一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法技术

本发明专利技术涉及水利工程稳定性评价与监测预警领域，特别涉及一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法。一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，包括如下步骤：(1)堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定；(2)堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定；(3)堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定；(4)堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定；(5)堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警；(6)堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定。本发明专利技术方法可以在某种程度上克服传统预测评价方法存在的不足和局限性，在堤坝稳定性与风险评价领域具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水利工程稳定性评价与监测预警领域，特别涉及一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法。
技术介绍
堤坝是为了防止洪水、潮水泛滥而建造的构筑物，是我国防洪工程体系的重要组成部分。我国现有堤防27万多公里，保护耕地3220万顷，保护人口3.22亿。然而当前许多堤坝由于长期高水位渗透力的作用，使堤坝内土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致堤坝变形甚至失稳，常发生流土和管涌等渗透破坏变形，再加上自然和人为的破坏，多数堤坝存在着溃坝安全隐患。近年来洪灾发生的频率和严重程度都有不断加大的趋势，堤坝风险已成为制约我国水利工程安全与国民经济发展的重要因素之一。因此有必要对堤坝稳定性及其风险进行分析和评估，从而为堤坝稳定性与溃堤风险评价提供可靠的技术支持。目前国内外常用的堤坝稳定性与溃堤风险评价方法主要有如下几种：(1)工程地质类比法。该方法主要是将待评价目标堤坝与类似的历史溃坝案例进行对比来预估目标堤坝的稳定性及其风险，包括其潜在失事模式与风险率。然而由于堤坝失稳是在外部荷载和内部薄弱环节(包括材料缺陷、管理不当)等多种因素联合作用下发生发展的，其不确定性因素很大，即使工程特性相似度很高的两个堤坝，由于没有考虑堤坝的实际运行情况，因此不能单独用来预估目标堤坝的风险；(2)专家经验法。该方法是在堤坝风险初步分析中采用事件树法时应用专家经验确定溃坝概率的方法，主要从某一荷载状态或工况出发，依据事件发展的物理过程，对构成堤坝溃决的各要素进行逻辑分析，形成多种溃坝模式的工具，由具有丰富工程经验的专家判断并分析堤坝多溃决模式下的溃决概率。然而该方法过于依赖于专家经验和主观判断，如果专家经验不够丰富，则可能影响到所赋概率的正确性和准确性；(3)综合分析评价法。该类方法主要通过有针对性的评价方法对堤坝安全的多层次、多目标结构系统做出综合评价，可细分为动力系统方法，以及运用投影寻踪、集对分析、物元可拓分析、粗集理论、神经网络、模糊综合评价等一批新的方法。然而该方法评价体系的构建还不完善，且堤坝安全影响因素不易确定，其影响因素很难考虑周全，通过一些计算方法，只能定量考虑一些影响因素的影响程度和权重，其评价结果仍然不够可靠，具有一定的或然性和模糊性。
技术实现思路
针对上述传统堤坝稳定性评价及风险测定方法的不足，本专利技术提供了一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，通过对堤坝系统的勘测及室内土工试验，确定其横向剖面图及基本物理力学参数，进而确定其最短流径长度及最大渗透水力梯度，并求出堤坝发生渗透破坏时的临界水力梯度对应的堤坝临界渗透稳定平均宽度，通过将堤坝临界渗透稳定平均宽度与实际平均宽度进行比较，判断其是否稳定及其风险率，从而达到确定其稳定性及评价其溃堤风险大小的目的。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，包括如下步骤：步骤一：堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定；步骤二：堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定；步骤三：堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定；步骤四：堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定；步骤五：堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警；步骤六：堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定。步骤一所述的堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定方法为：测定堤坝的高度H、水位高度H0、坝顶宽度Da、坝底宽度Db，坝两侧坡度系数m1、m2，绘出堤坝横向剖面图；通过钻孔取样得到堤坝土体试样，运用土工室内试验测定堤坝土体试样土粒相对密度ds、土的孔隙率n、颗粒粒度组成以及粒径累计曲线。步骤二所述的堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定方法为：1)假设堤坝的坝坡入渗为均匀面状入渗，其入渗点取坝坡入渗实际水头高度的一半，则其出渗点位于入渗点高程以下的下游坝坡位置上，由渗流入渗流径几何关系确定任一渗流流径长度L与渗透水力梯度i：式中：h'为流径水位差；2)将式(2)对h'求导，得时，渗透水力梯度i最大，将代入式(1)(2)得最短流径长度Lmin与最大渗透水力梯度imax：步骤三所述的堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定方法为：1)堤坝发生流土时临界水力梯度的确定当渗流力γwi等于土的浮重度γ'时，土产生流土的临界状态，即：式中：icr1为堤坝发生流土时的临界水力梯度；2)堤坝发生管涌时临界水力梯度的确定式中：icr2为堤坝发生管涌时的临界水力梯度；d5、d20分别为小于该粒径的含量占总土重的5％和20％的颗粒粒径，其值根据室内试验得到的粒径累计曲线确定；根据icr1、icr2取两者最大值作为堤坝发生渗透破坏的临界水力梯度icr。