CN113449437B - 一种黏土斜墙土石坝渗漏预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型黏土斜墙土石坝渗漏预警方法，通过计算坝基和黏土斜墙的最终沉降量，建立土石坝黏土斜墙孔隙比与渗透系数的理论关系，根据沉降监测资料确定土石坝黏土斜墙的沉降位移，进而确定土石坝黏土斜墙的孔隙比，然后确定土石坝黏土斜墙的基准理论渗透系数，再根据坝体内的测压管水位监测资料计算确定土石坝黏土斜墙的渗透系数比较项，对比分析两渗透系数确定土石坝黏土斜墙渗透系数的增益比，进而通过增益比的大小判定土石坝黏土斜墙渗漏危险预警等级。仅根据大坝沉降和浸润线的日常监测就可以方便快捷的对黏土斜墙土石坝渗漏进行科学的监测预警分析，预警方法稳定可靠，实际应用价值更高。

Description

一种黏土斜墙土石坝渗漏预警方法
技术领域
本发明属于黏土斜墙土石坝渗漏预警领域，具体涉及一种基于沉降联合浸润线监测的黏土斜墙土石坝渗漏预警方法。
背景技术
目前，黏土斜墙土石坝的渗流监测多采用测压管监测，并通过对测压管监测数据进行分析判断土石坝的浸润线和渗流特性，进而根据浸润线的变化判断土石坝的渗漏风险，但是由于测压管无法监测土石坝黏土斜墙中浸润线的变化，使得土石坝的渗漏风险监测存在缺陷。此外，土石坝也有采用渗透系数反演分析的方法对坝体黏土斜墙的防渗效果进行分析，但其多采用BP神经网络、数值模拟等方法，BP神经网络方法需要对大量数据进行训练，主要依靠非线性映射关系建立各参数与渗透系数之间的联系，缺乏科学的物理力学理论支撑，其结果的准确性存在不确定性。数值模拟是依据实际工程和相关物理力学参数建立数学模型进行计算，其结果较为准确，但其准确度主要依靠选用计算法则和边界条件及相关物理力学参数，建模过程较为繁琐。
发明内容
本发明为了克服现有土石坝渗漏监测预警的不足与缺陷，提出一种基于沉降联合浸润线监测的黏土斜墙土石坝渗漏预警方法。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种黏土斜墙土石坝渗漏预警方法，包括以下步骤：
步骤A、确定黏土斜墙土石坝相关参数，并绘制黏土斜墙土石坝和坝基的典型断面图；
步骤B、确定黏土斜墙土石坝坝基最终沉降量：获得坝体各填料层的附加应力以及坝基沉降计算深度，并对坝基沉降计算深度内的土层进行分层，以实现对坝基最终沉降量的计算；
步骤C、确定土石坝黏土斜墙最终竖直沉降量S3∞：
Figure GDA0003523296350000011
Figure GDA0003523296350000012
Figure GDA0003523296350000013
S3∞＝S2∞cosθ
式中：S2∞为土石坝黏土斜墙土层垂直于黏土斜墙产生的一维压缩最终沉降量；S3∞为土石坝黏土斜墙土层最终竖直沉降量；θ为土石坝黏土斜墙下游面的坡角；Hmax为垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大距离；
Figure GDA0003523296350000021
为土石坝黏土斜墙内部在其上游面三角形分布荷载的作用下的平均附加应力系数；
Figure GDA0003523296350000022
为土石坝黏土斜墙内部在其上游面三角形分布荷载的作用下垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大平均附加应力；p为土石坝黏土斜墙上游面的三角形分布荷载最大值；l为土石坝黏土斜墙上游面的长度；
Figure GDA0003523296350000023
为上游砂砾石填料的重度；
Figure GDA0003523296350000024
为上游中粗砂过渡料的重度；
Figure GDA0003523296350000025
为上游砂砾石填料的体积；
Figure GDA0003523296350000026
为上游中粗砂过渡料的体积；a为土石坝黏土斜墙压缩系数；
Figure GDA0003523296350000027
为土石坝黏土斜墙泊松比；
Figure GDA0003523296350000028
为土石坝黏土斜墙初始孔隙比；
步骤D、确定土石坝黏土斜墙沉降和总孔隙比的关系，得到土石坝黏土斜墙总孔隙比e；
步骤E、确定土石坝黏土斜墙孔隙比与渗透系数的关系，得到基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数k；
