土石壩滲流量監(jiān)測及計(jì)算的流場分析法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土石壩滲流量監(jiān)測和計(jì)算方法，具體為流場分析法，屬于大壩安全監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在水電站工程中，建設(shè)在深厚透水層地基上的土石壩越來越多，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，土石壩的滲流量是大壩原型監(jiān)測的必測項(xiàng)目，對于評價(jià)大壩的安全性至關(guān)重要。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，大部分大壩的地基都具有良好的防滲性或進(jìn)行過專門的防滲處理，滲流水大部分大多分布在壩體底部或地基淺層這些承受水頭高且防滲性能相對薄弱的局部地帶，因此，傳統(tǒng)的滲流量監(jiān)測方法是:在滲流路徑中選擇合適的位置，如基礎(chǔ)廊道或壩后處采取截流措施，將滲流水引至某個(gè)集中點(diǎn)匯聚，然后采用容積法或量水堰法直接測得匯聚后的滲流水流量，具體的測量工具或儀器設(shè)備有量筒和秒表、容積式流量儀、量水堰堰板和量水堰儀等。但是，當(dāng)大壩建在深厚透水層上，地基防滲處理功效有限時(shí)，滲流水往往在壩基底層一定深度以下形成潛水層，這樣一來，地表部位沒有水，無法通過傳統(tǒng)的截流和集水方法監(jiān)測滲流量，鑒于此，有必要建立一種不同于以往的滲流量監(jiān)測和計(jì)算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于建立一種土石壩滲流量監(jiān)測和計(jì)算的新方法，適用于深厚透水層上大壩的潛水層滲流場情況。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明的土石壩滲流量監(jiān)測及計(jì)算的流場分析法，首先測量滲流場中的地下水位分布情況，然后對地下水位進(jìn)行二維流場分析計(jì)算，從而獲得流場的總滲流量。
[0007]前述的地下水位分布情況由測壓管測得，測壓管的布點(diǎn)方式為矩形點(diǎn)陣。
[0008]優(yōu)選地，測壓管的布點(diǎn)原則為:①、順主要的水流方向布設(shè)不少于三排測點(diǎn)，排間距設(shè)計(jì)合理，保證相鄰兩排之間能夠形成水力坡降；?、每排寬度的確定以能夠基本覆蓋過流斷面為原則，應(yīng)在左右兩岸壩基開挖輪廓線處布置測點(diǎn)，以便能反映繞壩滲流的影響；③、每排內(nèi)點(diǎn)間距的確定以相鄰兩點(diǎn)間的水力坡降合理為原則、矩形點(diǎn)陣布置在壩基下游側(cè)。
[0009]更優(yōu)選地，矩形點(diǎn)陣布置在接近壩趾部位，因?yàn)榇颂庉^為接近層流態(tài)，能夠確保更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
[0010]具體來說，對地下水位進(jìn)行二維流場分析計(jì)算的具體步驟如下:
[0011](I)、根據(jù)各測壓管測得的地下水位，得到地下透水層內(nèi)的滲流場，即兩組互相正交的曲線:等水位線和流線；
[0012](2)、取兩根相鄰的等水位線，將它們中間的區(qū)域劃分成若干小矩形，計(jì)算滲流水在小矩形區(qū)域內(nèi)沿流線方向的水力坡降:矩形區(qū)域的一對等水位線上水位分別為1%和his，沿流線方向的邊長為Lis，則通過該矩形區(qū)域的水力坡降為J = (ha -hffi)/L^ ;
[0013](3)、根據(jù)達(dá)西定律，滲流流速V與水力坡降J呈正比，比例系數(shù)k為滲透介質(zhì)材料的固有特性，據(jù)此計(jì)算流速:V = k.J ;
[0014](4)、根據(jù)測壓管鉆孔時(shí)獲知的矩形區(qū)域處透水層的深度H，結(jié)合等水位線的邊長L7jc，求得過流斷面面積:A = H.L水；
