一种水库运行期滑坡浸润线和推力优化计算方法技术

本申请涉及一种水库运行期的滑坡浸润线和推力优化计算方法，其包括步骤1、获取库水位波动曲线，并根据库水位波动曲线的关键特征点，概化出多年库水位运行概化曲线。步骤2、通过收集勘察报告，及现场调查和试验，获取滑坡的计算参数。步骤3、推导库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的计算公式，获取滑坡在库水位连续波动下的浸润线变化曲线。步骤4、在获取浸润线计算公式的基础上，计算获取库水位波动作用下滑坡的稳定性系数和剩余推力。本发明专利技术的有益效果是，计算获取的滑坡剩余推力和稳定性系数计算更加符合滑坡的真实状态；在保证安全的前提下，能有效节省工程造价，且这种解析解计算浸润线联合传递系数法的计算方法在工程中非常实用。

【技术实现步骤摘要】
一种水库运行期滑坡浸润线和推力优化计算方法
本专利技术涉及一种水库运行期滑坡浸润线和推力优化计算方法，属于地质灾害防治领域。
技术介绍
三峡工程于2003年6月正式蓄水发电，2008年以来，库水位每年在145～175m之间周期性波动。库水位周期性涨落是诱发水库库岸滑坡的主要因素之一。目前，库水位波动对滑坡稳定性的影响受到了广泛关注。地下水对滑坡稳定性具有决定性的影响，因此库区涉水滑坡稳定性分析需要首先确定坡体内浸润线的位置。目前水库滑坡防治工程设计中，通常采用库水位单次下降工况，如在三峡库区，使用175米单次下降至145米水位降落的极端工况，进行涉水滑坡内部的浸润线计算，进而基于剩余推力法计算获取滑坡的剩余推力和稳定性系数。这显然已经不符合近十年来三峡库区实际的运行工况。特别是对于库岸特大水力型滑坡，采用现有方法进行计算，往往使得获取的滑坡剩余推力和稳定性系数无法反映滑坡的真实状态，导致工程的安全储备及造价过高。基于上述的缺陷，有必要提供一种适用于水库运行期的滑坡浸润线和推力优化计算方法，为库区滑坡防治工程的设计提供技术支撑。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种适用于水库运行期的滑坡浸润线和推力优化计算方法。本专利技术的技术方案如下：一种水库运行期的滑坡浸润线和推力优化计算方法，引入了一维非稳定性渗流方程，在单次水位下降时浸润线公式解析解基础上，扩展得到了库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的计算公式。将库水位连续波动时库岸浸润线计算公式，引入滑坡稳定性计算的传递系数法中，计算获取滑坡在库水位连续波动时的稳定性和下滑力。本专利技术中库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的推导过程及计算原理如下：潜水面的渗流速度由达西定律计算，见公式(1)。对于一维渗流问题，其中潜水面高度仅随着x改变，与z无关，即H＝H(x，t)。因此，对于单宽流量可由公式(2)计算。其中ZL是隔水底板的高程，如果将基准面取在隔水底板处，则单宽流量可由公式(3)计算。单位流入量和流出量之差为该段地下水体积的变化量，有：△V＝q(x,t)△t-q(x+△x,t)△t(4)且△V＝[h(x,t+△t)-h(x,t)]△x.1.ud(5)则有：q(x,t)△t-q(x+△x,t)△t＝[h(x,t+△t)-h(x,t)]△x.1.ud(6)式中ud为重力给水度。方程(6)两边都除以△x△t，可得:令Δt→0，Δx→0，则得：将裘布衣方程(3)带入公式(8)，则有：公式(9)即为潜水的一维非稳定性运动微分方程Boussinesq布辛尼斯克方程，整理后写为公式(10)。这是一个二阶非线性偏微分方程，目前还没有求解析解的方法，通常采用简化方法。简化方法是将括号中的一个含水层厚度h近似地看作常量，用时段始、末潜水流厚度的平均值hm代替，即可得到简化的一维非稳定渗流运动方程为：在一维非稳定性渗流方程的基础上，推到获取库水位连续波动作用下岸坡浸润线计算公式。首先做以下几点基本假定：(1)含水层均质、各向同性，侧向无限延伸，具有水平不透水层；(2)初始潜水面水平；(3)潜水流为一维流；(4)库水位以V的速度等速变化；(5)库岸按垂直考虑、库水降幅内的库岸与大地相比小得多，为了简化将其视为垂直库岸。