水利工程論文-碾壓混凝土壩壓水試驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)，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(yàn)中的常規(guī)壓水試驗(yàn)、三段壓水試驗(yàn)和交叉孔壓水試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果分析的平面滲源法和壓水試驗(yàn)反分析研究的聯(lián)合并用飽和非飽和非穩(wěn)定滲流問(wèn)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(yàn)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(yàn)交叉孔壓水試驗(yàn)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(shí)總是盡管千方百計(jì)地提高大壩的施工質(zhì)量，但是壩體一般仍然表現(xiàn)為強(qiáng)滲透各向異性體，滲透各向異性比總是會(huì)達(dá)到多個(gè)數(shù)量級(jí)，而且壩體層面和縫面切向的主滲透系數(shù)變化范圍大，準(zhǔn)確測(cè)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(lái)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(chǎng)快速地檢測(cè)和監(jiān)測(cè)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(méi)有一種成熟的方法和儀器能夠在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這些施工過(guò)程形成的結(jié)構(gòu)隙面進(jìn)行快速檢測(cè)，這是目前確保壩體施工質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題所在。筆者認(rèn)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(chǎng)的壓水試驗(yàn)。本文結(jié)合碾壓混凝土壩的施工和結(jié)構(gòu)特性，對(duì)壓水試驗(yàn)的理論和成果整理方法進(jìn)行較深入的探討和研究。本文著重闡述了如何可靠地對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)取得的壓水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jì)算建模與分析、滲控設(shè)計(jì)方案論證和縫面施工質(zhì)量的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等工作提供理論依據(jù)。1壓水試驗(yàn)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(wèn)題的連續(xù)方程為：（1）式中：飽和滲透系數(shù)張量；相對(duì)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(shí)間。1.2非飽和滲流問(wèn)題求解式（1）是一個(gè)非常復(fù)雜的微分控制方程，目前還無(wú)法找到其解析解，因?yàn)榉秋柡蛥^(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(gè)極度高次的非線(xiàn)性問(wèn)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(xiàn)性的。目前求解這一問(wèn)題的方法只能是通過(guò)介質(zhì)水分特性曲線(xiàn)來(lái)近似地確定水頭與飽和度及與相對(duì)透水率之間的關(guān)系，再用有限元等數(shù)值方法來(lái)迭代求解1-2，程序的開(kāi)發(fā)也是很不易的。1.3飽和滲流問(wèn)題求解鑒于式（1）問(wèn)題的復(fù)雜性和為了對(duì)常見(jiàn)工程問(wèn)題的求解以及滿(mǎn)足工程應(yīng)用推廣的需要，式（1）問(wèn)題經(jīng)常被簡(jiǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富的飽和穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流問(wèn)題進(jìn)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(yàn)理論分析迄今為止，對(duì)于碾壓混凝土壩層面和縫面施工質(zhì)量的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)一般只能通過(guò)壓水試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，且理論研究還不夠深入。壓水試驗(yàn)時(shí)，先在選定的方向上現(xiàn)場(chǎng)鉆孔，形成壓水孔，再在1段或3段壓水孔試驗(yàn)段中進(jìn)行壓水試驗(yàn)，通過(guò)觀測(cè)試驗(yàn)壓力和入滲流量，來(lái)評(píng)定試驗(yàn)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(yàn)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(duì)壓水試驗(yàn)進(jìn)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(yàn)方法3,4美國(guó)Hsieh和Neuman于1985年提出的交叉孔壓水試驗(yàn)（waterpressuretestwithcrossholes）的理論和方法，因這一方法有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，與常規(guī)壓水試驗(yàn)和三段正交壓水試驗(yàn)方法相比較，它具有幾個(gè)重要的特點(diǎn)：(1)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果精度；(2)可以在任何方向上進(jìn)行鉆孔布置，這無(wú)疑給試驗(yàn)工作帶來(lái)了極大的方便；(3)適當(dāng)變化壓水孔和觀測(cè)孔間的距離，由試驗(yàn)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(chǎng)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(yùn)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(píng)定巖體滲透系數(shù)張量時(shí)最常見(jiàn)因素，而此法不受它們的困擾；（5）與別的壓水試驗(yàn)方法不同，交叉孔壓水試驗(yàn)有其嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和解析解；而其他試驗(yàn)方法尤其是目前在我國(guó)仍然用得最為廣泛的常規(guī)壓水，均沒(méi)有嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)。因此，盡管這個(gè)方法的理論相當(dāng)復(fù)雜，但是筆者認(rèn)為它特別適合于對(duì)裂隙巖體滲透系數(shù)張量確定的試驗(yàn)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(qiáng)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(huì)有多個(gè)數(shù)量級(jí)，壩體滲透水流主要沿混凝土層面和縫面流動(dòng)，在試驗(yàn)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(yàn)滲流流態(tài)近似地視為平面徑向流滲流場(chǎng)問(wèn)題，從而據(jù)上述Hsieh和Neuman的交叉孔壓水試驗(yàn)理論和相關(guān)熱傳導(dǎo)理論6，設(shè)在一個(gè)無(wú)限大平面域內(nèi)事先假定各處初始水頭h為一個(gè)常量，筆者經(jīng)進(jìn)一步的理論推導(dǎo)，得到持續(xù)點(diǎn)源壓水條件下的試驗(yàn)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(cè)距壓水點(diǎn)源的距離；t時(shí)間。此式是一個(gè)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(yàn)觀測(cè)資料可以通過(guò)試算解得它的值。1.4.3常規(guī)壓水試驗(yàn)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(yàn)可被看成是在一無(wú)限大平面域內(nèi)的有壓點(diǎn)源試驗(yàn)，流態(tài)主要呈現(xiàn)為層流。單段壓水試驗(yàn)時(shí)，假定壓水孔周?chē)牧?