基于有效孔隙比计算确定土石坝黏土斜墙渗透系数：
Figure GDA0003523296350000029
Figure GDA00035232963500000210
式中：eu为土石坝黏土斜墙有效孔隙比；α0为黏性土中结合水质量占土体刚好处于液限时孔隙水总质量的比例，0<α0<1；ρw为水的密度；ρs为土石坝黏土斜墙土颗粒的密度；WL为土石坝黏土斜墙黏性土液限；Cv为土石坝黏土斜墙黏性土固结系数；γwz为自由水重度；
步骤F、确定土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3；
步骤G、确定基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数：
Figure GDA00035232963500000211
H为日常观测确定的库水面高度，r3为库水自由面与土石坝黏土斜墙上游面处交点距土石坝下游坝脚的水平距离，
Figure GDA00035232963500000212
为基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数；
步骤H、基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数和基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数对土石坝黏土斜墙渗漏危险预警等级进行判定。
进一步的，所述步骤B具体包括以下步骤：
B1、确定坝体各填料层的附加应力；
B2、确定坝基沉降计算深度：首先根据附加应力确定坝基附加应力，将坝体附加应力等于坝基自重竖向应力20％处的深度确定为计算深度；
B3、对坝基沉降计算深度内的土层进行分层；
B4、确定坝基最终沉降量31∞：
Figure GDA0003523296350000031
式中：Hi为第i层坝基土层厚度；pzi为第i层坝基土层的附加应力；ai为第i层坝基土层压缩系数；μi为第i层坝基土层泊松比；e0i为第i层坝基土层初始孔隙比，pzi为第i层坝基土层的附加应力，n为坝体填料层数量。
进一步的，所述步骤B1中，在计算各填料层的自重应力时，将各层填料作为单独一层，各层填料在断面图上等面积近似替换为基本规则图形，自重应力pczi如下：
pczi＝γiVi
式中：γi为各填料层的天然重度；Vi为各填料层的体积。
所述步骤B2中，坝基可压缩层厚度取坝体底面至基岩面间的垂直距离Y，B为坝底宽度，有：
当高坝
Figure GDA0003523296350000032
中坝
Figure GDA0003523296350000033
时，不考虑坝基中的应力扩散，即
Figure GDA0003523296350000034
当
Figure GDA0003523296350000035
不满足上述要求时，根据下式确定第i层坝基土层的附加应力pzi：
Figure GDA0003523296350000036
式中：pzi为第i层坝基土层的附加应力；
Figure GDA0003523296350000037
为平均附加应力系数，qi为第i层坝基土层顶面的荷载，将不规则荷载化为矩形和三角形荷载进行叠加计算；n为坝体填料层数量。
进一步的，所述步骤B3中，在对坝基进行分层时，当坝基均质时，分层厚度不大于坝底宽度的1/4，当坝基非均质时，按坝基土的类别和性质分层，且每层厚度不大于坝底宽度的1/4，在土层界面、地下水位处设为分层界面。
进一步的，所述步骤D具体通过以下方式实现，计算土石坝黏土斜墙顶部竖直沉降量S3及土石坝黏土斜墙总孔隙比e：
Figure GDA0003523296350000038
Figure GDA0003523296350000039
Figure GDA00035232963500000310
式中：S为土石坝坝顶面沉降量；S3为土石坝黏土斜墙顶部沉降量；S2为土石坝黏土斜墙土层垂直于黏土斜墙面产生的一维压缩沉降量；Hmax为垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大距离；e为土石坝黏土斜墙总孔隙比；
Figure GDA00035232963500000311
为土石坝黏土斜墙初始孔隙比。
进一步的，所述步骤F中，根据步骤A确定的土石坝下游砂砾石填料渗透系数k2、日常观测确定的坝顶测压管的水位H1和下游台阶处测压管的水位H2，根据下式确定土石坝下游砂砾石填料的渗流量Q：
