浅谈堤防设计中的非稳定渗流计算

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇浅谈堤防设计中的非稳定渗流计算范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】在建造堤防时，必须充分考虑到河流涨落过程中的非稳定渗流，并以此为依据采取科学、经济的控制渗流措施。具体而言，我们可以依据堤防内部的洪峰引起的湿润线推进模型，来推导出洪峰到来过程中堤防本身浸润距离的相关公式，具体包括透水程度和防止渗流措施两种堤基的计算方法。这种公式与相关的渗流实验计算数据相吻合。在某些特殊情况下，用正弦线条表示的特殊洪峰，也可以用简单的距离公式进行计算。我们还需要考虑没达到饱和状态的土壤的作用力如何计算，以及洪峰到来时堤防后侧水流的渗出量如何计算。

【关键词】堤防设计；非稳定渗流；计算方法

堤防和水库堤坝具有显著差别，主要体现在二者的功能上：水库的功能是长时间储存生活生产用水，水坝内部能够形成相对稳定的渗流；而堤防的功能主要是在河流汛期到来时抵挡洪水。我国的某些大型河流，洪水持续时间相对较长，但是某些山区的水流洪峰到来时间较短，一般为几天，或者几个小时。在这种情况下，堤防内部难以形成相对稳定的渗流，因此在设计建造此类堤防时，必须充分考虑水流涨落的渗流状况，在此基础上研究可行的控制渗流措施。目前，这一领域的学者多采用有限单元计算方法来计算非稳定渗流。本文结合简便的计算公式和堤防建造实例，来总结堤防设计中的非稳定渗流计算方法。

1 非稳定渗流浸润不透水堤防的过程

在河流水位升高的过程中，堤防内部的水分会逐渐达到饱和，浸润曲线也会逐渐向前推进。通过分析具体数据和模型试验结果可以得知：水位上升的速度越快，前锋线角度就越大，曲线就越陡峭。我们假定用影线来表示微分水量，用特定字母表示有效孔隙的渗水率，那么在堤防逐渐充满水的过程中，堤防内部水分与土壤的饱和程度等同。可以利用达西定理计算出经过特定时间之后，堤防的迎水面所渗透的水分含量。

由于水位上升的具体高度是上升所用时间的函数，因此，我们可以求出浸润前锋向前推进的长度。当洪峰经历的时间为已知数时，积分项就表示洪峰走过的时间轴与曲线时间相乘的面积。这种推导方式可以用来求解各种形状的洪峰推进过程，并求出洪峰在某一特定时刻的浸润距离。求解的重点应当放在洪峰的顶点以及洪峰最后所能到达的浸润距离上。此外，还需要关注非稳定渗流到达背水面的堤防脚下所用的时间。

我们以某个试验堤防为例，来测定洪峰浸润的具体过程，进而检验计算公式的准确程度。试验所用堤防的横截面用粉质土建成，堤防底部铺有一层约为30厘米的水分隔离层，主要材料为粘土。我们测量出了堤防的渗流以及土质的相关参数。通过观察洪峰上升的过程曲线可以得知：在开始的30小时之内，洪峰上升6米，而后这种上升速度持续了270小时，又经过30小时洪峰下降至最低位置。观察测量得出的浸润曲线可以推知：在经过了170小时之后，背水面的堤防脚下开始有水分渗出，经过300小时，渗出水位上升了1米，堤防的土层开始软化并呈现下滑趋势。

2 非稳定渗流浸润透水堤防的过程

在堤防本身可以渗透水分的情况下，我们假定堤基的高度和渗水系数为特定值，依据浸润过程，可以推知影线面积的含水量。这部分增量的水分依靠堤防前坡和堤防基础部位的进水量来填补。计算公式中应当给出一个分数形式的系数，这个系数随着堤防排水通畅程度的增加而减小。由此，我们可以求得洪峰结束之时能够到达的最大浸润距离。

我们以某河流的某次涨水时洪峰的曲线为例来计算。已知这一河流堤防的边坡角度、堤防建筑材料、干容重、孔隙覆盖率以及水分含量，就可以求得浸润距离。如果堤基上面覆盖有3米左右的粉土层或者砂层，在堤防背水面的脚下没有排水时，可以计算出最大的浸润距离。由这一计算结果可以推知：透水性能不好的粘土堤防在涨水时，堤防浸润的距离比较短，背坡也不会有水分渗出。但是，如果堤基内部含有夹砂的隔层，那么汛期到来时，这一层内的水分就会浸湿堤防的脚部和堤防下部的地表。如果地表上覆盖有透水性较差的隔离层，其下面是砂层，那么运用公式计算的前提应当是这一覆盖层已经被水冲刷掉，堤防基础部位可以达到与河流水位等同的高度。如果这一层覆盖面还没有被冲刷掉，则在具体计算时还要减掉水头损失。我们可以采用阻力系数法进行计算，还能够根据实际情况推导出垂直的防渗漏墙体被延缓浸润的效果。

透水与不透水地基上堤防非稳定渗流浸湿。

（1）不透水地基上提防非稳定渗流浸湿计算公式：

河水洪峰引起土堤内的浸湿过程，浸湿前锋推进的距离为：

式中： 为干土容重； 为水容重；n为土体孔隙率； nw为体积含水量；w为重量含水量；sw为饱和度。

（2）透水地基上提防非稳定渗流浸湿计算公式：

如果堤基透水，堤基深度为D，其渗透系数为 k1，t时刻的浸湿距离按下式计算：

洪峰结束时最远浸湿距离为：

3 未达到饱和土壤的吸力

在上述分析过程中，我们都假定一般饱和渗流的条件，但实际上，浸润前锋向着非饱和状态的土层推进时，除了受到在重力作用下流动的水的作用以外，还会受到分子的吸附作用力，这将使得浸润过程进展更快。通过分析某些非饱和土壤的吸压作用力试验可知：对于粘性土壤的实验曲线，可以给出吸力水头和含水量之间的关系式。计算的结果显示：在加入了吸力水头以后，堤防基础上面堤身受到的浸润作用影响更大。

4 堤防设计中的非稳定渗流计算规律

堤防内部的渗流过程缺乏稳定性，其计算主要依靠有限元的方法。我们应当在已有的研究成果基础上进一步深化研究，设计出相对简单的计算公式，供堤防设计人员参考，进而有效弥补堤防设计方案中存在的诸多缺陷。在实验基础上，我们总结出了几点堤防设计中的非稳定渗流计算规律：

首先，我们设计出的计算公式是建立在堤防浸润曲线呈现斜线状态移动的基础上的，这种假定符合数据计算和砂模实验的推进曲线，与水平方向的渗流线相比，这种曲线更加精确，也更能经得起公式的验证。

其次，在堤防基础部位含有砂层或者覆盖的双层地基时，其中水流的渗流对于堤防本身的补给方向是向上的，但是在公式积分的过程中却很难分离出这个变数。为了求得一个相对简单的公式，我们设置了一个补给水分含量的系数，