本發(fā)明涉及水利工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)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(xiǎn)的測(cè)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(guó)防洪工程體系的重要組成部分。我國(guó)現(xiàn)有堤防27萬(wàn)多公里，保護(hù)耕地3220萬(wàn)頃，保護(hù)人口3.22億。然而當(dāng)前許多堤壩由于長(zhǎng)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(dòng)，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(lái)洪災(zāi)發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度都有不斷加大的趨勢(shì)，堤壩風(fēng)險(xiǎn)已成為制約我國(guó)水利工程安全與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。因此有必要對(duì)堤壩穩(wěn)定性及其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)估，從而為堤壩穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供可靠的技術(shù)支持。

目前國(guó)內(nèi)外常用的堤壩穩(wěn)定性與潰堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要有如下幾種：(1)工程地質(zhì)類(lèi)比法。該方法主要是將待評(píng)價(jià)目標(biāo)堤壩與類(lèi)似的歷史潰壩案例進(jìn)行對(duì)比來(lái)預(yù)估目標(biāo)堤壩的穩(wěn)定性及其風(fēng)險(xiǎn)，包括其潛在失事模式與風(fēng)險(xiǎn)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(dāng))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(gè)堤壩，由于沒(méi)有考慮堤壩的實(shí)際運(yùn)行情況，因此不能單獨(dú)用來(lái)預(yù)估目標(biāo)堤壩的風(fēng)險(xiǎn)；(2)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法。該方法是在堤壩風(fēng)險(xiǎn)初步分析中采用事件樹(shù)法時(shí)應(yīng)用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)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(guò)程，對(duì)構(gòu)成堤壩潰決的各要素進(jìn)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(yàn)的專(zhuān)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(guò)于依賴于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，如果專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，則可能影響到所賦概率的正確性和準(zhǔn)確性；(3)綜合分析評(píng)價(jià)法。該類(lèi)方法主要通過(guò)有針對(duì)性的評(píng)價(jià)方法對(duì)堤壩安全的多層次、多目標(biāo)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做出綜合評(píng)價(jià)，可細(xì)分為動(dòng)力系統(tǒng)方法，以及運(yùn)用投影尋蹤、集對(duì)分析、物元可拓分析、粗集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評(píng)價(jià)等一批新的方法。然而該方法評(píng)價(jià)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(guò)一些計(jì)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(píng)價(jià)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(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述傳統(tǒng)堤壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)測(cè)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(xiǎn)的測(cè)定方法，通過(guò)對(duì)堤壩系統(tǒng)的勘測(cè)及室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定其橫向剖面圖及基本物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而確定其最短流徑長(zhǎng)度及最大滲透水力梯度，并求出堤壩發(fā)生滲透破壞時(shí)的臨界水力梯度對(duì)應(yīng)的堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度，通過(guò)將堤壩臨界滲透穩(wěn)定平均寬度與實(shí)際平均寬度進(jìn)行比較，判斷其是否穩(wěn)定及其風(fēng)險(xiǎn)率，從而達(dá)到確定其穩(wěn)定性及評(píng)價(jià)其潰堤風(fēng)險(xiǎn)大小的目的。

為實(shí)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(xiǎn)的測(cè)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(zhǎng)度及最大滲透水力梯度的確定；

步驟三：堤壩發(fā)生破壞時(shí)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(píng)價(jià)及潰壩風(fēng)險(xiǎn)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(cè)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(guò)鉆孔取樣得到堤壩土體試樣，運(yùn)用土工室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定堤壩土體試樣土粒相對(duì)密度d_s、土的孔隙率n、顆粒粒度組成以及粒徑累計(jì)曲線。

步驟二所述的堤壩滲流最短流徑長(zhǎng)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(diǎn)取壩坡入滲實(shí)際水頭高度的一半，則其出滲點(diǎn)位于入滲點(diǎn)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(zhǎng)度L與滲透水力梯度i：

式中：h'為流徑水位差；

2)將式(2)對(duì)h'求導(dǎo)，得時(shí)，滲透水力梯度i最大，將代入式(1)(2)得最短流徑長(zhǎng)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(shí)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(dāng)滲流力γ_wi等于土的浮重度γ'時(shí)，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(shí)臨界水力梯度的確定

式中：i_cr2為堤壩發(fā)生管涌時(shí)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(yàn)得到的粒徑累計(jì)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(dá)到臨界水力梯度i_cr時(shí)，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(píng)價(jià)及潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法為：

堤壩實(shí)際平均寬度D為：

1)堤壩滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

將堤壩實(shí)際平均寬度D與臨界滲透穩(wěn)定平均寬度D_cr進(jìn)行對(duì)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(xiǎn)率的確定及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分

