一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法技術

本發明專利技術涉及水利工程穩定性評價與監測預警領域，特別涉及一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法。一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，包括如下步驟：(1)堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學參數的確定；(2)堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定；(3)堤壩發生破壞時其臨界水力梯度的確定；(4)堤壩臨界滲透穩定平均寬度的確定；(5)堤壩滲透穩定性評價及潰壩風險預警；(6)堤壩滲透穩定性臨界水頭高度的確定。本發明專利技術方法可以在某種程度上克服傳統預測評價方法存在的不足和局限性，在堤壩穩定性與風險評價領域具有重要的應用價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及水利工程穩定性評價與監測預警領域，特別涉及一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法。
技術介紹
堤壩是為了防止洪水、潮水泛濫而建造的構筑物，是我國防洪工程體系的重要組成部分。我國現有堤防27萬多公里，保護耕地3220萬頃，保護人口3.22億。然而當前許多堤壩由于長期高水位滲透力的作用，使堤壩內土體顆粒流失或局部土體產生移動，導致堤壩變形甚至失穩，常發生流土和管涌等滲透破壞變形，再加上自然和人為的破壞，多數堤壩存在著潰壩安全隱患。近年來洪災發生的頻率和嚴重程度都有不斷加大的趨勢，堤壩風險已成為制約我國水利工程安全與國民經濟發展的重要因素之一。因此有必要對堤壩穩定性及其風險進行分析和評估，從而為堤壩穩定性與潰堤風險評價提供可靠的技術支持。目前國內外常用的堤壩穩定性與潰堤風險評價方法主要有如下幾種：(1)工程地質類比法。該方法主要是將待評價目標堤壩與類似的歷史潰壩案例進行對比來預估目標堤壩的穩定性及其風險，包括其潛在失事模式與風險率。然而由于堤壩失穩是在外部荷載和內部薄弱環節(包括材料缺陷、管理不當)等多種因素聯合作用下發生發展的，其不確定性因素很大，即使工程特性相似度很高的兩個堤壩，由于沒有考慮堤壩的實際運行情況，因此不能單獨用來預估目標堤壩的風險；(2)專家經驗法。該方法是在堤壩風險初步分析中采用事件樹法時應用專家經驗確定潰壩概率的方法，主要從某一荷載狀態或工況出發，依據事件發展的物理過程，對構成堤壩潰決的各要素進行邏輯分析，形成多種潰壩模式的工具，由具有豐富工程經驗的專家判斷并分析堤壩多潰決模式下的潰決概率。然而該方法過于依賴于專家經驗和主觀判斷，如果專家經驗不夠豐富，則可能影響到所賦概率的正確性和準確性；(3)綜合分析評價法。該類方法主要通過有針對性的評價方法對堤壩安全的多層次、多目標結構系統做出綜合評價，可細分為動力系統方法，以及運用投影尋蹤、集對分析、物元可拓分析、粗集理論、神經網絡、模糊綜合評價等一批新的方法。然而該方法評價體系的構建還不完善，且堤壩安全影響因素不易確定，其影響因素很難考慮周全，通過一些計算方法，只能定量考慮一些影響因素的影響程度和權重，其評價結果仍然不夠可靠，具有一定的或然性和模糊性。
技術實現思路