Figure GDA0003523296350000041
进而得到土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3：
Figure GDA0003523296350000042
式中：r1为下游台阶处测压管距土石坝下游坝脚的水平距离；r2为坝顶测压管距土石坝下游坝脚的水平距离；r4为土石坝黏土斜墙下游面处的水位溢出点距土石坝下游坝脚的水平距离。
进一步的，所述步骤H根据土石坝黏土斜墙渗透系数的增益比预警判定，具体为：
(1)当δ<0.5时，土石坝黏土斜墙无渗漏危险，无需预警；
(2)当0.5≤δ<1时，土石坝黏土斜墙存在轻微渗漏危险，启用蓝色预警，需加强日常浸润线监测，判断是否存在发展趋势；
(3)当1≤δ<1.5时，土石坝黏土斜墙存在一般渗漏危险，启用黄色预警，需加强日常浸润线监测，判断是否存在发展趋势，并及时检查分析土石坝黏土斜墙渗透系数增大的原因，判断土石坝黏土斜墙的自愈能力是否可以解决；
(4)当1.5≤δ<2时，土石坝黏土斜墙存在较严重渗漏危险，启用橙色预警，需加强日常浸润线监测，判断是否存在发展趋势，并及时进行现场岩土测试，查明土石坝黏土斜墙渗透系数增大的原因，并根据相应原因制定科学合理的解决措施；
(5)当δ≥2时，土石坝黏土斜墙存在严重渗漏危险，启用红色预警，需及时利用工程措施堵漏，并派人24小时测量观察记录，并组织专家查勘评审，查明土石坝黏土斜墙渗透系数增大的原因，制定相应解决方案。
进一步的，所述土石坝黏土斜墙渗透系数的增益比δ为：
Figure GDA0003523296350000043
其中，k为基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数，
Figure GDA0003523296350000044
为基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案通过计算坝基和黏土斜墙的最终沉降量，建立土石坝黏土斜墙孔隙比与渗透系数的理论关系，基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数和基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数对土石坝黏土斜墙渗漏危险预警等级进行判定，简化了边界条件和相关参数的选取，将大坝沉降和浸润线通过孔隙比和渗透系数紧密联系，该方法计算简便，边界条件明确，使得仅根据大坝沉降和浸润线的日常监测就可以方便快捷的对黏土斜墙土石坝渗漏进行科学的监测预警分析，判定结果更加稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例所述预警方法的流程示意图；
图2为本发明实施例涉及的黏土斜墙土石坝结构原理示意图；
其中，1、上游砂砾石填料；2、中粗砂过渡料；3、黏土斜心墙；4、中粗砂过渡料；5、下游砂砾石填料；6、砂卵石地基；7、黏土地基；8、岩石地基；9、土石坝黏土斜墙顶部的坝顶面竖直位移监测点。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本发明结合《土力学》和《水力学》中的相关理论，通过计算坝基和黏土斜墙的最终沉降量，建立土石坝黏土斜墙孔隙比与渗透系数的理论关系，根据沉降监测资料确定土石坝黏土斜墙的沉降位移，进而确定土石坝黏土斜墙的孔隙比，然后确定土石坝黏土斜墙的基准理论渗透系数，再根据坝体内的测压管水位监测资料计算确定土石坝黏土斜墙的渗透系数比较项，对比分析两渗透系数确定土石坝黏土斜墙渗透系数的增益比，进而通过增益比的大小判定土石坝黏土斜墙渗漏危险预警等级，其流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、确定黏土斜墙土石坝相关参数，并绘制黏土斜墙土石坝和坝基的典型断面图；
步骤二、确定黏土斜墙土石坝坝基最终沉降量(黏土斜墙土石坝代表土石坝的一种类型，为专有名词)；
步骤三、确定土石坝黏土斜墙最终竖直沉降量(土石坝黏土斜墙代表黏土斜墙土石坝其中的一个组成部分)；
步骤四、确定土石坝黏土斜墙沉降和总孔隙比的关系；
步骤五、确定土石坝黏土斜墙孔隙比与渗透系数的关系；
步骤六、确定土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度；