當(dāng)判定堤壩不穩(wěn)定時(shí)，其風(fēng)險(xiǎn)率R為：

當(dāng)R≤30％時(shí)，判定堤壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為??；當(dāng)30％＜R≤60％時(shí)，判定堤壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中；當(dāng)R＞60％時(shí)，判定堤壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為大；根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)率R的范圍對(duì)堤壩進(jìn)行不同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)際平均寬度D的前提下，當(dāng)壩體內(nèi)最大滲透水力梯度i_max達(dá)到滲透破壞臨界水力梯度i_cr時(shí)所對(duì)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(chǎng)極為復(fù)雜，其入滲點(diǎn)與出滲點(diǎn)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(diǎn)取壩坡入滲實(shí)際水頭高度的一半，則其出滲點(diǎn)位于入滲點(diǎn)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(diǎn)為壩體上游壩坡水位接觸點(diǎn)與坡腳的中點(diǎn)(記為點(diǎn)A)，過(guò)點(diǎn)A作AB∥DC交下游壩坡于點(diǎn)B，并作AH⊥DC，垂足為點(diǎn)H。

由滲流關(guān)系知，出滲點(diǎn)應(yīng)在下游壩坡BC之間。為了計(jì)算各條流徑長(zhǎng)度，將滲透路徑看作為直線，因此假設(shè)BC之間有一動(dòng)點(diǎn)M，過(guò)動(dòng)點(diǎn)M作動(dòng)直線NM⊥AH，垂足為點(diǎn)N。過(guò)點(diǎn)B作輔助線BP⊥NM，垂足為點(diǎn)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(zhǎng)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(dòng)，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?jī)煞N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(shí)，顆粒群發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為流土現(xiàn)象。根據(jù)流土發(fā)生的條件，使土體開(kāi)始發(fā)生流土現(xiàn)象時(shí)的水力梯度稱(chēng)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(shí)，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(xì)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(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)，以至流失；隨著土的孔隙不斷擴(kuò)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(chēng)為管涌。

管涌發(fā)生的水力條件為滲流力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙間滾動(dòng)或移動(dòng)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(jì)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(duì)水對(duì)堤壩的滲透作用機(jī)理與特點(diǎn)，根據(jù)堤壩實(shí)際滲透路徑與發(fā)生滲透破壞時(shí)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(xiǎn)的測(cè)定方法。該方法可以在某種程度上克服傳統(tǒng)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法存在的不足和局限性，在堤壩穩(wěn)定性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)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(jì)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(shí)施例堤壩橫向剖面圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所研究堤壩位于長(zhǎng)江支流下游，其實(shí)際情況及周?chē)h(huán)境已經(jīng)查明，同時(shí)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(shí)施方式，以此堤壩為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。具體實(shí)施方案與過(guò)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(duì)待測(cè)定的堤壩進(jìn)行系統(tǒng)的勘察及調(diào)查測(cè)繪，測(cè)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(cè)繪的基礎(chǔ)上按一定比例繪出堤壩橫向剖面圖(見(jiàn)圖6)；同時(shí)依據(jù)《建筑工程地質(zhì)鉆探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ87-92)以及《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)，通過(guò)鉆孔取樣得到堤壩土體試樣，鉆孔完及時(shí)用水泥漿將孔澆灌，以防鉆孔對(duì)壩體產(chǎn)生損傷從而影響堤壩穩(wěn)定性，運(yùn)用土工室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定堤壩土體試樣土粒相對(duì)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(jì)曲線(見(jiàn)圖3)。

步驟二：堤壩滲流最短流徑長(zhǎng)度及最大滲透水力梯度的確定

1)由于堤壩滲流場(chǎng)極為復(fù)雜，其入滲點(diǎn)與出滲點(diǎn)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(diǎn)取壩坡入滲實(shí)際水頭高度的一半，則其出滲點(diǎn)位于入滲點(diǎn)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(zhǎng)度L與滲透水力梯度i：

式中：h'為流徑水位差；

2)將式(2)對(duì)h'求導(dǎo)，可得時(shí)，滲透水力梯度i最大，將代入式(1)(2)可得最短流徑長(zhǎng)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(shí)其臨界水力梯度的確定

當(dāng)?shù)虊蔚闹滩牧鲜芩淖饔闷渌μ荻冗_(dá)到一定值時(shí)，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(shí)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(dāng)滲流力γ_wi等于土的浮重度γ'時(shí)，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(shí)臨界水力梯度的確定

式中：i_cr2為堤壩發(fā)生管涌時(shí)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(dá)到臨界水力梯度i_cr時(shí)，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(píng)價(jià)及潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

1)堤壩滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

將堤壩實(shí)際平均寬度D與臨界滲透穩(wěn)定平均寬度D_cr進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)＜D_cr＝5.19m，判定在當(dāng)前水位下堤壩不穩(wěn)定。

2)堤壩風(fēng)險(xiǎn)率的確定及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分

因R≤30％時(shí)，判定堤壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)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(shí)際平均寬度D的前提下，當(dāng)壩體內(nèi)最大滲透水力梯度i_max達(dá)到滲透破壞臨界水力梯度i_cr時(shí)所對(duì)應(yīng)的水頭高度為堤壩滲透穩(wěn)定性臨界水頭高度H'₀：