2021年度碾压混凝土坝压水试验理论与结果分析方法研究.doc

水利工程论文-碾压混凝土坝压水试验理论和结果分析方法研究
摘要: 据碾压混凝土坝成层施工和结构特点, 和混凝土本体、 层面、 缝面和坝体渗流特征, 就坝体压水试验中常规压水试验、 三段压水试验和交叉孔压水试验方法, 作了较深入全方面理论和应用分析研究, 其中还提出压水试验结果分析平面渗源法和压水试验反分析研究联合并用饱和－非饱和非稳定渗流问题求解有限元法和加速遗传优化算法。 最终给出江垭大坝部分压水试验数据应用分析结果。  
关键词: 碾压混凝土坝 压水试验 交叉孔压水试验法 平面渗源法
 
因为碾压混凝土坝成层 结构 , 本体和层、 缝面渗透能力完全不一样,  施工 时总是尽管千方百计地提升大坝 施工 质量, 不过坝体通常仍然表现为强渗透各向异性体, 渗透各向异性比总是会达成多个数量级, 而且坝体层面和缝面切向主渗透系数改变范围大, 正确测定这一渗透系数难度很大, 给碾压混凝土坝渗控方案选定带来很多不便。 其次, 坝体 施工 质量完全取决于层面和缝面 施工 质量, 怎样在工程现场快速地检测和监测碾压混凝土坝 施工 质量, 含有重大工程意义。 因层面和缝面隙宽很小, 现在还没有一个成熟方法和仪器能够在工程现场对这些 施工 过程形成 结构 隙面进行快速检测, 这是现在确保坝体 施工 质量关键问题所在。 笔者认为, 现在最有期望能够完成这一使命方法即为大坝现场压水试验。 本文结合碾压混凝土坝 施工 和 结构 特征, 对压水试验理论和结果整理方法进行较深入探讨和研究。  
本文着重叙述了怎样可靠地对工程现场取得压水试验结果进行理论整理分析和确定混凝土坝缝面切向主渗透系数, 为坝体渗流计算建模和分析、 渗控设计方案论证和缝面 施工 质量检测和监测等工作提供理论依据。  
1  压水试验和结果分析方法 
  基础理论 
多孔介质中, 饱和-非饱和渗流问题连续方程为:  
（1） 
式中: －饱和渗透系数张量; －相对透水率, 在非饱和区, 在饱和区; －容水度, 在饱和区; －选择系数, 在非饱和区等于0, 在饱和区等于1; －弹性贮水率, 在饱和区为一常数, 在非饱和区=0; t—时间。  
  非饱和渗流问题求解 
式（1）是一个很复杂微分控制方程, 现在还无法找到其解析解, 因为非饱和区渗透系数张量、 饱和度和容水度等全部是和水头相关, 是四处改变, 是一个极度高次非线性问题, 而且它边界条件也是很复杂, 尤其是非饱和逸出面也是非线性。 现在求解这一问题方法只能是经过介质水分特征曲线来近似地确定水头和饱和度及和相对透水率之间关系, 再用有限元等数值方法来迭代求解[1-2], 程序开发也是很不易。  
  饱和渗流问题求解 
鉴于式（1）问题复杂性和为了对常见工程问题求解和满足工程应用推广需要, 式（1）问题常常被简化为相对简单、 应用经验丰富饱和稳定及非稳定渗流问题进行求解。 渗流控制方程为:  
（2） 
式中: －渗透介质饱和渗透系数张量。  
  压水试验理论分析 
迄今为止, 对于碾压混凝土坝层面和缝面 施工 质量检测和监测通常只能经过压水试验来进行, 且理论研究还不够深入。 压水试验时, 先在选定方向上现场钻孔, 形成压水孔, 再在1段或3段压水孔试验段中进行压水试验, 经过观察试验压力和入渗流量, 来评定试验段区坝体渗透性和渗透系数, 因碾压混凝土本体透水能力极小, 试验所得结果往往是反应了碾压混凝土缝面切向透水性和主渗透系数, 这也恰好表现了工程界最为关心层面和缝面 施工 质量情况。 现在, 对压水试验进行理论分析和求解方法关键有以下多个。  
  Hsieh和Neuman交叉孔压水试验方法[3,4] 
美国Hsieh和Neuman于1985年提出交叉孔压水试验（water pressure test with cross holes）理论和方法, 因这一方法有严格数学理论, 和常规压水试验和三段正交压水试验方法相比较, 它含有多个关键特点: (1) 试验前不需要知道渗透各向异性介质主渗透方向, 且解是唯一, 大大提升了试验结果精度; (2) 能够在任何方向上进行钻孔部署, 这无疑给试验工作带来了极大方便; (3) 合适改变压水孔和观察孔间距离, 由试验结果改变情况, 就能够大约估算出岩体 样本 体积大小, 这为渗流场多孔隙等效连续体介质模型求解, 提供了建模乃至能否正确利用理论依据; （4）岩体裂隙 结构 面产状、  结构 面特征和母岩本身渗流特征全部是直接困扰学术界和工程界评定岩体渗透系数张量时最常见原因, 而此法不受它们困扰; （5）和别压水试验方法不一样, 交叉孔压水试验有其严密理论推导和解析解; 而其它试验方法尤其是现在在中国