影響土石壩安全的重要因素。實(shí)例一：黑龍江省拉林河上的龍鳳山水庫(kù)于1960年8月9同下游坡腳處發(fā)生冒水翻砂現(xiàn)象，這是由于內(nèi)部滲流通道形成導(dǎo)致管涌事故的發(fā)生，經(jīng)過(guò)在上下游拋填沙礫石料后降低了滲流破壞的影響，確保了水庫(kù)的安全運(yùn)行。經(jīng)分析得知是由于垂直向下的滲流出口形成了垂直向上的管涌破壞，而集水井是導(dǎo)致管涌破壞的關(guān)鍵因素，主要是由于集水井底的砂卵石地基溜走了管涌后的斜墻粘土而造成了壩頂塌坑。并且滲流破壞的發(fā)生都是由小范圍較迅速發(fā)展至大范圍，可以導(dǎo)致壩體沉降、壩坡塌陷或形成集中的滲流通道等危及土石壩安全的嚴(yán)重滲流破壞的發(fā)生。 問(wèn)題的提出由于水庫(kù)防滲加固工程的復(fù)雜性和隱蔽性，施工質(zhì)量難以直接觀察；檢查防滲效果不僅涉及到施工質(zhì)量，還涉及到設(shè)計(jì)方案，因此防滲加固質(zhì)量控制方法和效果檢查方法，顯的尤為重要。因此，為了保證防滲加固的效果，需要一套行之有效的工程質(zhì)量保證措施。治理效果檢查是病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固的基礎(chǔ)，病險(xiǎn)水庫(kù)的治理效果檢查方法既要簡(jiǎn)單易行，又要能較全面客觀的反映加固治理前后病險(xiǎn)水庫(kù)安全性、社會(huì)性和經(jīng)濟(jì)性的變化。 本文所做的主要工作從土石壩的防滲加固工程入手，可以看出滲流滲流問(wèn)題對(duì)于土石壩的安全運(yùn)行有重要的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程施工，提出了針對(duì)施工全過(guò)程的質(zhì)量控制措施。提出事前，事中，事后全過(guò)程工程質(zhì)量控制方法，保證工程質(zhì)量，為以后的除險(xiǎn)加固工程提供指導(dǎo)。2 滲流分析基本原理 土石壩中滲流計(jì)算的任務(wù)、內(nèi)容及方法 滲流的基本概念地下水在孔隙、裂隙和溶洞中的流動(dòng)稱(chēng)為滲流。根據(jù)滲流所處的滲流場(chǎng)的不同，可將滲流分為飽和滲流和非飽和滲流。在非飽和帶中介質(zhì)的孔隙中既有液相的水，也有水汽和其他氣體，水的壓力小于大氣壓力。水壓力等于大氣壓力的界面稱(chēng)為自由面，是飽和帶和非飽和帶的分界面。 在飽和帶中的滲流稱(chēng)為飽和滲流，在非飽和帶中的滲流稱(chēng)為非飽和滲流。當(dāng)滲流的任一或全部基本表征量隨時(shí)問(wèn)而變化，則稱(chēng)此滲流為非穩(wěn)定滲流。由于地下水位總是在不斷變化著，所以在多數(shù)情況下遇到的都是非穩(wěn)定流。穩(wěn)定滲流具有計(jì)算量小、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)⑺. 土石壩中滲流計(jì)算的任務(wù)滲流分析的主要任務(wù)是確定給定滲流場(chǎng)的水頭、流速分布和滲流量等基本物理量，并據(jù)此通過(guò)有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)工程安全性和經(jīng)濟(jì)效益作出評(píng)價(jià)，選擇合理的滲流控制措施⑹。在水利工程中易發(fā)生滲流問(wèn)題的部位主要有：壩體，壩基，庫(kù)岸。壩基滲流破壞一般與地基處理(巖基或土基處理)的質(zhì)量有關(guān)，不均勻沉陷、軟弱夾層、滑動(dòng)、超壓、滲漏、管涌、液化等，都是大壩基礎(chǔ)內(nèi)部發(fā)生事故的主要因素。水庫(kù)漏水的主要途徑是庫(kù)底或庫(kù)邊隱蔽的地下通道、斷層帶、裂隙組、溶溝、溶洞。流流分析是土石壩設(shè)計(jì)的重要組成部分。 滲流的運(yùn)動(dòng)方程地下水運(yùn)動(dòng)方程可由作用到液體上各力的平衡求得，這些力是：1)液體表面的水壓力，2)重力，3)滲流受到的阻力，4))加速力。因?yàn)橥茖?dǎo)過(guò)程和一般流體力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)方程相同，所以可直接引用一般流體運(yùn)動(dòng)方程，只要把水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度當(dāng)作多孔介質(zhì)中孔隙水流運(yùn)動(dòng)速度，再按照孔隙水流真實(shí)速度v′與全斷面上平均滲流速度v的關(guān)系（V＇=V/n）把V＇轉(zhuǎn)換為v即可。