步骤四所述的堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定方法为：堤坝的最大渗透水力梯度imax达到临界水力梯度icr时，堤坝发生渗透破坏，即堤坝临界渗透稳定平均宽度Dcr为：步骤五所述的堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警方法为：堤坝实际平均宽度D为：1)堤坝渗透稳定性评价将堤坝实际平均宽度D与临界渗透稳定平均宽度Dcr进行对比，若D＞Dcr，则判定堤坝稳定，若D≤Dcr，则判定堤坝不稳定；2)堤坝风险率的确定及风险等级的划分当判定堤坝不稳定时，其风险率R为：当R≤30％时，判定堤坝风险等级为小；当30％＜R≤60％时，判定堤坝风险等级为中；当R＞60％时，判定堤坝风险等级为大；根据上述风险率R的范围对堤坝进行不同等级的风险预警。步骤六所述的堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定方法为：在堤坝实际平均宽度D的前提下，当坝体内最大渗透水力梯度imax达到渗透破坏临界水力梯度icr时所对应的水头高度为堤坝渗透稳定性临界水头高度H'0：本专利技术步骤二的理论依据与基本原理如下：由于堤坝渗流场极为复杂，其入渗点与出渗点不易确定，因此假设堤坝的坝坡入渗为均匀面状入渗，其入渗点取坝坡入渗实际水头高度的一半，则其出渗点位于入渗点高程以下的下游坝坡位置上，其坝体可能渗流入渗流径如图5。因此设入渗点为坝体上游坝坡水位接触点与坡脚的中点(记为点A)，过点A作AB∥DC交下游坝坡于点B，并作AH⊥DC，垂足为点H。由渗流关系知，出渗点应在下游坝坡BC之间。为了计算各条流径长度，将渗透路径看作为直线，因此假设BC之间有一动点M，过动点M作动直线NM⊥AH，垂足为点N。过点B作辅助线BP⊥NM，垂足为点P。设流径水位差为h'，BP＝AN＝h'，在△BMP中，则PM＝h'm2。又故在△ANM中，由图中Da、Dc的关系得：Dc＝(m1+m2)(H-H0)+Da令则其流径长度L与渗透水力梯度i为：本专利技术步骤三的理论依据与基本原理如下：堤坝渗透破坏发生的主要原因是由于渗流力的作用，使堤坝内土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致堤坝变形甚至失稳，主要表现的渗透破坏变形为流土和管涌两种形式。1)土体在向上的渗流力作用下克服了向下的重力，土体就要发生浮起或受到破坏，这种在向上渗流力作用下，粒间有效应力为0时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流土现象。根据流土发生的条件，使土体开始发生流土现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr1，显然，渗流力γwi等于土的浮重度γ'时，土产生流土的临界状态，即：上式表明，临界水力梯度icr1与土性密切相关，研究表明，土的不均匀系数愈大，icr1愈小，土中细颗粒含量高，icr1值增大；土的渗透系数愈大，icr1愈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定；步骤二：堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定；步骤三：堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定；步骤四：堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定；步骤五：堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警；步骤六：堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定。

【技术特征摘要】
1.一种堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定；步骤二：堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定；步骤三：堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定；步骤四：堤坝临界渗透稳定平均宽度的确定；步骤五：堤坝渗透稳定性评价及溃坝风险预警；步骤六：堤坝渗透稳定性临界水头高度的确定。2.根据权利要求1所述的堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，其特征在于，步骤一所述的堤坝横向剖面图及其基本物理力学参数的确定方法如下：测定堤坝的高度H、水位高度H0、坝顶宽度Da、坝底宽度Db，坝两侧坡率m1、m2，绘出堤坝横向剖面图；通过钻孔取样得到堤坝土体试样，运用土工室内试验测定堤坝土体试样土粒相对密度ds、土的空隙率n、颗粒粒度组成以及粒径累计曲线。3.根据权利要求2所述的堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，其特征在于，步骤二所述的堤坝渗流最短流径长度及最大渗透水力梯度的确定方法如下：1)假设堤坝的坝坡入渗为均匀面状入渗，其入渗点取坝坡入渗实际水头高度的一半，则其出渗点位于入渗点高程以下的下游坝坡位置上，由渗流入渗流径几何关系确定任一渗流流径长度L与渗透水力梯度i：L=h′2+(D′+h′m2)2---(1)]]>i=ΔhL=h′(D′+h′m2)2+h′2---(2)]]>式中：h'为流径水位差；D′=Da+Db+(m1+m2)(H-H0)2;]]>2)将式(2)对h'求导，得时，渗透水力梯度i最大，将代入式(1)(2)得最短流径长度Lmin与最大渗透水力梯度imax：Lmin=1m22+(D′+1)2---(3)]]>imax=1[m2(D′+1)]2+1---(4).]]>4.根据权利要求3所述的堤坝渗透稳定性与溃堤风险的测定方法，其特征在于，步骤三所述的堤坝发生破坏时其临界水力梯度的确定方法如下：1)堤坝发生流土时临界水力梯度的确定当渗流力γwi等于土的浮重度γ'时，土产生流土的临界状...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺可强，郭璐，张冰，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37