步骤七、确定基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数；
步骤八、土石坝黏土斜墙渗漏危险预警等级的判定；
具体的，下面结合具体案例对本发明方案做详细的介绍：
步骤一：黏土斜墙土石坝相关参数和模型的确定：
在黏土斜墙土石坝竣工时，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)、《水利水电工程地质测绘规程》(SL/T299-2020)和《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2018)等规范中的相关规定，通过勘察确定黏土斜墙土石坝的相关物理力学参数，包括：各填料层的天然重度γi、各填料层的体积Vi、坝基可压缩层厚度Y(取坝体底面至基岩面间的垂直距离，本实施例取12m)、坝底宽度B(B＝162m)、坝基各土层压缩系数ai、坝基各土层泊松比μi(如表1)、土石坝黏土斜墙下游面的坡角θ，取θ＝27°)、土石坝黏土斜墙土层的天然重度γ，取γ＝19.8kN/m3(饱和重度为20.519.8kN/m3)、土石坝黏土斜墙压缩系数a，取a＝0.3MPa-1＝0.3×10-3kPa-1、土石坝黏土斜墙泊松比
Figure GDA0003523296350000061
取
Figure GDA0003523296350000062
土石坝黏土斜墙初始孔隙比
Figure GDA0003523296350000063
取
Figure GDA0003523296350000064
结合水占液限的比例系数α0(α0＝0.9)、水的密度ρw(ρw＝0.001kg/cm3)、土石坝黏土斜墙土颗粒的密度ρs(ρs＝0.00272kg/cm3)、土石坝黏土斜墙黏性土液限WL(WL＝22)、土石坝黏土斜墙黏性土固结系数Cv(Cv＝4.38×10-6m2/s)、自由水重度γwz(γwz＝10kN/m3)、垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大距离Hmax(Hmax＝4.7276m)，下游台阶处测压管距土石坝下游坝脚的水平距离r2(r2＝51m)、坝顶测压管距土石坝下游坝脚的水平距离r1(r1＝81m)、土石坝下游砂砾石填料渗透系数k2(k2＝5.498×10-4m/s)、库水自由面与土石坝黏土斜墙上游面处交点距土石坝下游坝脚的水平距离r3(根据日常观测确定)。并绘制黏土斜墙土石坝和坝基的典型断面图，将沉降计算深度和渗流计算深度最大值以下的地基概化为一辅助层，该层不计算沉降和渗流(见图2)。
表1土石坝的相关物理力学参数
Figure GDA0003523296350000065
注：(1)各填料层的体积Vi取土石坝长度方向的1m作为计算厚度，
(2)下角标i表示土层标号。
步骤二：黏土斜墙土石坝坝基最终沉降量的确定
1、坝体各填料层的自重应力的确定
黏土斜墙土石坝坝体一般组成主要包括上游浆砌石护坡、上游砂砾石填料、上游中粗砂过渡料、黏土斜心墙、下游中粗砂过渡料、下游砂砾石填料、下游浆砌石护坡。
将各层填料作为单独一层，各层填料在断面图上等面积近似替换为基本规则图形，根据公式(1)计算各填料层的自重应力pczi，考虑最不利情况，计算时选用各填料层的天然重度γi；
pczi＝γiVi (1)
式中：γi为各填料层的天然重度；Vi为各填料层的体积。
2、坝基沉降计算深度的确定
坝基可压缩层厚度取坝体底面至基岩面间的垂直距离Y，B为坝底宽度。
当高坝
Figure GDA0003523296350000071
中坝
Figure GDA0003523296350000072
不考虑坝基中的应力扩散，即
Figure GDA0003523296350000073
当
Figure GDA0003523296350000074
不满足上述要求时，根据公式(2)确定坝基中第i层坝基土层的附加应力pzi：
Figure GDA0003523296350000075
式中：pzi为第i层坝基土层的附加应力；
Figure GDA0003523296350000076
为平均附加应力系数，取值详见《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)附录K；qi为第i层坝基土层顶面的荷载，将不规则荷载化为矩形和三角形荷载进行叠加计算；n为坝体填料层数量。进而将坝体附加应力等于坝基自重竖向应力20％处的深度确定为计算深度。
3、坝基的分层