對(duì)于不可壓縮流體，維納一司托克斯方程為： 或?qū)懗上蛄渴?以符號(hào)下面橫線代表向量)： 上式的物理意義為質(zhì)量力、流體壓力、流動(dòng)阻力與加速度的平衡關(guān)系；也是描述能量守恒的運(yùn)動(dòng)方程。對(duì)于多孔介質(zhì)中的滲流，可把上式中的水質(zhì)點(diǎn)真實(shí)流速v，改換成全斷面平均流速v除以孔隙率n得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程 因?yàn)関=v(x，Y，z，t)，將其求導(dǎo)展開(kāi) 滲流速度及其在各坐標(biāo)方向的層數(shù)很小，可以略去，則得 上式中的單位質(zhì)量的體積力f，只有一個(gè)沿z方向向下的重力f=Pg，且因h=p/r+z,gradppg=pg gradh, 單位質(zhì)量p=1時(shí)，上式變?yōu)? 式（26）中的最后一項(xiàng)在流體力學(xué)中相當(dāng)于牛頓粘滯液體的內(nèi)部 摩擦力；而在滲流中則應(yīng)為液體對(duì)土顆粒表面的摩擦力，液體質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦力相對(duì)很小，可以忽略。如果是不隨時(shí)間改變的穩(wěn)流滲流，上式就簡(jiǎn)化為重力和陰力控制的達(dá)西流動(dòng)，即： 滲流的連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在滲流中的具體應(yīng)用，是滲流理論的基礎(chǔ)，它表明，流體在滲透介質(zhì)中的流動(dòng)過(guò)程中，其質(zhì)量既不能增加也不能減少。設(shè)六面體的各邊長(zhǎng)度為△x、△y、△z，并且和坐標(biāo)軸平行。 圖21 微元體示意圖取平行與坐標(biāo)平面的兩個(gè)面abcd和a＇b＇c＇d＇其面積為△y△z。而從六面體右邊界a＇b＇c＇d＇流出的液體質(zhì)量為 所以沿X軸方向流入六面體的液體質(zhì)量質(zhì)量差為 同理，可以寫(xiě)出沿y軸方向和z軸方向流入六面體和流出六面體的液體質(zhì)量差方別為和 因此，在△t時(shí)間內(nèi)，流入和流出平行六面體的總的質(zhì)量為 在平行六面體內(nèi)，液體所占體積為sn△x△y△z，其中n為孔隙度，s為飽和度，對(duì)于飽和土，有s=，平行六面體內(nèi)的液體質(zhì)量為psn△x△y△z。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，兩者在數(shù)值上應(yīng)該相等。通常假定滲流水為不可壓縮的均質(zhì)液體，其密度=常數(shù)，滲流過(guò)程不考慮土體積的壓縮則上式可轉(zhuǎn)化為 穩(wěn)定滲流控制方程在穩(wěn)定滲流條件下，同一時(shí)間內(nèi)流入的水量和流出的水量是相等的，故穩(wěn)定滲流條件滲流的連續(xù)性方程為 根據(jù)達(dá)西定律，X、Y、Z方向的滲流流速可分別表示為：將式(2—19)代入式(220)，有： 即為穩(wěn)定滲流問(wèn)題的控制方程。稱(chēng)為拉普拉斯方程(Laplace)。非飽和土中孔隙水壓力為負(fù)值，其飽和度小于l。在非飽和土的水一氣分界面中存在著表面張力。表面張力使收縮膜具有彈性薄膜的性狀。如在可伸縮的二維薄膜的兩面施加不同的壓力，則薄膜將呈朝向壓力較大一面的凹狀彎曲并在膜內(nèi)產(chǎn)生張力，以維持平衡。非飽和區(qū)域中的滲流分析需要確定非飽和土的滲透系數(shù)。在非飽和土中，滲透系數(shù)同時(shí)受到土的孔隙比和飽和度(或含水量)變化的劇烈影響。因而常將滲透系數(shù)表達(dá)為飽和度S或體積含水量的單一函數(shù)。因此飽和度常被表述為基質(zhì)吸力的函數(shù)。由基質(zhì)吸力與飽和度關(guān)系曲線或土水特征曲線，都可以導(dǎo)出許多滲透系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式。