針對上述傳統堤壩穩定性評價及風險測定方法的不足，本專利技術提供了一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，通過對堤壩系統的勘測及室內土工試驗，確定其橫向剖面圖及基本物理力學參數，進而確定其最短流徑長度及最大滲透水力梯度，并求出堤壩發生滲透破壞時的臨界水力梯度對應的堤壩臨界滲透穩定平均寬度，通過將堤壩臨界滲透穩定平均寬度與實際平均寬度進行比較，判斷其是否穩定及其風險率，從而達到確定其穩定性及評價其潰堤風險大小的目的。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，包括如下步驟：步驟一：堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學參數的確定；步驟二：堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定；步驟三：堤壩發生破壞時其臨界水力梯度的確定；步驟四：堤壩臨界滲透穩定平均寬度的確定；步驟五：堤壩滲透穩定性評價及潰壩風險預警；步驟六：堤壩滲透穩定性臨界水頭高度的確定。步驟一所述的堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學參數的確定方法為：測定堤壩的高度H、水位高度H0、壩頂寬度Da、壩底寬度Db，壩兩側坡度系數m1、m2，繪出堤壩橫向剖面圖；通過鉆孔取樣得到堤壩土體試樣，運用土工室內試驗測定堤壩土體試樣土粒相對密度ds、土的孔隙率n、顆粒粒度組成以及粒徑累計曲線。步驟二所述的堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定方法為：1)假設堤壩的壩坡入滲為均勻面狀入滲，其入滲點取壩坡入滲實際水頭高度的一半，則其出滲點位于入滲點高程以下的下游壩坡位置上，由滲流入滲流徑幾何關系確定任一滲流流徑長度L與滲透水力梯度i：式中：h'為流徑水位差；2)將式(2)對h'求導，得時，滲透水力梯度i最大，將代入式(1)(2)得最短流徑長度Lmin與最大滲透水力梯度imax：步驟三所述的堤壩發生破壞時其臨界水力梯度的確定方法為：1)堤壩發生流土時臨界水力梯度的確定當滲流力γwi等于土的浮重度γ'時，土產生流土的臨界狀態，即：式中：icr1為堤壩發生流土時的臨界水力梯度；2)堤壩發生管涌時臨界水力梯度的確定式中：icr2為堤壩發生管涌時的臨界水力梯度；d5、d20分別為小于該粒徑的含量占總土重的5％和20％的顆粒粒徑，其值根據室內試驗得到的粒徑累計曲線確定；根據icr1、icr2取兩者最大值作為堤壩發生滲透破壞的臨界水力梯度icr。步驟四所述的堤壩臨界滲透穩定平均寬度的確定方法為：堤壩的最大滲透水力梯度imax達到臨界水力梯度icr時，堤壩發生滲透破壞，即堤壩臨界滲透穩定平均寬度Dcr為：步驟五所述的堤壩滲透穩定性評價及潰壩風險預警方法為：堤壩實際平均寬度D為：1)堤壩滲透穩定性評價將堤壩實際平均寬度D與臨界滲透穩定平均寬度Dcr進行對比，若D＞Dcr，則判定堤壩穩定，若D≤Dcr，則判定堤壩不穩定；2)堤壩風險率的確定及風險等級的劃分當判定堤壩不穩定時，其風險率R為：當R≤30％時，判定堤壩風險等級為小；當30％＜R≤60％時，判定堤壩風險等級為中；當R＞60％時，判定堤壩風險等級為大；根據上述風險率R的范圍對堤壩進行不同等級的風險預警。步驟六所述的堤壩滲透穩定性臨界水頭高度的確定方法為：在堤壩實際平均寬度D的前提下，當壩體內最大滲透水力梯度imax達到滲透破壞臨界水力梯度icr時所對應的水頭高度為堤壩滲透穩定性臨界水頭高度H'0：本專利技術步驟二的理論依據與基本原理如下：由于堤壩滲流場極為復雜，其入滲點與出滲點不易確定，因此假設堤壩的壩坡入滲為均勻面狀入滲，其入滲點取壩坡入滲實際水頭高度的一半，則其出滲點位于入滲點高程以下的下游壩坡位置上，其壩體可能滲流入滲流徑如圖5。因此設入滲點為壩體上游壩坡水位接觸點與坡腳的中點(記為點A)，過點A作AB∥DC交下游壩坡于點B，并作AH⊥DC，垂足為點H。由滲流關系知，出滲點應在下游壩坡BC之間。為了計算各條流徑長度，將滲透路徑看作為直線，因此假設BC之間有一動點M，過動點M作動直線NM⊥AH，垂足為點N。過點B作輔助線BP⊥NM，垂足為點P。