当坝基均质时，分层厚度不大于坝底宽度的1/4，当坝基非均质时，按坝基土的类别和性质分层，但每层厚度不大于坝底宽度的1/4，在土层界面、地下水位处设为分层界面，利用上述原则对坝基沉降计算深度内的土层进行分层。
由于坝基可压缩土层分为2m厚的砂卵石地基和10m厚的黏土地基，厚度均小于坝底宽度的1/4，因此将坝基可压缩土层按照土层界面设为分层界面，分为2层。将基岩面作为不可压缩界面，所以计算深度为12m。根据公式(2)确定两坝基可压缩土层的坝基土层的附加应力，如表2所示：
表2两坝基可压缩土层的坝基土层的附加应力
Figure GDA0003523296350000077
4、坝基最终沉降量的确定
根据公式(3)确定坝基最终沉降量S1∞：
Figure GDA0003523296350000078
式中：Hi为第i层坝基土层厚度；pzi为第i层坝基土层的附加应力；ai为第i层坝基土层压缩系数；μi为第i层坝基土层泊松比；e0i为第i层坝基土层初始孔隙比。
步骤三：土石坝黏土斜墙最终竖直沉降量的确定
1、基本计算假定：
(1)由于土石坝坝体外壳主要由砂卵土组成，在施工期沉降已大体完成，黏土斜墙自重作用而产生的沉降，在施工期已大体完成，蓄水期只考虑库水、上游浆砌石护坡、上游砂砾石填料、中粗砂过渡料产生的压力促使黏土斜墙产生的沉降。
(2)由于上游砂壳较薄，忽略上游砂壳渗透系数对水渗流的影响，假设黏土斜墙上游自由水面水平。
(3)假设黏土斜墙为不透水层，坝前平均水位为正常蓄水位和防洪限制水位按月份的加权平均值。
(4)假设仅计算库水、上游浆砌石护坡、上游砂砾石填料、中粗砂过渡料产生的压力垂直于黏土斜墙产生的一维压缩沉降。
(5)土石坝黏土斜墙的应力与应变呈线性关系。
2、土石坝黏土斜墙顶部荷载的确定
根据土石坝黏土斜墙的上游砂砾石填料、上游中粗砂过渡料的形状，将其荷载等面积近似代换为三角形分布荷载，根据公式(4)确定土石坝黏土斜墙上游面的三角形分布荷载最大值p。
Figure GDA0003523296350000081
式中：l为土石坝黏土斜墙上游面的长度；
Figure GDA0003523296350000082
为上游砂砾石填料的重度；
Figure GDA0003523296350000083
为上游中粗砂过渡料的重度；
Figure GDA0003523296350000084
为上游砂砾石填料的体积；
Figure GDA0003523296350000085
为上游中粗砂过渡料的体积；θ为土石坝黏土斜墙下游面的坡角。
3、土石坝黏土斜墙最终竖直沉降量的确定
根据公式(5-7)确定土石坝黏土斜墙最终竖直沉降量S3∞：
Figure GDA0003523296350000086
Figure GDA0003523296350000087
S3∞＝S2∞cosθ＝23.32mm (7)
式中：S2∞为土石坝黏土斜墙土层垂直于黏土斜墙产生的一维压缩最终沉降量；S3∞为土石坝黏土斜墙土层最终竖直沉降量；θ为土石坝黏土斜墙下游面的坡角；Hmax为垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大距离；
Figure GDA0003523296350000088
为土石坝黏土斜墙内部在其上游面三角形分布荷载的作用下的平均附加应力系数(取值详见《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)附录K)；
Figure GDA0003523296350000091
为土石坝黏土斜墙内部在其上游面三角形分布荷载的作用下垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大平均附加应力；a为土石坝黏土斜墙压缩系数，土石坝黏土斜墙土层均质统一，故各土层的压缩系数一致；
Figure GDA0003523296350000092
为土石坝黏土斜墙泊松比；
Figure GDA0003523296350000093
为土石坝黏土斜墙初始孔隙比。
步骤四：土石坝黏土斜墙沉降和总孔隙比的关系确定
根据相关土石坝监测规范，在土石坝黏土斜墙顶部的坝顶面设置竖直沉降监测点，定时定点定人进行日常测量，测得某日该竖直沉降量S为18.62mm，由于该竖直沉降量S由土石坝黏土斜墙竖直沉降量和坝基竖直沉降量两部分组成，根据式(8-10)计算土石坝黏土斜墙顶部竖直沉降量S3及土石坝黏土斜墙总孔隙比e：
