摘要：水在土体中流动时，根据不同土体的性质，可产生形如管涌、流土、接触冲刷等对土体的破坏形式，即我们常说的渗透破坏，渗透破坏继续发生，可导致土体发生滑坡。雨季山体的滑坡、提防工程在高水位下发生的溃堤和水利工程中坝体发生的溃坝等都给人们的生命财产造成严重损失。在水利工程中，坝体坡度和库水位和库水位变化密切相关，在一个什么样的库水位或者库水位以什么样的速度变化才能保证坝体的稳定都是我们在设计土石坝必须要考虑的主要问题。
关键词：稳定渗流；非稳定渗流；抛物线；坝坡稳定；水位降落；逸出点
流体在孔隙中的流动称为渗流，在水工建筑物中的流体一般是指水体。水在土体中运动时可产生形如管涌、流土、接触冲刷等对土体的破坏形式，即我们常说的渗透破坏，渗透破坏继续发生，最终可导致土体发生大面积的滑坡，严重威胁着人民生命财产安全。研究渗流的运动规律并掌握其规律，可以避免因渗透破坏给我们的生产生活带来的经济损失。本文就水利工程中的土石坝的稳定渗流和非稳定渗流做一些研究分析。
一、稳定渗流对坝坡的稳定影响
水库上游水位跟坝坡的稳定有很密切的关系，当库内水位保持不变时，上游坝体土处于饱和状态，在外水压力的情况下，坝体土内的孔隙水向下游的渗流运动，此时渗流对上游坝坡的稳定影响是不存在的，而对下游坝坡形成稳定渗流对坝坡稳定的影响却很大，此时，下游坝坡究竟要个什么样的坡率才能维持坝体稳定，就是我们需要解决的问题了。但无乱均质土坝还是粘土心墙坝，其稳定渗流的下游破浸润线的计算都是几乎相同。均质土坝其计算简图和计算公式为：
图1
计算公式为：
计算粘土心墙下游坝坡的浸润线，对心墙的渗透系数进行“化引”后采用上述其计算公式为便可方便求出稳定渗流时下游坝坡的浸润线。
二、非稳定渗流对坝坡的稳定影响
在水库正常运行时，或者水库大流量、快速泄空时，稳定渗流这一平衡将被打破，从而形成非稳定渗流。当库内水位变化时，由于土体对渗透水的阻渗作用，使得坝体内的自由水面线高于库内水面线。在这种情况下，不仅使坝体土的土料容重发生变化，而且在渗流的动水压力（渗透力）作用下将使土粒之间的有效应力减小，从而降低土的抗剪强度，因而危及坝坡稳定，甚至酿成滑坡事故。水库水位降落速度越快，坝体内的自由水面线和库内水面线的高差就越大，坝体内所产生的非稳定渗流力也就越大，因此对坝坡的稳定影响也就越大，所以，在设计土坝时，考虑上游水位以什么样的速度降落才能保持坝体的稳定安全，在工程的管理运行中是一个十分重要和关键的问题。
计算非稳定渗流所形成的浸润线在坝体内的位置是较为复杂的问题，目前来说也没有简单的计算公式，而且很多都是带有经验性质的公式，在计算过程中需查图、查表等，这样就不可避免地带来很多误差，影响计算成果的准确性。特别是我们常用的所谓4点法，就更为繁琐，由于查图表的步骤增加，计算的最终成果精度就会更差。
下面以粘土心墙土石坝介绍一种较为简单的计算非稳定渗流形成浸润线的计算方法，也是一种行之有效的方法，以供参考。
我们知道，在重力渗流的情况下，土坝坝体内的自由水面线为一抛物线，用下式表示：y=a+bx2
由上式可见，只要能确定系数a和b,则该浸润线也就可以计算出来。要计算系数a和b，可先选用如下边界条件，如图2所示：
由图可知，边界条件如下：
当x=0时，y=H
当x=S时，y=Hc
只要确定出边界条件H的值，抛物线方程y=a+bx2的a、b便可求出，则坝体内的浸润线的位置可定。
在非稳定渗流的情况下，渗流的自由表面线是随时间变化的，根据坝体内非稳定渗渗流的微分方程并略去垂直分速的影响后，其微分方程变为：
将原始的抛物线方程y（x）=a+bx2对自变量进行两次求导后（注：求导时，因变量y(x)由H代替），可得相对于该抛物线新的微分方程：
注意到边界条件：t=0时H=H1，将上式积分并带入边界条件可解出所求的H值，即为：
根据已知的条件，可求出α和β的值，通过试算最终可确定所求抛物线方程。
图2
特别指出的是，以上的结果只是对于心墙坝而言，目前除险加固工程，对坝体的防渗所采用的防渗墙和帷幕灌浆都属于垂直防渗，即防渗体的上边界为垂线，则求H值的方程式变得更为简单，上式变为：
由上式可见，所求的H值的方程较为简单，只要根据已知条件求出α值，通过试算求出H值，抛物线方程y（x）=a+bx2便可求出。
以上便是发生非稳定渗流时确定心墙坝体内浸润线位置最简单也最准确的方法。浸润线的位置确定后，当库内水位发生变化时，我们就能很直观地求出库内水位究竟以什么样的速度降落能保证坝坡的安全与稳定。
以上所述，只是相对于心墙土坝而言，对于均质坝的计算仍然可以根据以上计算思路进行。应该指出的是均质坝在水库水位发生降落的过程中，浸润线由单一的抛物线变为组合式抛物线，当库内水面线降落终了时，并形成稳定渗流时，自由水面线又从组合式抛物线变为单一的抛物线。组合式抛物线为两条抛物线，即上游坡一条和下游坡一条。可见，均质坝在降落过程中，坝内浸润线的位置发生明显的变化，这种变化对下游坝坡的稳定没有太大影响，但对上游坝坡的稳定影响较为明显，这也是我们在设计过程中需要解决的主要问题。
三、结果应用
在水库土坝的设计过程中，选用大流量的泄空水库作为非稳定渗流的控制工况，另外在核算水库正常降落遇地震时的工况或者库内水位降至最不利水位的工况作为工程的设计控制工况。但在对发生非稳定渗流时的坝坡进行稳定分析时，降落后的水位与降落后上游坝体的逸出点之间的高差始终是影响坝坡稳定的主要因素，高差值越大，对坝坡的稳定影响就越大，在对土坝的设计过程中，库内水位发生降落时，究竟是以一个什么样的速度降落而不影响坝坡的稳定便是我们设计的核心问题。当然，影响坝坡稳定的因素还很多，如筑坝料的物理指标、力学指标和筑坝料的排水系数等。总而言之，在对土石坝稳定计算时，水库处在什么样的水位或者水库水位如何变化对坝坡的稳定有怎样的影响，就是坝体稳定分析计算的最终目的。
参考文献
[1]《土力计算手册》（中国水利水电出版社第二版）.
[2]《土坝设计》（水利电力出版社1978年八月第一版）.
[3]《渗流计算原理及应用》（中国建材工业出版社2000年八月第一版）.
[4]《渗流计算分析与控制》（中国水利水电出版社2003年9月第二版）.
论文作者:李有华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：稳定论文; 水位论文; 抛物线论文; 求出论文; 土坝论文; 库内论文; 发生论文; 《基层建设》2019年第1期论文;