土石坝渗流量监测及计算的流场分析法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土石坝渗流量监测和计算方法，具体为流场分析法，属于大坝安全监测与评价技术领域。
【背景技术】
[0002]在水电站工程中，建设在深厚透水层地基上的土石坝越来越多，根据相关规范要求，土石坝的渗流量是大坝原型监测的必测项目，对于评价大坝的安全性至关重要。
[0003]现有技术中，大部分大坝的地基都具有良好的防渗性或进行过专门的防渗处理，渗流水大部分大多分布在坝体底部或地基浅层这些承受水头高且防渗性能相对薄弱的局部地带，因此，传统的渗流量监测方法是:在渗流路径中选择合适的位置，如基础廊道或坝后处采取截流措施，将渗流水引至某个集中点汇聚，然后采用容积法或量水堰法直接测得汇聚后的渗流水流量，具体的测量工具或仪器设备有量筒和秒表、容积式流量仪、量水堰堰板和量水堰仪等。但是，当大坝建在深厚透水层上，地基防渗处理功效有限时，渗流水往往在坝基底层一定深度以下形成潜水层，这样一来，地表部位没有水，无法通过传统的截流和集水方法监测渗流量，鉴于此，有必要建立一种不同于以往的渗流量监测和计算方法。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于建立一种土石坝渗流量监测和计算的新方法，适用于深厚透水层上大坝的潜水层渗流场情况。
[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0006]本发明的土石坝渗流量监测及计算的流场分析法，首先测量渗流场中的地下水位分布情况，然后对地下水位进行二维流场分析计算，从而获得流场的总渗流量。
[0007]前述的地下水位分布情况由测压管测得，测压管的布点方式为矩形点阵。
[0008]优选地，测压管的布点原则为:①、顺主要的水流方向布设不少于三排测点，排间距设计合理，保证相邻两排之间能够形成水力坡降；?、每排宽度的确定以能够基本覆盖过流断面为原则，应在左右两岸坝基开挖轮廓线处布置测点，以便能反映绕坝渗流的影响；③、每排内点间距的确定以相邻两点间的水力坡降合理为原则、矩形点阵布置在坝基下游侧。
[0009]更优选地，矩形点阵布置在接近坝趾部位，因为此处较为接近层流态，能够确保更加准确的测量结果。
[0010]具体来说，对地下水位进行二维流场分析计算的具体步骤如下:
[0011](I)、根据各测压管测得的地下水位，得到地下透水层内的渗流场，即两组互相正交的曲线:等水位线和流线；
[0012](2)、取两根相邻的等水位线，将它们中间的区域划分成若干小矩形，计算渗流水在小矩形区域内沿流线方向的水力坡降:矩形区域的一对等水位线上水位分别为1%和his，沿流线方向的边长为Lis，则通过该矩形区域的水力坡降为J = (ha -hffi)/L^ ;
[0013](3)、根据达西定律，渗流流速V与水力坡降J呈正比，比例系数k为渗透介质材料的固有特性，据此计算流速:V = k.J ;
[0014](4)、根据测压管钻孔时获知的矩形区域处透水层的深度H，结合等水位线的边长L7jc，求得过流断面面积:A = H.L水；
[0015](5)、流场中通过矩形区域范围的流量为:Q = A.V ;
[0016](6)、重复以上步骤(I)?(5)，将相邻的两个等水位线之间所有小矩形的流量叠加之后即可获得总流量。
[0017]更进一步地，本发明的方法还包括步骤(7):等水位线有η根，则重复上述步骤
(I)?(6)即可计算出η-l个结果，最终流量监测和计算结果取η-l个结果的平均值，从而减少计算误差。
[0018]再进一步地，本发明还包括一可视化的电子计算机，在获得所需总渗流量的同时，还可以在计算机屏幕上模拟地表以下的渗流场，直观展现整个流场中各处的渗流路径和大小，特别是当流量增大时，易于及时发现薄弱地带，采取针对性措施。
[0019]本发明的有益之处在于:本发明的土石坝渗流量监测和计算的新方法具体为流场分析法，适用于深厚透水层上大坝的潜水层渗流场情况，包括了监测量确定、测点布置、测量手段以及成果计算方法的完整配套，彻底突破了传统的截流集水测量方法无法在深厚透水层大坝上应用的难题，方法简单且切实可行。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的渗流量计算方法的原理示意图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0022]名词解释:
[0023](I)、测压管:地下水位观测设施。从地表向地层深处钻孔，在孔中放置并固定可以透水的管子，从而在管内形成与管周地下水位持平的水柱，通过管口放下测量装置测得管内水柱液面高程，即可得到对应的地下水位。
[0024](2)、潜水:具有自由水面的地下水。
[0025](3)、渗流场:水流通过多孔介质流动，在固体中形成的含有流动水的空间范围。
[0026](4)、等水位线:渗流场中水位相等的点连成的曲线，类似于地形上的等高线。
[0027](5)、流线:渗流场中任意一个水质点通过的点连成的曲线，该曲线上任意一处的切向都是水流流经该处的流速方向。流线与等水位线是互相正交的两组曲线。
[0028](6)、水力坡降:沿水流方向单位长度上的水位差。
[0029]本发明通过监测渗透场范围内的地下水位来计算土石坝的渗流量，首先需要对地下水位测量进行合理布点，具体到本发明中，地下水位测量的布点方式为矩形点阵，根据渗流场范围大小、透水层渗透性能进行专门设计，设计原则遵循以下四点:①顺主要的水流方向布设不少于三排测点，排间距根据透水层透水性能确定，保证相邻两排之间能够形成适当的水力坡降每排宽度的确定以能够基本覆盖过流断面为原则，应在左右两岸坝基开挖轮廓线处布置测点，以便能反映绕坝渗流的影响每排内点间距的确定以相邻两点间的水力坡降合理为原则，不过大也不过小，可根据现有技术的指导来进行选择；④矩形点阵宜布置在坝基下游侧，尽量接近坝趾部位(此处较为接近层流态)。
[0030]布点完成后，通过测压管对地下水位进行测量，测压管的钻孔深度与所在部位的透水层深度相当，测压管内水位测量方法采用常规的测绳或渗压计，测压管的