Figure GDA0003523296350000094
Figure GDA0003523296350000095
Figure GDA0003523296350000096
式中：S为土石坝坝顶面沉降量；S3为土石坝黏土斜墙顶部沉降量；S2为土石坝黏土斜墙土层垂直于黏土斜墙面产生的一维压缩沉降量；Hmax为垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大距离；e为土石坝黏土斜墙总孔隙比。
步骤五：土石坝黏土斜墙孔隙比与渗透系数的关系确定
本方案基于有效孔隙比计算确定基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数k，具体计算公式如下：
Figure GDA0003523296350000097
Figure GDA0003523296350000098
式中：eu为土石坝黏土斜墙有效孔隙比；e为土石坝黏土斜墙总孔隙比；α0为黏性土中结合水质量占土体刚好处于液限时孔隙水总质量的比例(0<α0<1)，称之为结合水占液限的比例系数，对于某一特定的黏性土，α0可近似为常数；ρw为水的密度；ρs为土石坝黏土斜墙土颗粒的密度；WL为土石坝黏土斜墙黏性土液限；k为基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数；Cv为土石坝黏土斜墙黏性土固结系数；γwz为自由水重度；a为土石坝黏土斜墙压缩系数。
步骤六：土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度的确定
根据步骤一确定的土石坝下游砂砾石填料渗透系数k2(5.498×10-4m/s)、日常观测确定的坝顶测压管的水位H1(17.3058m)和下游台阶处测压管的水位H2(16.3512m)，根据公式(13)确定土石坝下游砂砾石填料的渗流量Q：
Figure GDA0003523296350000101
根据公式(14)并利用试算法确定土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3：
Figure GDA0003523296350000102
r4＝110.5m
式中：r1为下游台阶处测压管距土石坝下游坝脚的水平距离；r2为坝顶测压管距土石坝下游坝脚的水平距离；r4为土石坝黏土斜墙下游面处的水位溢出点距土石坝下游坝脚的水平距离。
首先假设r4的距离，将其带入公式(14)试算H3，代入图2中测量土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3和距土石坝下游坝脚的水平距离r4，并与假设的r4进行比较，两者不相等时，修改r4试算H3直至两者相等，确定土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3。
步骤七：土石坝黏土斜墙渗透系数的确定
根据步骤六确定土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3和日常观测确定的库水面高度H(29.1387m)、库水自由面与土石坝黏土斜墙上游面处交点距土石坝下游坝脚的水平距离r3(90.6102m)，利用公式(15)确定基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数
Figure GDA0003523296350000103
Figure GDA0003523296350000104
式中：r3为库水自由面与土石坝黏土斜墙上游面处交点距土石坝下游坝脚的水平距离。
步骤八：土石坝黏土斜墙渗漏危险预警等级的判定
根据步骤四和步骤七确定的k和
Figure GDA0003523296350000105
利用公式(16)确定土石坝黏土斜墙渗透系数的增益比δ：
Figure GDA0003523296350000106
(1)当δ<0.5时，土石坝黏土斜墙无渗漏危险，无需预警；
(2)当0.5≤δ<1时，土石坝黏土斜墙存在轻微渗漏危险，启用蓝色预警，需加强日常浸润线监测，判断是否存在发展趋势；
(3)当1≤δ<1.5时，土石坝黏土斜墙存在一般渗漏危险，启用黄色预警，需加强日常浸润线监测，判断是否存在发展趋势，并及时检查分析土石坝黏土斜墙渗透系数增大的原因，判断土石坝黏土斜墙的自愈能力是否可以解决；
