水利工程論文-碾壓混凝土壩壓水試驗理論與結(jié)果分析方法研究.doc

水利工程論文-碾壓混凝土壩壓水試驗理論與結(jié)果分析方法研究摘要：據(jù)碾壓混凝土壩成層施工和結(jié)構(gòu)特點，以及混凝土本體、層面、縫面和壩體的滲流特性，就壩體壓水試驗中的常規(guī)壓水試驗、三段壓水試驗和交叉孔壓水試驗方法，作了較深入全面的理論和應(yīng)用分析研究，其中還提出壓水試驗結(jié)果分析的平面滲源法和壓水試驗反分析研究的聯(lián)合并用飽和非飽和非穩(wěn)定滲流問題求解的有限元法和加速遺傳優(yōu)化算法。最后給出江埡大壩部分壓水試驗數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析結(jié)果。關(guān)鍵詞：碾壓混凝土壩壓水試驗交叉孔壓水試驗法平面滲源法由于碾壓混凝土壩的成層結(jié)構(gòu)，本體和層、縫面的滲透能力完全不同，施工時總是盡管千方百計地提高大壩的施工質(zhì)量，但是壩體一般仍然表現(xiàn)為強滲透各向異性體，滲透各向異性比總是會達到多個數(shù)量級，而且壩體層面和縫面切向的主滲透系數(shù)變化范圍大，準確測定這一滲透系數(shù)的難度很大，給碾壓混凝土壩滲控方案的選定帶來許多不便。另一方面，壩體的施工質(zhì)量完全取決于層面和縫面的施工質(zhì)量，如何在工程現(xiàn)場快速地檢測和監(jiān)測碾壓混凝土壩的施工質(zhì)量，具有重大工程意義。因?qū)用婧涂p面的隙寬很小，目前還沒有一種成熟的方法和儀器能夠在工程現(xiàn)場對這些施工過程形成的結(jié)構(gòu)隙面進行快速檢測，這是目前確保壩體施工質(zhì)量的關(guān)鍵問題所在。筆者認為，目前最有希望能夠完成這一使命的方法即為大壩現(xiàn)場的壓水試驗。本文結(jié)合碾壓混凝土壩的施工和結(jié)構(gòu)特性，對壓水試驗的理論和成果整理方法進行較深入的探討和研究。本文著重闡述了如何可靠地對工程現(xiàn)場取得的壓水試驗結(jié)果進行理論整理分析和確定混凝土壩縫面切向主滲透系數(shù)，為壩體滲流計算建模與分析、滲控設(shè)計方案論證和縫面施工質(zhì)量的檢測與監(jiān)測等工作提供理論依據(jù)。1壓水試驗和結(jié)果分析方法1.1基本理論多孔介質(zhì)中，飽和-非飽和滲流問題的連續(xù)方程為：（1）式中：飽和滲透系數(shù)張量；相對透水率，在非飽和區(qū)，在飽和區(qū)；容水度，在飽和區(qū)；選擇系數(shù)，在非飽和區(qū)等于0，在飽和區(qū)等于1；彈性貯水率，在飽和區(qū)為一常數(shù)，在非飽和區(qū)=0；t時間。1.2非飽和滲流問題求解式（1）是一個非常復(fù)雜的微分控制方程，目前還無法找到其解析解，因為非飽和區(qū)的滲透系數(shù)張量、飽和度和容水度等都是與水頭有關(guān)，是處處變化的，是一個極度高次的非線性問題，而且它的邊界條件也是很復(fù)雜的，尤其是非飽和逸出面也是非線性的。目前求解這一問題的方法只能是通過介質(zhì)水分特性曲線來近似地確定水頭與飽和度及與相對透水率之間的關(guān)系，再用有限元等數(shù)值方法來迭代求解1-2，程序的開發(fā)也是很不易的。1.3飽和滲流問題求解鑒于式（1）問題的復(fù)雜性和為了對常見工程問題的求解以及滿足工程應(yīng)用推廣的需要，式（1）問題經(jīng)常被簡化為相對簡單的、應(yīng)用經(jīng)驗豐富的飽和穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流問題進行求解。