一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法与流程

本发明涉及水利工程稳定性评价与监测预警领域，特别涉及一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法。

背景技术：

堤坝是为了防止洪水、潮水泛滥而建造的构筑物，是我国防洪工程体系的重要组成部分。我国现有堤防27万多公里，保护耕地3220万顷，保护人口3.22亿。然而当前许多堤坝由于长期高水位渗透力的作用，使堤坝内土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致堤坝变形甚至失稳，常发生流土和管涌等渗透破坏变形，再加上自然和人为的破坏，多数堤坝存在着溃坝安全隐患。近年来洪灾发生的频率和严重程度都有不断加大的趋势，堤坝风险已成为制约我国水利工程安全与国民经济发展的重要因素之一。因此有必要对堤坝稳定性及其风险进行分析和评估，从而为堤坝稳定性与溃堤风险评价提供可靠的技术支持。

目前国内外常用的堤坝稳定性与溃堤风险评价方法主要有如下几种：(1)工程地质类比法。该方法主要是将待评价目标堤坝与类似的历史溃坝案例进行对比来预估目标堤坝的稳定性及其风险，包括其潜在失事模式与风险率。然而由于堤坝失稳是在外部荷载和内部薄弱环节(包括材料缺陷、管理不当)等多种因素联合作用下发生发展的，其不确定性因素很大，即使工程特性相似度很高的两个堤坝，由于没有考虑堤坝的实际运行情况，因此不能单独用来预估目标堤坝的风险；(2)专家经验法。该方法是在堤坝风险初步分析中采用事件树法时应用专家经验确定溃坝概率的方法，主要从某一荷载状态或工况出发，依据事件发展的物理过程，对构成堤坝溃决的各要素进行逻辑分析，形成多种溃坝模式的工具，由具有丰富工程经验的专家判断并分析堤坝多溃决模式下的溃决概率。然而该方法过于依赖于专家经验和主观判断，如果专家经验不够丰富，则可能影响到所赋概率的正确性和准确性；(3)综合分析评价法。该类方法主要通过有针对性的评价方法对堤坝安全的多层次、多目标结构系统做出综合评价，可细分为动力系统方法，以及运用投影寻踪、集对分析、物元可拓分析、粗集理论、神经网络、模糊综合评价等一批新的方法。然而该方法评价体系的构建还不完善，且堤坝安全影响因素不易确定，其影响因素很难考虑周全，通过一些计算方法，只能定量考虑一些影响因素的影响程度和权重，其评价结果仍然不够可靠，具有一定的或然性和模糊性。

技术实现要素：

针对上述传统堤坝稳定性评价及风险测定方法的不足，本发明提供了一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，通过对堤坝系统的勘测及室内土工试验，确定其横向剖面图及基本物理力学参数，进而确定其最短流径长度及最大渗透水力梯度，并求出堤坝发生渗透破坏时的临界水力梯度对应的堤坝临界渗透稳定平均宽度，通过将堤坝临界渗透稳定平均宽度与实际平均宽度进行比较，判断其是否稳定及其风险率，从而达到确定其稳定性及评价其溃堤风险大小的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，包括如下步骤：

步骤一：堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定；

步骤二：堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定；

步骤三：堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定；

步骤四：堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定；

步骤五：堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警；

步骤六：堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定。

步骤一所述的堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定方法为：

测定堤坝的高度H、水位高度H₀、坝顶宽度D_a、坝底宽度D_b，坝两侧坡度系数m₁、m₂，绘出堤坝横向剖面图；通过钻孔取样得到堤坝土体试样，运用土工室内试验测定堤坝土体试样土粒相对密度d_s、土的孔隙率n、颗粒粒度组成以及粒径累计曲线。

步骤二所述的堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定方法为：

1)假设堤坝的坝坡入渗为均匀面状入渗，其入渗点取坝坡入渗实际水头高度的一半，则其出渗点位于入渗点高程以下的下游坝坡位置上，由渗流入渗流径几何关系确定任一渗流流径长度L与渗透水力梯度i：