初始时刻，即t＝0时，各点水位为h(0，0)，设距库岸x处在t时刻的地下水位变幅为：u(x,t)＝h0,0-hx,t＝△hx,t(12)断面t＝0时的水位变幅为：u(x,0)＝h0,0-hx,t＝0；库水位以v的速度变化时，则在x＝0断面处，有：u(0,t)＝vt；在x＝∞的断面处，有：u(∞,t)＝0；由公式(12)可以把上述水位下降的半无限含水层中地下水非稳定渗流归结为下列数学模型：u(x,0)＝0，0<x<∞(14)u(0,t)＝vt，t>0(15)u(∞,t)＝0，t>0(16)将上述(13)～(16)表述的数学模型利用拉普拉斯积分变换和逆变换，可得到微分方程的解析解，如下：其中，令则式(12)可以修改为：hx,t＝h0,0-u(x,t)＝h0,0-vtf(λ)(18)直接使用f(λ)的表达式太复杂，因此前人对其进行了拟合，得到了公式(19)。则库水位单次等速变化时的浸润线方程如公式(20)所示。在库水位单次等速变化时的浸润线公式的基础上，可将t时刻库水位的高程写为ht，t-1时刻库水位的高程定义为ht-1，t-1时刻x位置的地下水位定义为hx,t-1。则在x位置，t时刻的浸润线可写为公式(21)(以隔水底板为基准线)。则扩展可得库水位连续变化下的浸润线公式(21～24)。hx,t＝hx,t-1-Stf(λ)，(t-1)≥0(21)St＝ht-1-ht(22)上式中，k为渗透系数，单位为m/d；hm为平均含水层厚度，单位为m；hx,t-1为t-1时刻的库岸坡体x位置的地下水浸润线高度，hx,t为t时刻的库岸坡体x位置的地下水浸润线高度，hx,0可由勘察资料获取；ht-1为t-1时刻库水位的高程；ht为t时刻库水位的高程，t至t-1时刻库水位波动幅度St可由库水位波动曲线计算获取；ud为给水度，其中，n为孔隙度，k为渗透系数(cm/s)。由库水位的波动曲线可计算获得不同时步下库水位的波动幅度St值，将St带入公式(21)，即可计算获取坡体不同位置在库水位连续波动的不同时步下的浸润线位置。在库水位连续波动的不同时步下的浸润线计算公式的基础上，库水位连续波动的不同时步下滑坡安全系数和剩余下滑力，计算公式如下：Ri,t＝Ni,ttanφi+cili(27)Ti,t＝Wi,tsinθi+△pi,tcosθi(28)Ni,t＝Wi,tcosθi-△pi,tsinθi-Ui,t(29)Wi,t＝γViu,t+γsatVid,t+Fi,t(31)上式中，Fs(t)为滑坡在t时刻的安全系数；为第i条块的剩余下滑力传递至i+1条块时的传递系数(j＝i)；Ri,t为第i条块在t时刻的抗滑力；Ti,t为第i条块在t时刻的下滑力；Ni,t为第i条块在t时刻在滑动面法线上的分力；ci为粘聚力；φi+1为内摩擦角；li为第i条块的滑动面长度；Wi,t为第i条块在t时刻的自重和地面荷载之和；θi为第i条块底面倾角，反倾时取负值；△pi,t为第i条块在t时刻的两侧静水压力的合力；Fi,t为第i条块在t时刻的坡面荷载，Ui,t为第i条块在t时刻的底部孔隙水压力。Viu,t为第i条块在t时刻的浸润线以上的体积；Vid,t为i条块在t时刻的浸润线以下的体积。根据库水位波动曲线，可由公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水库运行期滑坡浸润线和推力优化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、获取库水位波动曲线，如对于三峡库区，可通过多年监测水位线，获取175米蓄水以来，近十年的库水位波动曲线，并进一步根据库水位波动曲线的关键特征点，概化出多年库水位波动概化曲线；/n步骤2、通过收集勘察报告，并通过现场调查和试验，获取滑坡的工程地质参数，如滑坡材料参数、结构、地形、水文参数、滑带分布等特征；/n步骤3、引入一维非稳定性渗流方程，推导得到库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的计算公式，获取滑坡在多年平均库水位波动曲线下的浸润线变化曲线；/n步骤4、在获取浸润线计算公式的基础上，改进获取库水位连续波动下的传递系数法的计算公式，计算获取多年平均库水位波动作用下滑坡的稳定性系数和剩余推力。/n

