土石坝心墙厚度的计算方法、心墙厚度设计值的确定方法及介质材料渗流流量的计算方法

摘要

本发明公开了土石坝非天然防渗材料心墙厚度的理论计算方法、心墙厚度设计值的确定方法及介质材料渗流流量的计算方法，土石坝心墙厚度的理论计算方法如下：式中：更为全面的考虑了各种材料和水库特征水位的影响，根据上述方法计算得到的理论值，然后结合坝工设计和施工条件与施工水平，确定心墙厚度的设计值，对实际修筑过程具有重要的参考性作用，大大地减小了防渗结构破坏的可能性以及节约了心墙的建造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及土石坝中心墙技术领域，具体涉及一种土石坝中介质材料渗流流量的计算方法，以及一种土石坝内置非天然防渗材料心墙厚度的计算方法、一种土石坝内置非天然防渗材料心墙厚度设计值的确定方法。

背景技术

土石坝是一种古老的坝型。无论土石坝的设计还是施工建造，都应满足两大基本技术准则，一是稳定，就是保证坝体安全可靠，不会因滑坡失称稳而产生事故；二是防渗，主要是能够蓄住水成为水库并保证不会因为渗漏而产生溃坝灾害，所以防渗体是土石坝的关键所在。

土石坝的现代发展主要体现在两个方面：一是所用筑坝材料和坝体结构的变革，二是相应的计算分析方法的进步。目前，从世界范围来看，土石坝的防渗材料就相当于是土石坝结构中的“芯片”，起着关键的作用，传统的黏土或碎石土作为防渗材料将逐步被沥青混凝土或钢筋混凝土所代替，诸如黏土或碎石土称之为天然防渗料，相对应的人工防渗料称之为非天然防渗材料，这里所指的非天然防渗材料是指随着社会经济发展和人类科技进步，人造材料或基于原材料的加工材料用于土石坝防渗体的设计与施工，这种材料经济可靠安全环保，是一种工程发展与变革方向。非天然防渗材料一般指混凝土材料或基于混凝土和其他材料的复合材料，如沥青混凝土、塑性混凝土等。相对于天然防渗材料修建的土石坝如砾质土心墙堆石坝也将逐步被非天然防渗材料修建的土石坝如沥青混凝土心墙或增强体混凝土心墙所代替。这是社会发展趋势，也是土石坝安全运行的需要。

我国修建沥青混凝土坝最早始于1973年吉林省安图县的白河水库，采用浇筑式沥青混凝土，白河沥青混凝土心墙土石坝分主墙和副墙，主墙厚度15cm，副厚度40cm。随后这种坝型在国内长足发展。至今，我国修建沥青混凝土心墙土石坝已达300多座，最大坝高超过250m，沥青心墙的厚度一般在15——60cm之间。事实上，沥青心墙的厚度一直是凭经验的，没有一个统一的计算公式，比如：

1，《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》SL501-2010之6.2.3规定：沥青混凝土心墙的厚度可根据坝高、工程级别、抗震要求和施工条件等选定。心墙底部最大厚度(不含扩大段)宜为坝高的1/110～1/70。心墙厚度宜采用渐变式或阶梯式。心墙顶部的最小厚度不宜小于40cm。

Feiner、Lehner于1976年建议，中等坝高的沥青心墙厚度取60-80cm，高坝为最厚不超过100cm。

Haug建议沥青心墙土石坝的沥青心墙厚度按d＝h/100≥60cm计算，其中，h为最大水头，cm；d为心墙厚度，cm。

或者，进一步的，许多坝工专家(如日本)提出如下的一个计算沥青心墙或混凝土心墙厚度的一般公式：

d＝h/J (1-1)

式中，h为最大作用水头，cm；

J为心墙材料(如沥青、或混凝土)的允许水力坡降，一般J取80-100。

上式表达了心墙厚度与作用水头和材料的水力特性有关，而与其它因素无关。

2，另外，我国电口《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》DL/T 5411—2009中关于心墙尺寸，8.0.2条规定：沥青混凝土心墙顶部的厚度不宜小于40cm，心墙底部的厚度宜为1/70～1/130……与水口规范SL501-2010有所不同。7.2.2规定：沥青混凝土心墙的厚度可根据坝高、工程级别、沥青混凝土的流变特性、施工要求、当地气温和抗震要求等条件选定。心墙厚度宜为坝高的1/100，顶部,最小厚度不宜小于20cm。

3，从理论上讲，沥青混凝土心墙的厚度只需几十厘米即可满足土石坝的防渗要求。但实际工程上，常常存在一些偶然或偶发因素，施工上也不得不考虑各种不利因素的影响，因此，沥青混凝土厚度的考虑不仅仅是基于防渗的考虑，尚有其它一些不可控不可预见的因素影响着心墙厚度的选择。而这种选择的确是经验主义的。

