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2004 年 1 月 文章编号:0559-9350 (2004) 01-0052-05
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堤防非稳定渗流几个关键值的经验公式
毛昶熙 1,段祥宝 1,蔡金榜 1,户朝望 2
(1.南京水利科学研究院,江苏 南京 210029;2.河南省豫北水利勘测设计院,河南 安阳 455000) 摘要:根据一般双层地基上堤防非稳定渗流有限元计算成果,分析出单宽渗流量,堤背脚下承压水头和堤身浸润线 高度等渗流关键值在洪峰过程中的峰值经验公式,供设计管理堤防者参考.从而可以更简便地计算堤坡稳定性和判 定堤内是否发生管涌破坏以及是否需要设防渗墙等渗控措施. 关键词:堤防;非稳定渗流;正弦型洪峰;渗流关键峰值 中图分类号:TV641 文献标识码:A
江河大堤及沿海堤防受洪潮水位升降影响, 是一种典型的非稳定渗流过程, 其特点是洪峰大,历时短, 沿海省份暴涨暴落的河流只有 3d 左右,长江等内河也不过十几天,远没有水库蓄水过程所持续的时间长, 难以形成稳定渗流,因而需要按洪峰过程计算关键点可能发生的渗流最大峰值作为设计堤防的依据.更可 靠的设计依据,自然是针对性的非稳定渗流有限元法等的数值计算,但远比稳定渗流计算麻烦费时,所以 研究简易方法供初设堤防的参考和监控堤防的汛期安全方面,仍属必要.可是目前这方面的研究还仅限于 [1,2] 堤防在洪峰过程中的浸湿距离 ,这里继续把堤防中部浸润线,堤背脚承压水头以及渗流量等的最大关 键值分析成果表示为以稳定渗流为基准的经验公式,提供简便引用.
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双层地基上堤防在洪峰过程中的渗流计算成果
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选定典型双层地基上的堤防,表层覆盖土及土堤的渗透系数 k=10 cm/s,下面砂层 k=10 cm/s,土 -7 堤浸润线变化的给水度μ=0.002;并考虑有无防渗墙(k=5×10 cm/s)情况.河床冲刷方面考虑弱透水覆 盖土层未被冲和冲穿到砂层两种情况.洪水峰型选定为一般典型的正弦型,即洪水过程为在 t 时间的水头 h 与洪峰最高水头 H 和涨落过程历时 T 之间的关系 h=Hsin(πt/T). 按照非稳定渗流有限元计算程序 UNSST-2 对此种典型情况的不同洪水历时过程逐时段进行渗流计算,详细计算及结果见文献[3] ,今举其代表性图 示结果简要说明如下. 图 1 为河床砂层未冲露,洪峰过程 T=3d 的 各时段水位时的堤身浸润线升降过程,图 2 为洪 峰涨至最高水位时的渗流场(等势线分布)与以最 高水位计算的稳定渗流场作比较.同样对于河床 冲刷露出砂层情况得出较高的堤身浸润线与其最 高洪峰水位时的渗流场图 3.由图 2 和图 3 比较, 可知河床冲露砂层的浸润线显著抬高;但均比稳 定渗流计算结果低很多,此组资料低达 40%以上.
图 1 堤身浸润线随正弦型洪峰历时 T=3d
收稿日期:2002-10-09 作者简介:毛昶熙,男,河南人,教授级高级工程师,主要从事水工,渗流研究. 52
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图 2 正弦型洪峰最高水位时堤身渗流场 与稳定渗流场比较(砂层不出露)
图 3 正弦型洪峰最高水位时堤身渗流场 与稳定渗流场比较(堤前冲刷,砂层出露)
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资料整理
根据多组计算结果,参看图 2,可选洪峰过程中最大的单宽渗流量 q,堤背脚下砂层面 E 点水头及堤 身中部 F 点浸润线水头作为关键值三者进行整理比较, 其计算值绘如图 4(河床未冲)和图 5(河床冲露砂层) 的曲线组.
图 4 正弦型洪峰不同历时各渗流关键值随防渗墙深度的变化(砂层不出露)
由图 4 可知从堤身打下的防渗墙贯入砂层深度与砂层厚度之比,即贯入度 S/D≥0.8 时此悬挂式截墙 开始显示出功效;但由图 5 所示,当河床冲刷到砂层时,曲线下降变陡, 显示出短的悬挂式截墙也有较 大的截渗功效,说明河床弱透水覆盖土层被冲去后,悬挂式墙起了主导截渗作用.同时也说明防渗墙沿堤 基的相对位置与其垂直截渗效果有密切的关系,可参考文献[4] .
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经验公式
寻求曲线组的经验公式,可根据文献[5]选用适当的方法进行.这里考察图 4 和图 5 的曲线组,基 本互相平行,因而可取稳定渗流曲线作为基准(100%),查出非稳定渗流各曲线上下相应点对于稳定渗流曲 线的百分比值应各为一个固定常数(x%),然后点绘此百分比值与洪峰历时 T 的关系曲线,这样点绘出的这 些关键值 q,hE,hF 的 x 曲线(x%～T)变化,对照已有的函数曲线形势,稍作分析都能适应于双曲正切函 数,经过拟合可找出下面的经验公式,以稳定渗流的百分比值表示为堤前砂层不出露 q(%)=th(T+1)

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