式中：h'为流径水位差；

2)将式(2)对h'求导，得时，渗透水力梯度i最大，将代入式(1)(2)得最短流径长度L_min与最大渗透水力梯度i_max：

步骤三所述的堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定方法为：

1)堤坝发生流土时临界水力梯度的确定

当渗流力γ_wi等于土的浮重度γ'时，土产生流土的临界状态，即：

式中：i_cr1为堤坝发生流土时的临界水力梯度；

2)堤坝发生管涌时临界水力梯度的确定

式中：i_cr2为堤坝发生管涌时的临界水力梯度；

d₅、d₂₀分别为小于该粒径的含量占总土重的5％和20％的颗粒粒径，其值根据室内试验得到的粒径累计曲线确定；

根据i_cr1、i_cr2取两者最大值作为堤坝发生渗透破坏的临界水力梯度i_cr。

步骤四所述的堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定方法为：

堤坝的最大渗透水力梯度i_max达到临界水力梯度i_cr时，堤坝发生渗透破坏，即堤坝临界渗透稳定平均宽度D_cr为：

步骤五所述的堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警方法为：

堤坝实际平均宽度D为：

1)堤坝渗透稳定性评价

将堤坝实际平均宽度D与临界渗透稳定平均宽度D_cr进行对比，若D＞D_cr，则判定堤坝稳定，若D≤D_cr，则判定堤坝不稳定；

2)堤坝风险率的确定及风险等级的划分

当判定堤坝不稳定时，其风险率R为：

当R≤30％时，判定堤坝风险等级为小；当30％＜R≤60％时，判定堤坝风险等级为中；当R＞60％时，判定堤坝风险等级为大；根据上述风险率R的范围对堤坝进行不同等级的风险预警。

步骤六所述的堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定方法为：

在堤坝实际平均宽度D的前提下，当坝体内最大渗透水力梯度i_max达到渗透破坏临界水力梯度i_cr时所对应的水头高度为堤坝渗透稳定性临界水头高度H'₀：

本发明步骤二的理论依据与基本原理如下：

由于堤坝渗流场极为复杂，其入渗点与出渗点不易确定，因此假设堤坝的坝坡入渗为均匀面状入渗，其入渗点取坝坡入渗实际水头高度的一半，则其出渗点位于入渗点高程以下的下游坝坡位置上，其坝体可能渗流入渗流径如图5。因此设入渗点为坝体上游坝坡水位接触点与坡脚的中点(记为点A)，过点A作AB∥DC交下游坝坡于点B，并作AH⊥DC，垂足为点H。

由渗流关系知，出渗点应在下游坝坡BC之间。为了计算各条流径长度，将渗透路径看作为直线，因此假设BC之间有一动点M，过动点M作动直线NM⊥AH，垂足为点N。过点B作辅助线BP⊥NM，垂足为点P。

设流径水位差为h'，BP＝AN＝h'，在△BMP中，则PM＝h'm₂。又故在△ANM中，

由图中Da、Dc的关系得：

D_c＝(m₁+m₂)(H-H₀)+D_a

令

则其流径长度L与渗透水力梯度i为：

本发明步骤三的理论依据与基本原理如下：

堤坝渗透破坏发生的主要原因是由于渗流力的作用，使堤坝内土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致堤坝变形甚至失稳，主要表现的渗透破坏变形为流土和管涌两种形式。

1)土体在向上的渗流力作用下克服了向下的重力，土体就要发生浮起或受到破坏，这种在向上渗流力作用下，粒间有效应力为0时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流土现象。根据流土发生的条件，使土体开始发生流土现象时的水力梯度称为临界水力梯度i_cr1，显然，渗流力γ_wi等于土的浮重度γ'时，土产生流土的临界状态，即：

上式表明，临界水力梯度i_cr1与土性密切相关，研究表明，土的不均匀系数愈大，i_cr1愈小，土中细颗粒含量高，i_cr1值增大；土的渗透系数愈大，i_cr1愈低。

2)在水流渗透作用下，堤坝中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。

管涌发生的水力条件为渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力梯度表示，管涌的临界水力梯度计算依据《水利水电地质工程勘察规范》(GB50487-2008)确定：