(4)当1.5≤δ<2时，土石坝黏土斜墙存在较严重渗漏危险，启用橙色预警，需加强日常浸润线监测，判断是否存在发展趋势，并及时进行现场岩土测试，查明土石坝黏土斜墙渗透系数增大的原因，并根据相应原因制定科学合理的解决措施；
(5)当δ≥2时，土石坝黏土斜墙存在严重渗漏危险，启用红色预警，需及时利用工程措施堵漏，并派人24小时测量观察记录，并组织专家查勘评审，查明土石坝黏土斜墙渗透系数增大的原因，制定相应解决方案。
根据上述判定准则，由于0.5≤δ＝0.974<1，判定土石坝黏土斜墙存在轻微渗漏危险，此时启用蓝色预警，并加强日常浸润线监测，判断是否存在发展趋势。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种黏土斜墙土石坝渗漏预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、确定黏土斜墙土石坝相关参数，并绘制黏土斜墙土石坝和坝基的典型断面图；
步骤B、确定黏土斜墙土石坝坝基最终沉降量：获得坝体各填料层的附加应力以及坝基沉降计算深度，并对坝基沉降计算深度内的土层进行分层，以实现对坝基最终沉降量的计算；
步骤C、确定土石坝黏土斜墙最终竖直沉降量S3∞：
Figure FDA0003523296340000011
Figure FDA0003523296340000012
Figure FDA0003523296340000013
S3∞＝S2∞cosθ
式中：S2∞为土石坝黏土斜墙土层垂直于黏土斜墙产生的一维压缩最终沉降量；S3∞为土石坝黏土斜墙土层最终竖直沉降量；θ为土石坝黏土斜墙下游面的坡角；Hmax为垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大距离；
Figure FDA0003523296340000014
为土石坝黏土斜墙内部在其上游面三角形分布荷载的作用下的平均附加应力系数；
Figure FDA0003523296340000015
为土石坝黏土斜墙内部在其上游面三角形分布荷载的作用下垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大平均附加应力；p为土石坝黏土斜墙上游面的三角形分布荷载最大值；l为土石坝黏土斜墙上游面的长度；
Figure FDA0003523296340000016
为上游砂砾石填料的重度；
Figure FDA0003523296340000017
为上游中粗砂过渡料的重度；
Figure FDA0003523296340000018
为上游砂砾石填料的体积；
Figure FDA0003523296340000019
为上游中粗砂过渡料的体积；a为土石坝黏土斜墙压缩系数；
Figure FDA00035232963400000110
为土石坝黏土斜墙泊松比；
Figure FDA00035232963400000111
为土石坝黏土斜墙初始孔隙比；
步骤D、确定土石坝黏土斜墙沉降和总孔隙比的关系，得到土石坝黏土斜墙总孔隙比e；
Figure FDA00035232963400000112
Figure FDA00035232963400000113
Figure FDA00035232963400000114
式中：S为土石坝坝顶面沉降量；S3为土石坝黏土斜墙顶部沉降量；S2为土石坝黏土斜墙土层垂直于黏土斜墙面产生的一维压缩沉降量；Hmax为垂直于土石坝黏土斜墙底部土层面方向的最大距离；e为土石坝黏土斜墙总孔隙比；
Figure FDA00035232963400000116
为土石坝黏土斜墙初始孔隙比；
步骤E、确定土石坝黏土斜墙孔隙比与渗透系数的关系，得到基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数k；
基于有效孔隙比计算确定土石坝黏土斜墙渗透系数：
Figure FDA00035232963400000115
Figure FDA0003523296340000021
式中：eu为土石坝黏土斜墙有效孔隙比；α0为黏性土中结合水质量占土体刚好处于液限时孔隙水总质量的比例，0<α0<1；ρw为水的密度；ρs为土石坝黏土斜墙土颗粒的密度；WL为土石坝黏土斜墙黏性土液限；Cv为土石坝黏土斜墙黏性土固结系数；γwz为自由水重度；
步骤F、确定土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3；
步骤G、确定基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数：