設流徑水位差為h'，BP＝AN＝h'，在△BMP中，則PM＝h'm2。又故在△ANM中，由圖中Da、Dc的關系得：Dc＝(m1+m2)(H-H0)+Da令則其流徑長度L與滲透水力梯度i為：本專利技術步驟三的理論依據與基本原理如下：堤壩滲透破壞發生的主要原因是由于滲流力的作用，使堤壩內土體顆粒流失或局部土體產生移動，導致堤壩變形甚至失穩，主要表現的滲透破壞變形為流土和管涌兩種形式。1)土體在向上的滲流力作用下克服了向下的重力，土體就要發生浮起或受到破壞，這種在向上滲流力作用下，粒間有效應力為0時，顆粒群發生懸浮、移動的現象稱為流土現象。根據流土發生的條件，使土體開始發生流土現象時的水力梯度稱為臨界水力梯度icr1，顯然，滲流力γwi等于土的浮重度γ'時，土產生流土的臨界狀態，即：上式表明，臨界水力梯度icr1與土性密切相關，研究表明，土的不均勻系數愈大，icr1愈小，土中細顆粒含量高，icr1值增大；土的滲透系數愈大，icr1愈本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學參數的確定；步驟二：堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定；步驟三：堤壩發生破壞時其臨界水力梯度的確定；步驟四：堤壩臨界滲透穩定平均寬度的確定；步驟五：堤壩滲透穩定性評價及潰壩風險預警；步驟六：堤壩滲透穩定性臨界水頭高度的確定。

【技術特征摘要】
1.一種堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學參數的確定；步驟二：堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定；步驟三：堤壩發生破壞時其臨界水力梯度的確定；步驟四：堤壩臨界滲透穩定平均寬度的確定；步驟五：堤壩滲透穩定性評價及潰壩風險預警；步驟六：堤壩滲透穩定性臨界水頭高度的確定。2.根據權利要求1所述的堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，其特征在于，步驟一所述的堤壩橫向剖面圖及其基本物理力學參數的確定方法如下：測定堤壩的高度H、水位高度H0、壩頂寬度Da、壩底寬度Db，壩兩側坡率m1、m2，繪出堤壩橫向剖面圖；通過鉆孔取樣得到堤壩土體試樣，運用土工室內試驗測定堤壩土體試樣土粒相對密度ds、土的空隙率n、顆粒粒度組成以及粒徑累計曲線。3.根據權利要求2所述的堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，其特征在于，步驟二所述的堤壩滲流最短流徑長度及最大滲透水力梯度的確定方法如下：1)假設堤壩的壩坡入滲為均勻面狀入滲，其入滲點取壩坡入滲實際水頭高度的一半，則其出滲點位于入滲點高程以下的下游壩坡位置上，由滲流入滲流徑幾何關系確定任一滲流流徑長度L與滲透水力梯度i：L=h′2+(D′+h′m2)2---(1)]]>i=ΔhL=h′(D′+h′m2)2+h′2---(2)]]>式中：h'為流徑水位差；D′=Da+Db+(m1+m2)(H-H0)2;]]>2)將式(2)對h'求導，得時，滲透水力梯度i最大，將代入式(1)(2)得最短流徑長度Lmin與最大滲透水力梯度imax：Lmin=1m22+(D′+1)2---(3)]]>imax=1[m2(D′+1)]2+1---(4).]]>4.根據權利要求3所述的堤壩滲透穩定性與潰堤風險的測定方法，其特征在于，步驟三所述的堤壩發生破壞時其臨界水力梯度的確定方法如下：1)堤壩發生流土時臨界水力梯度的確定當滲流力γwi等于土的浮重度γ'時，土產生流土的臨界狀...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賀可強，郭璐，張冰，
申請(專利權)人：青島理工大學，
類型：發明
國別省市：山東;37