【技术特征摘要】
1.一种水库运行期滑坡浸润线和推力优化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取库水位波动曲线，如对于三峡库区，可通过多年监测水位线，获取175米蓄水以来，近十年的库水位波动曲线，并进一步根据库水位波动曲线的关键特征点，概化出多年库水位波动概化曲线；
步骤2、通过收集勘察报告，并通过现场调查和试验，获取滑坡的工程地质参数，如滑坡材料参数、结构、地形、水文参数、滑带分布等特征；
步骤3、引入一维非稳定性渗流方程，推导得到库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的计算公式，获取滑坡在多年平均库水位波动曲线下的浸润线变化曲线；
步骤4、在获取浸润线计算公式的基础上，改进获取库水位连续波动下的传递系数法的计算公式，计算获取多年平均库水位波动作用下滑坡的稳定性系数和剩余推力。


2.如权力要求1所述的库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的计算公式，其特征在于，引入了一维非稳定性渗流方程，在单次水位下降时浸润线公式解析解基础上，扩展得到了库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的计算公式。


3.如权力要求1所述的库水位连续波动时库岸滑坡浸润线的计算公式，其特征在于，推导过程及计算原理如下：
潜水面的渗流速度由达西定律计算，见公式(1)：



对于一维渗流问题，其中潜水面高度仅随着x改变，与z无关，即H＝H(x,t)；因此，对于单宽流量可由公式(2)计算：



其中ZL是隔水底板的高程，如果将基准面取在隔水底板处，则单宽流量可由公式(3)计算：



单位流入量和流出量之差为该段地下水体积的变化量，有：
△V＝q(x,t)△t-q(x+△x,t)△t(4)
且△V＝[h(x,t+△t)-h(x,t)]△x.1.ud(5)
则有：
q(x,t)△t-q(x+△x,t)△t＝[h(x,t+△t)-h(x,t)]△x.1.ud(6)
式中ud为重力给水度；
方程(6)两边都除以△x△t，可得：



令Δt→0，Δx→0，则得：



将裘布衣方程(3)带入公式(8)，则有：



公式(9)即为潜水的一维非稳定性运动微分方程Boussinesq布辛尼斯克方程，整理后写为公式(10)：



这是一个二阶非线性偏微分方程，目前还没有求解析解的方法，通常采用简化方法；简化方法是将括号中的一个含水层厚度h近似地看作常量，用时段始、末潜水流厚度的平均值hm代替，即可得到简化的一维非稳定渗流运动方程为：



在一维非稳定性渗流方程的基础上，推到获取库水位连续波动作用下岸坡浸润线计算公式；首先做以下几点基本假定：(1)含水层均质、各向同性，侧向无限延伸，具有水平不透水层；(2)初始潜水面水平；(3)潜水流为一维流；(4)库水位以V的速度等速变化；(5)库岸按垂直考虑、库水降幅内的库岸与大地相比小得多，为了简化将其视为垂直库岸；
初始时刻，即t＝0时，各点水位为h(0,0),设距库岸x处在t时刻的地下水位变幅为：
u(x,t)＝h0,0-hx,t＝△hx,t(12)
断面t＝0时的水位变幅为：
u(x,0)＝h0,0-hx,t＝0；
库水位以v的速度变化时，则在x＝0断面处，有：u(0,t)＝vt；
在x＝∞的断面处，有：u(∞,t)＝0；
由公式(12)可以把上述水位下降的半无限含水层中地下水非稳定渗流归结为下列数学模型：



u(x,0)＝0，0<x<∞(14)
u(0,t)＝vt，t>0...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷跃平，张晨阳，闫慧，侯雪峰，肖明友，张天贵，马飞，张志斌，伍志石，
申请(专利权)人：重庆市地质矿产勘查开发局一零七地质队，
类型：发明
国别省市：重庆;50