水利学报2004年7月SHUILIXUEBAO第7期1文章编号0559-9350(2004)07-0074-07堤防盖重压渗可视化设计系统刘川顺黄站峰(武汉大学水资源与水利水电工程国家重点实验室湖北武汉430072)摘要盖重压渗是深厚型冲积地基堤防的主要渗流控制措施通过研究地基弱透水表层与透水层的渗流交换研究渗透扬压力与盖重土层有效重力的平衡关系建立了普遍适应性的堤防盖重压渗计算模型采用VB6.0语言编制了可视化操作界面并开发了计算机绘图功能研制出方便快捷的堤防盖重压渗设计系统通过实际应用证明其渗流计算结果与有限元计算结果十分接近关键词堤防冲积地基渗流控制盖重土层数学模型VB6.0CAD中图分类号TV223.4文献标识码A在堤防背水侧填筑盖重土层是堤防中常用的渗流控制措施盖重压渗的设计任务在于确定盖重层的宽度和厚度有限元法可用于有盖重层条件下的堤防渗流计算但不能直接得出盖重层的尺寸而是要先拟定盖重层尺寸再经渗流计算验算渗透稳定性这意味着要进行多种方案的反复计算繁琐复杂工作量大现行堤防设计规范推荐采用递推公式法[]进行盖重压渗计算但该方法只适用于双层地基的水平盖重土层计算实际堤防工程中地基往往是多层的而且由于渗流水头是沿程渐降的采用水平压盖层也不经济合理因此递推公式法很少在堤防加固设计中实际采用受毛昶熙教授研究成果[2]的启发作者通过研究堤基弱透水表层与透水层之间的渗流关系建立了双层结构地基堤防盖重压渗计算的数学模型[3]后又将该数学模型拓展到适合多层地基堤防的盖重压渗计算[4]但该数学模型仍然存在局限性即只适用于地基各土层均质等厚情况天然冲积地基土层不都是均匀分布的甚至可能呈现尖灭状或透镜状作者通过大量的渗流有限元计算分析发现对盖重土层设计尺寸影响较大的是地基表层的渗透性及厚度其余土层的合理概化对盖重土层计算结果不会产生明显影响[5]因此本文力图将盖重压渗计算模型发展到能考虑天然地基表层的非均匀性和渗透系数的分段差异性并开发研制堤防盖重压渗计算机辅助设计系统1数学模型1.1假定与处理图1为冲积地基堤防横断面的一般形式通常堤基强透水层与地表弱透水覆盖层的渗透系数相差很大因此可认为通过上游铺盖的渗流为垂直下渗通过下游铺盖的渗流垂直上渗通过强透水层的渗流为水平流动盖重土层与天然覆盖层构成复合铺盖为便于计算将两者归并为单一渗透性的等效铺盖假定等效铺盖的渗透性与天然覆盖层的渗透性相同则复合铺盖的等效厚度为22btbxdTkktT+=(1)收稿日期2003-10-17作者简介刘川顺(1963-)男湖北鄂州人博士副教授主要从事水工渗流控制和地基处理研究水利学报2004年7月SHUILIXUEBAO第7期2式中kb2kt分别为天然覆盖层和盖重土层的渗透系数Tb2tx分别为天然覆盖层和盖重土层的厚度(后者为沿程变量)Td为下游复合铺盖的等效厚度(沿程变量)图1堤防盖重土层的渗流计算同样河堤外滩淤积层与其下弱透水层构成上游地基的复合铺盖其等效厚度为11bsbsuTkktT+=(2)式中ksTs分别为淤积层的渗透系数和厚度如果堤基(不包括地基表层)为渗透性相差不是太大的层状地基可将它转化为等效的均质各向异性地基[6]∑∑=fififiHTTkk/()∑=fififVkTTk,/VHfkkk=(3)式中kH是等效均质地基的水平方向渗透系数kV是等效均质地基的垂直方向渗透系数kf是等效均质地基的各向同性渗透系数Tfikfi分别为各土层的厚度和渗透系数为了便于问题研究把堤防横断面看作由4部分组成()上游段()堤身段()盖重压渗段()盖重土层尾部段各段的x轴原点位置及x轴正向的规定如图1所示2.2上游段堤基渗流运动方程及渗流水头函数设堤基中沿程变化的单宽流量为q沿程变化的水头为h根据达西定律有22dxhdTkdxdqff−=(4)该段堤基中渗流量的沿程增加是通过铺盖的入渗补给而引起在dx长度复合铺盖上通过的流量为水利学报2004年7月SHUILIXUEBAO第7期3dxThHkdqub−=1(5)式中H为堤防水头差由式(4)及式(5)得()0222=−+hHdxhdα(6)式中()111/bsbsffbTkkTTkk+=α式(6)的通解为h=H-(C1shx+C2chx)(7)因x=0,h=H,故C2=0于是式(7)简化为h=H-C1shx(8)B点的渗流水头可表示为hB=H-C1shLu(9)B点左侧的渗透坡降可表示为uLxLBLchCdxdhJuαα1,−===(10)2.3堤身段堤基渗流运动方程及渗流水头函数堤身段堤基因受透水性小的...