与现有技术相比，本发明具有如下优异的技术效果：

本发明针对水对堤坝的渗透作用机理与特点，根据堤坝实际渗透路径与发生渗透破坏时临界渗透路径的关系判定堤坝是否稳定，并以此建立和确定了一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法。该方法可以在某种程度上克服传统预测评价方法存在的不足和局限性，在堤坝稳定性与风险评价领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明涉及的方法流程示意图；

图2为堤坝横向剖面图；

图3为堤坝粒径累计曲线图；

图4为堤坝流网图；

图5为堤坝渗流入流流径几何关系图；

图6为实施例堤坝横向剖面图。

具体实施方式

本发明所研究堤坝位于长江支流下游，其实际情况及周围环境已经查明，同时堤坝所建初期资料及堤坝整体范围也已经明确，具备此发明应用条件。下面结合附图和具体实施方式，以此堤坝为例进行详细说明。具体实施方案与过程如下：

步骤一：堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定

依据《水利水电地质工程勘察规范》(GB50487-2008)，对待测定的堤坝进行系统的勘察及调查测绘，测定堤坝的高度H为7m、水位高度H₀为5m、坝顶宽度D_a为2.5m、坝底宽度D_b为7.6m，坝两侧坡度系数m₁、m₂均为0.364，在勘察测绘的基础上按一定比例绘出堤坝横向剖面图(见图6)；同时依据《建筑工程地质钻探技术标准》(JGJ87-92)以及《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)，通过钻孔取样得到堤坝土体试样，钻孔完及时用水泥浆将孔浇灌，以防钻孔对坝体产生损伤从而影响堤坝稳定性，运用土工室内试验测定堤坝土体试样土粒相对密度d_s为1.71、土的孔隙率n为0.48、颗粒粒度组成以及粒径累计曲线(见图3)。

步骤二：堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定

1)由于堤坝渗流场极为复杂，其入渗点与出渗点不易确定，因此假设堤坝的坝坡入渗为均匀面状入渗，其入渗点取坝坡入渗实际水头高度的一半，则其出渗点位于入渗点高程以下的下游坝坡位置上，其坝体可能渗流入渗流径如图5。由渗流入渗流径几何关系可确定任一渗流流径长度L与渗透水力梯度i：

式中：h'为流径水位差；

2)将式(2)对h'求导，可得时，渗透水力梯度i最大，将代入式(1)(2)可得最短流径长度L_min与最大渗透水力梯度i_max：

步骤三：堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定

当堤坝的筑堤材料受水的作用其水力梯度达到一定值时，就易发生流土和管涌渗透破坏，因此分别确定堤坝发生流土和管涌渗透破坏时的临界水力梯度；

1)堤坝发生流土时临界水力梯度的确定

当渗流力γ_wi等于土的浮重度γ'时，土产生流土的临界状态，因此：

式中：i_cr1为堤坝发生流土时的临界水力梯度；

2)堤坝发生管涌时临界水力梯度的确定

式中：i_cr2为堤坝发生管涌时的临界水力梯度；

d₅、d₂₀分别为小于该粒径的含量占总土重的5％和20％的颗粒粒径(mm)；

根据i_cr1、i_cr2取两者最大值作为堤坝发生渗透破坏的临界水力梯度i_cr＝0.369。

步骤四：堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定

堤坝的最大渗透水力梯度i_max达到临界水力梯度i_cr时，堤坝将发生渗透破坏，因此，堤坝临界渗透稳定平均宽度D_cr为：

步骤五：堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警

1)堤坝渗透稳定性评价

将堤坝实际平均宽度D与临界渗透稳定平均宽度D_cr进行对比，发现＜D_cr＝5.19m，判定在当前水位下堤坝不稳定。

2)堤坝风险率的确定及风险等级的划分

因R≤30％时，判定堤坝风险等级为小。

步骤六：堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定

在堤坝实际平均宽度D的前提下，当坝体内最大渗透水力梯度i_max达到渗透破坏临界水力梯度i_cr时所对应的水头高度为堤坝渗透稳定性临界水头高度H'₀：