4，从上面分析可知，由于沥青心墙厚度的选择尚没有统一的计算公式，那么厚度确定的经验成分偏多偏重，是不科学的。如果选择薄了，有可能不能有效抵抗应力与变形的作用，极易损坏防渗结构；如果选择太厚，也会由于沥青心墙产生侧向膨胀改变心墙的应力与变形状态导致过大的流变变形而破坏，同时心墙太厚造价也不经济。

发明内容

针对现有的心墙厚度的确定主要以经验为主的方式存在的上述问题，本发明提供一种土石坝内置非天然防渗材料心墙厚度的计算方法。

本发明的技术方案为：一种土石坝内置非天然防渗材料心墙厚度的计算方法，该计算方法如下：

式中：

i

i

k

k

α-渗透性参数值；

H

H

H

δ-心墙的厚度，m。

本发明的有益效果为：代替了传统的凭经验确定心墙厚度的方法，将上游水头、下游水头、下游的渗透特性、游坝壳的允许水力坡降以及心墙本身的特性有关，更为全面的考虑了各种材料和水库特征水位的影响，根据上述方法结算得到的计算值，然后结合坝工设计和施工条件与施工水平，对实际修筑过程具有重要的参考性作用，大大地减小了防渗结构破坏的可能性以及节约了心墙的建造成本。

本发明还公开了一种土石坝中介质材料渗流流量的计算方法，该计算方法如下：

式中：

q

q

α-渗透性参数值，且α≤1.0。

进一步限定，当两种介质材料为线性渗流关系时，α＝1.0；当两种介质材料为非性渗流关系时，α<1.0。

进一步限定，针对沥青混凝土或钢筋混凝土与土体界面的渗透特性，α＝0.65。

进一步限定，所述心墙的单位宽度流量的计算方法如下：

式中：

k

H

H

δ-心墙的厚度，m；

h

q

进一步限定，所述下游坝壳的单位面积渗流量的计算方法如下：

式中：

k

h

H

L

q

进一步限定，所述心墙下游侧渗流出逸高程的计算方法如下：

式中：

H

i

i

k

k

α-渗透性参数值。

本发明的有益效果为：推导出不同介质材料的幂函数渗透关系式，为推导出心墙厚度计算公式的提供理论基础。

本发明还公开了一种土石坝内置非天然防渗材料心墙厚度设计值的确定方法，包括以下步骤：

S1：根据水利工程勘测设计的有关规定进行相应计算准备工作，收集一些坝工设计图纸和有关计算参数，最好能够根据试验确定一些计算参数值；

S2：计算心墙与下游坝体之间的一些重要参数；

S3：根据式

S4：根据计算值，结合坝工设计和施工条件与施工水平，确定防渗心墙的厚度设计值。

进一步限定，步骤S2中的重要参数量不仅仅包括单位宽度流量q、心墙下游侧逸出水位高h

本发明的有益效果为：对实际土石坝内置非天然材料心墙厚度的实际施工具有指导意义。

附图说明

图1是渗流局部示意图；

图2是不透水地基楔形土体渗流计算简图；

图3是心墙渗流剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的实施例进行详细、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例1

一、不同介质材料的幂函数渗透关系式

试验表明：在满足抗渗强度的条件下，如水流从渗透系数值大的材料流向渗透系数值小的材料，两者界面上将出现渗透水“留滞”现象，即试验水头下降缓慢，界面的渗透性与渗水量受制于值小的下游材料；反之，如渗流从渗透系数值小的介质流向值大的介质，下游界面的渗水将很快消散，渗水量太小以致无法集聚或留滞。说明在不同材料或介质组合渗流状态下，整个渗流过程(如果有的话)一定是由渗透系数小的材料或介质控制，根据层流原理的达西定律：

v＝ki (a-1)

或

q＝Aki (a-2)

式中，v-渗流流速，m/s；

q—渗透量，m

A—渗流面积，m

k—材料或介质的渗透系数，m/s；

i—作用水头。

流过两种介质的渗流量分别记为：

q

q

式中，A

k

i

当设定材料或介质界面渗流所受水头h相同时，即i

那么，在单位面积A

即q

式中，β

q

q

这里将系数β

式中，

显然，从以上分析，当第一种材料介质与第二种材料介质的渗透性(具体为k值)相差较大时(反映不同材料介质渗透性存在较大差异)，渗流单位面积上的渗流流量q

不同材料界面上的渗流如图1所示。那么，通过增强体心墙的单位面积渗流量q

通过下游坝壳的单位宽度流量q

上两式中，k

H

k

H

δ——增强体心墙的厚度，m；

h

L

上述推导是基于层流条件的达西定律而进行的，适用范围也局限在砂土、粘土等线性渗流关系的材料。对于砾质土、宽级配粗粒土、堆石料、石渣料和混凝土材料等透水介质，其渗流关系是非线性的，这种非线性的影响因素较多，诸如介质透水性、水的运动粘滞性、水温、介质孔隙率等等。为使问题尽可能简化，根据上面的思路，令