Figure FDA0003523296340000022
H为日常观测确定的库水面高度，r3为库水自由面与土石坝黏土斜墙上游面处交点距土石坝下游坝脚的水平距离，
Figure FDA0003523296340000023
为基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数；
步骤H、基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数和基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数对土石坝黏土斜墙渗漏危险预警等级进行判定；具体根据土石坝黏土斜墙渗透系数的增益比预警判定，具体为：
(1)当δ<0.5时，土石坝黏土斜墙无渗漏危险；
(2)当0.5≤δ<1时，土石坝黏土斜墙存在轻微渗漏危险；
(3)当1≤δ<1.5时，土石坝黏土斜墙存在一般渗漏危险；
(4)当1.5≤δ<2时，土石坝黏土斜墙存在较严重渗漏危险；
(5)当δ≥2时，土石坝黏土斜墙存在严重渗漏危险；
其中，所述土石坝黏土斜墙渗透系数的增益比δ为：
Figure FDA0003523296340000024
其中，k为基于沉降确定的土石坝黏土斜墙渗透系数，
Figure FDA0003523296340000025
为基于浸润线观测确定的土石坝黏土斜墙渗透系数。
2.根据权利要求1所述的黏土斜墙土石坝渗漏预警方法，其特征在于，所述步骤B具体包括以下步骤：
B1、确定坝体各填料层的附加应力；
B2、确定坝基沉降计算深度：首先根据附加应力确定坝基附加应力，将坝体附加应力等于坝基自重竖向应力20％处的深度确定为计算深度；
B3、对坝基沉降计算深度内的土层进行分层；
B4、确定坝基最终沉降量S1∞：
Figure FDA0003523296340000031
式中：Hi为第i层坝基土层厚度；pzi为第i层坝基土层的附加应力；ai为第i层坝基土层压缩系数；μi为第i层坝基土层泊松比；e0i为第i层坝基土层初始孔隙比，pzi为第i层坝基土层的附加应力，n为坝体填料层数量。
3.根据权利要求2所述的黏土斜墙土石坝渗漏预警方法，其特征在于：所述步骤B1中，在计算各填料层的自重应力时，将各层填料作为单独一层，各层填料在断面图上等面积近似替换为基本规则图形，自重应力pczi如下：
pczi＝γiVi
式中：γi为各填料层的天然重度；Vi为各填料层的体积；
所述步骤B2中，坝基可压缩层厚度取坝体底面至基岩面间的垂直距离Y，B为坝底宽度，有：
当高坝
Figure FDA0003523296340000032
中坝
Figure FDA0003523296340000033
时，不考虑坝基中的应力扩散，即
Figure FDA0003523296340000034
当
Figure FDA0003523296340000035
不满足上述要求时，根据下式确定第i层坝基土层的附加应力pzi：
Figure FDA0003523296340000036
式中：pzi为第i层坝基土层的附加应力；
Figure FDA0003523296340000037
为平均附加应力系数，qi为第i层坝基土层顶面的荷载，将不规则荷载化为矩形和三角形荷载进行叠加计算；n为坝体填料层数量。
4.根据权利要求2所述的黏土斜墙土石坝渗漏预警方法，其特征在于：所述步骤B3中，在对坝基进行分层时，当坝基均质时，分层厚度不大于坝底宽度的1/4，当坝基非均质时，按坝基土的类别和性质分层，且每层厚度不大于坝底宽度的1/4，在土层界面、地下水位处设为分层界面。
5.根据权利要求1所述的黏土斜墙土石坝渗漏预警方法，其特征在于：所述步骤F中，根据步骤A确定的土石坝下游砂砾石填料渗透系数k2、日常观测确定的坝顶测压管的水位H1和下游台阶处测压管的水位H2，根据下式确定土石坝下游砂砾石填料的渗流量Q：
Figure FDA0003523296340000038
进而得到土石坝黏土斜墙下游面处的水位高度H3：
Figure FDA0003523296340000039
式中：r1为下游台阶处测压管距土石坝下游坝脚的水平距离；r2为坝顶测压管距土石坝下游坝脚的水平距离；r4为土石坝黏土斜墙下游面处的水位溢出点距土石坝下游坝脚的水平距离。
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