間接方法可分為兩種，通過(guò)土水特征曲線(或基質(zhì)吸力與飽和度關(guān)系曲線)來(lái)預(yù)測(cè)滲透系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式方法24。Gardner(1 958)模型： 上式中，a、b、n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，h可由下式確定： Van Genuchten模型： 飽和土中水的流動(dòng)滿足達(dá)西定律，達(dá)西定律建立了水的流速與水力梯度之間的聯(lián)系。唯一的區(qū)別在于：滲透系數(shù)對(duì)于特定的飽和土來(lái)說(shuō)，它接近于常數(shù)，對(duì)于非飽和土而言，滲透系數(shù)不再是一個(gè)常量，而是隨著體積含水量或基質(zhì)吸力的變化而改變。對(duì)于非飽和土中的非穩(wěn)態(tài)滲流，非均質(zhì)各向異性的非飽和土的滲透系數(shù)Kwx和Kwy與基質(zhì)吸力有關(guān)，并服從同一滲透函數(shù)Kw(UaUw)。利用達(dá)西定律和二維穩(wěn)態(tài)流的連續(xù)性條件，可得到非均質(zhì)、各向異性土石壩的滲流控制微分方程： 而對(duì)于非均質(zhì)、各向同性的情況，X以及Y方向的滲透系數(shù)是相等的。通過(guò)飽和土的水流可視為通過(guò)非飽和土水流的一個(gè)特例。2．第一流動(dòng)過(guò)程都是在限定的空間流場(chǎng)內(nèi)發(fā)生，沿這些流場(chǎng)邊界起支配作用的條件，稱(chēng)之為邊界條件。邊界條件和初始條件統(tǒng)稱(chēng)為定解條件。進(jìn)行穩(wěn)定滲流分析所需的基本條件[1 9]：◆在整個(gè)滲流區(qū)域內(nèi)進(jìn)行有限單元離散化；◆確定材料的滲透系數(shù)函數(shù)(包括負(fù)孔壓區(qū)的K一函數(shù))、◆確定邊界條件(包括水頭邊界和流量邊界)。2．2．6邊界條件邊界條件，原則上可分為流場(chǎng)的幾何邊界形狀位置與邊界上起支配作用的條件?？紤]到與時(shí)間t有關(guān)系的非穩(wěn)定滲流邊界，必須在整個(gè)過(guò)程中表明邊界條件的不斷變化，故此已知邊界條件可寫(xiě)為 第二類(lèi)邊界條件為在邊界上給出位勢(shì)函數(shù)或水頭的法向?qū)?shù)，或稱(chēng)流量邊界條件。在解題時(shí)需以迭代法去滿足邊界水頭h和的己知關(guān)系。由于有限元方法對(duì)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理問(wèn)題有著廣泛的適應(yīng)性，而且特別適合在計(jì)算機(jī)上使用，因此發(fā)展十分迅速，在力學(xué)、物理以及工程實(shí)際的許多領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。W．D．Lian Fian、R．LTaylor和C．B．Brown(1 967)等研究了具有自由面的土壩穩(wěn)定滲流問(wèn)題。Oden對(duì)均質(zhì)矩形壩自由邊界問(wèn)題采用變分不等式數(shù)值求解。滲流分析中有限元方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分法或加權(quán)余量法，由此導(dǎo)出的變分表達(dá)式或加權(quán)余量表達(dá)積分式是有限元方法求解的出發(fā)點(diǎn)。也就是將流場(chǎng)的求解區(qū)域剖分成有限個(gè)互不重疊的子區(qū)域，這些子區(qū)域成為“單元”。這些線性組合表達(dá)式中的待定系數(shù)正是近似解在結(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值(或?qū)?shù)值)，它可以通過(guò)總體有限元方程的求解加以確定，從而獲得近似解⑻有限元方法的實(shí)施雖然也類(lèi)似于有限差分法，但其實(shí)施方法不同。有限元法的實(shí)施則相反，按照變分原理求泛函積分找其函數(shù)值，即把微分方程及其邊界條件轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)泛函求極值的問(wèn)題。再以連續(xù)的分片插值函數(shù)建立一個(gè)個(gè)的單元方程后，依靠各結(jié)點(diǎn)把單元與單元連接起來(lái)，集合為整體，形成代數(shù)方程組進(jìn)行求