式中，α—渗透性参数值，与材料的渗透系数及其组合方式有关，一般α≤1.0，当α＝1.0时，上式变为式(1－2)，为层流状态下线性关系的达西定律；当α<1.0时，为非层流状态的非线性渗流关系。

显然，不同材料组合条件下渗流界面的α值是不相同的。针对沥青混凝土或钢筋混凝土与土体界面的渗透特性，α＝0.65。

二、推导理论基础——本推导是基于同一且独立介质进行的，它得出的相关公式，对相同介质来说可以直接引用，这是渗流计算的基础，作为后面推导土石坝内置非天然防渗材料心墙厚度的计算公式的基础知识。

如图2所示为一不透水地基上的均质楔形阻水体(如土体)的渗流情形，此时过流断面上的平均流速为：

式中，k-阻水材料的渗透系数。

断面上的单位宽度流量为q，

对任意距坐标原点为x的渗流断面y，

积分上式，得

上式即为阻水体浸润线方程，为一抛物线，其具体形状与渗流的边界条件紧密相关，k为渗透系数，其值代表了材料的防渗性能，式中浸润线在坝体下游的逸出点高度H

特别地，对上游面(x＝0,y＝H

对式(2－3)求导，可以得到阻水体内部浸润线表面的水力坡降i值，

显然，为了保持楔形阻水体在下游边界渗流出逸界面(x＝L)的渗透稳定，则有：

i≤i

式中i

或取：

由上式并结合式(2－4)，考虑到同一阻水材料渗流连续性条件(q＝q

上式表明，阻水体(土体或其他防渗体)的最小水平宽度L值除了与其上游界面受到的水头H

在满足阻水材料渗透稳定条件下的单宽渗流量q，经推导，可用下式表示：

q＝H

三、心墙厚度计算的理论公式的具体推导过程(基于前面不同材料介质界面渗透性分析)

首先确定有关防渗体的设计参数，这是基础。如图3所示为渗流剖面图。根据公式(2-4)和(2-8)，得出如下计算式：

3.1先确定心墙下游侧逸出水位高h

式中，k

k——坝体渗透系数，m/s；H

i

3.2确定混凝土增强体或沥青心墙厚度δ

根据上面式1-5的渗流原理推导，计算公式如下：

如令

式中，δ--心墙厚度，m；

上式(3-2)即为非天然防渗材料的防渗厚度理论计算公式。它表明了防渗心墙的厚度与上、下游水位H

工程实例

四川省万源市李家梁水库位于四川省万源市新店乡李家梁村，水库枢纽由拦河大坝、溢洪道、取水放空洞及导流洞等建筑物组成。根据坝址处的地形、地质条件，经各种方案经济与技术比较，拦河大坝决定采用纵向增强心墙土石坝这一新坝型，最大坝高73m，坝顶高程为1157.00m，坝轴线长约275.0m，坝顶宽8.0m，坝顶上游侧设“L”型混凝土防浪墙，墙顶高程为1158.00m。大坝设计洪水标准采用50年一遇(P＝2％)，相应计洪峰流量分别为193m

增强体的防渗计算与设计宜按水库最大水头进行考虑。从水库特征水位与建基高程的关系，假定增强体顶部高程高出最高洪水位0.3m，这样按校核洪水位1154.98m再加0.3m得到墙顶部高程为1155.30m，按基坑建基高程为984.00m起算，最后得到增强体高度为H

1.计算增强体防渗心墙厚度δ计算

根据坝体料物分区设计和试验报告，已知下游坝壳分两部分，一是下游砂岩堆石Ⅰ区料，二是泥岩石渣次堆石Ⅱ区料，这些材料所做的渗透性试验尽管偏少，也可以分析试验结果，选取合理的计算参数，下游坝壳料一共完成了6组渗透试验，临界水力坡降为0.17～2.15，破坏水力坡降为0.37～8.59；对于本工程而言，由于坝高大于70m，按有关规范将大坝等级上调一级为1级水工建筑物，因此，下游整个坝体的允许水力坡降为按上限平均并留有相应安全裕度，取i

式中，取α＝0.65，计算得：δ＝0.855m，即增强体计算厚度为86cm。

2.计算下游出逸水头h

由h

代入相应数据，得，h

3.计算界面单宽渗流流量q

渗流量q由下式计算：

代入数据，得q＝1.291×10

4.计算下游坝体满足渗透稳定要求的最小长度L

由

坝体浸润线

根据上述计算，可以得出李家梁水库增强体土石坝的浸润线，由式(2－3)得到浸润线计算方程式：

浸润线计算结果列入表1。

表1李家梁水库浸润线计算成果表

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。