[0015](5)、流場中通過矩形區(qū)域范圍的流量為:Q = A.V ;
[0016](6)、重復(fù)以上步驟(I)?(5)，將相鄰的兩個(gè)等水位線之間所有小矩形的流量疊加之后即可獲得總流量。
[0017]更進(jìn)一步地，本發(fā)明的方法還包括步驟(7):等水位線有η根，則重復(fù)上述步驟
(I)?(6)即可計(jì)算出η-l個(gè)結(jié)果，最終流量監(jiān)測和計(jì)算結(jié)果取η-l個(gè)結(jié)果的平均值，從而減少計(jì)算誤差。
[0018]再進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括一可視化的電子計(jì)算機(jī)，在獲得所需總滲流量的同時(shí)，還可以在計(jì)算機(jī)屏幕上模擬地表以下的滲流場，直觀展現(xiàn)整個(gè)流場中各處的滲流路徑和大小，特別是當(dāng)流量增大時(shí)，易于及時(shí)發(fā)現(xiàn)薄弱地帶，采取針對性措施。
[0019]本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明的土石壩滲流量監(jiān)測和計(jì)算的新方法具體為流場分析法，適用于深厚透水層上大壩的潛水層滲流場情況，包括了監(jiān)測量確定、測點(diǎn)布置、測量手段以及成果計(jì)算方法的完整配套，徹底突破了傳統(tǒng)的截流集水測量方法無法在深厚透水層大壩上應(yīng)用的難題，方法簡單且切實(shí)可行。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的滲流量計(jì)算方法的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0022]名詞解釋:
[0023](I)、測壓管:地下水位觀測設(shè)施。從地表向地層深處鉆孔，在孔中放置并固定可以透水的管子，從而在管內(nèi)形成與管周地下水位持平的水柱，通過管口放下測量裝置測得管內(nèi)水柱液面高程，即可得到對應(yīng)的地下水位。
[0024](2)、潛水:具有自由水面的地下水。
[0025](3)、滲流場:水流通過多孔介質(zhì)流動，在固體中形成的含有流動水的空間范圍。
[0026](4)、等水位線:滲流場中水位相等的點(diǎn)連成的曲線，類似于地形上的等高線。
[0027](5)、流線:滲流場中任意一個(gè)水質(zhì)點(diǎn)通過的點(diǎn)連成的曲線，該曲線上任意一處的切向都是水流流經(jīng)該處的流速方向。流線與等水位線是互相正交的兩組曲線。
[0028](6)、水力坡降:沿水流方向單位長度上的水位差。
[0029]本發(fā)明通過監(jiān)測滲透場范圍內(nèi)的地下水位來計(jì)算土石壩的滲流量，首先需要對地下水位測量進(jìn)行合理布點(diǎn)，具體到本發(fā)明中，地下水位測量的布點(diǎn)方式為矩形點(diǎn)陣，根據(jù)滲流場范圍大小、透水層滲透性能進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則遵循以下四點(diǎn):①順主要的水流方向布設(shè)不少于三排測點(diǎn)，排間距根據(jù)透水層透水性能確定，保證相鄰兩排之間能夠形成適當(dāng)?shù)乃ζ陆得颗艑挾鹊拇_定以能夠基本覆蓋過流斷面為原則，應(yīng)在左右兩岸壩基開挖輪廓線處布置測點(diǎn)，以便能反映繞壩滲流的影響每排內(nèi)點(diǎn)間距的確定以相鄰兩點(diǎn)間的水力坡降合理為原則，不過大也不過小，可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的指導(dǎo)來進(jìn)行選擇；④矩形點(diǎn)陣宜布置在壩基下游側(cè)，盡量接近壩趾部位(此處較為接近層流態(tài))。
[0030]布點(diǎn)完成后，通過測壓管對地下水位進(jìn)行測量，測壓管的鉆孔深度與所在部位的透水層深度相當(dāng)，測壓管內(nèi)水位測量方法采用常規(guī)的測繩或滲壓計(jì)，測壓管的