滲流控制方程為：（2）式中：滲透介質(zhì)飽和滲透系數(shù)張量。1.4壓水試驗理論分析迄今為止，對于碾壓混凝土壩層面和縫面施工質(zhì)量的檢測和監(jiān)測一般只能通過壓水試驗來進行，且理論研究還不夠深入。壓水試驗時，先在選定的方向上現(xiàn)場鉆孔，形成壓水孔，再在1段或3段壓水孔試驗段中進行壓水試驗，通過觀測試驗壓力和入滲流量，來評定試驗段區(qū)壩體的滲透性和滲透系數(shù)，因碾壓混凝土本體的透水能力極小，試驗所得的結(jié)果往往是反映了碾壓混凝土縫面切向的透水性和主滲透系數(shù)，這也正好體現(xiàn)了工程界最為關(guān)心的層面和縫面施工質(zhì)量的情況。目前，對壓水試驗進行理論分析和求解的方法主要有以下幾種。1.4.1Hsieh和Neuman的交叉孔壓水試驗方法3,4美國Hsieh和Neuman于1985年提出的交叉孔壓水試驗（waterpressuretestwithcrossholes）的理論和方法，因這一方法有嚴格的數(shù)學(xué)理論，與常規(guī)壓水試驗和三段正交壓水試驗方法相比較，它具有幾個重要的特點：(1)試驗前不需要知道滲透各向異性介質(zhì)的主滲透方向，且解是唯一的，大大提高了試驗結(jié)果精度；(2)可以在任何方向上進行鉆孔布置，這無疑給試驗工作帶來了極大的方便；(3)適當變化壓水孔和觀測孔間的距離，由試驗結(jié)果的變化情況，就可以大約估算出巖體樣本體積的大小，這為滲流場多孔隙等效連續(xù)體介質(zhì)模型的求解，提供了建模乃至能否正確運用的理論依據(jù)；（4）巖體裂隙結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面特性和母巖本身滲流特性都是直接困擾學(xué)術(shù)界和工程界評定巖體滲透系數(shù)張量時最常見因素，而此法不受它們的困擾；（5）與別的壓水試驗方法不同，交叉孔壓水試驗有其嚴密的理論推導(dǎo)和解析解；而其他試驗方法尤其是目前在我國仍然用得最為廣泛的常規(guī)壓水，均沒有嚴密的理論基礎(chǔ)。因此，盡管這個方法的理論相當復(fù)雜，但是筆者認為它特別適合于對裂隙巖體滲透系數(shù)張量確定的試驗研究，值得推廣應(yīng)用。1.4.2平面滲源法鑒于碾壓混凝土壩常為強滲透各向異性體，且本體的滲透系數(shù)很小，層面和縫面切向與法向主滲透系數(shù)的各向異性比會有多個數(shù)量級，壩體滲透水流主要沿混凝土層面和縫面流動，在試驗所形成的滲透水流基本上是平行于層面和縫面的向四周作徑向輻射流態(tài)，因此可將壓水試驗滲流流態(tài)近似地視為平面徑向流滲流場問題，從而據(jù)上述Hsieh和Neuman的交叉孔壓水試驗理論和相關(guān)熱傳導(dǎo)理論6，設(shè)在一個無限大平面域內(nèi)事先假定各處初始水頭h為一個常量，筆者經(jīng)進一步的理論推導(dǎo)，得到持續(xù)點源壓水條件下的試驗段平面徑向流各處水頭變化的解析解為7：（3）式中：壓水流量；k層面和縫面切向主滲透系數(shù)；觀測距壓水點源的距離；t時間。此式是一個關(guān)于碾壓混凝土層面和縫面切向主滲透系數(shù)的關(guān)系式，據(jù)試驗觀測資料可以通過試算解得它的值。1.4.3常規(guī)壓水試驗由于碾壓混凝土壩的成層結(jié)構(gòu)和本體的極弱滲透性，壓水試驗可被看成是在一無限大平面域內(nèi)的有壓點源試驗，流態(tài)主要呈現(xiàn)為層流。單段壓水試驗時，假定壓水孔周圍的流