对求解非饱和土堤初始浸润线的一种解析法

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1、第31卷第3期河海大学学报(自然科学版)Vol.31No.32003年5月JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences)May2003求解非饱和土堤初始浸润线的一种解析法朱　伟,秦建设,高玉峰(河海大学岩土工程研究所,江苏南京　210098)摘要:土堤的非饱和非稳定渗流计算分析中,堤内初始的浸润线位置对计算结果影响很大.分析土堤受到降雨、蒸发、径流及入渗影响作用,引入平均渗透强度的概念,建立了土堤的水收支平衡模型.将前阶段土体内部的渗流场视为一个暂态稳定渗流场,推导了土堤由于长期水分运动特征引起的初始

2、浸润线的解析解.通过对日本江户川堤防的浸润线实测值与解析解计算结果进行比较分析,得出较为合理的结果.并对长江永安堤防初始浸润线进行了计算分析.关键词:非饱和非稳定渗流;水收支模型;长江堤防+中图分类号:TU441.33　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000O1980(2003)03O0314O04在进行土堤的非饱和非稳定渗流计算时,与计算模型和土质参数相同,初始条件也会对计算结果产生重大的影响.因此如果没有较为统一、合理的初始条件,非饱和非稳定渗流的计算结果就难以具有合理性、比较性和实用性.[1,2]虽然非饱和非稳定渗流的初始条件

3、问题在很早就为一些学者提出,但到目前为止仍无简单实用的[3]确定方法.朱伟在对堤防内水分量和浸润线进行了长期观测后,提出了经验性的推测方法.但这一方法仍然是以有限元计算为基础,存在确定方法较为复杂的问题.初始条件中存在初始浸润线和水分量两个问题.本文首先建立土堤的水收支模型,通过确定土堤内的平均渗透强度,对土堤内初始浸润线的位置进行了理论求解.1　水收支模型和平均渗透强度初始浸润线的位置一般指洪水、豪雨渗透前土堤内浸润线的状态.这一状态与这些集中渗流作用前相当长时间段内(以后称为前阶段)的降雨、蒸发密切相关.在前阶段中,虽然降雨和蒸发交

4、互进行,但这一发生在土堤表面的交互作用只会导致土堤表层1m左右土体发生湿润和干燥的交替,在更深的土堤内部则会形成[3]一个相对稳定的渗流场,其特征是水分缓慢的由上向下移动.而初始浸润线主要受这一渗流场的影响而决定其高低位置.为了求解初始浸润线的位置,我们使用水收支模型研究前阶段渗流场的水分运移,根据其规律采用平均渗透强度来定量反映其特征.土堤内的水收支模型是与降雨、蒸发、地表径流、孔隙水、地下水位等因素相关的.根据前阶段水循环的规律,可将其考虑为图1的模型.其中堤防整体的水收支可以表达为R+Gi=E+Ro+Fo+Go(1)当地基为不透水

5、层时,Fg=0,土堤水收支为R=E+Ro+Fo　　或　　Ri=Fo(2)当地基为相对透水层时,Fg≠0,此时R=E+Ro+Fo+Fg　　或　　Ri=Fo+Fg(3)　　如果将水分干湿交替变化比较频繁的表层土除外的话,可将前阶段土体内部的渗流场视为一个暂态稳收稿日期:2002O04O12作者简介:朱伟(1962—),男,甘肃平凉人,博士,教授,主要从事非饱和渗流、堤防稳定性、盾构施工技术等方面的研究工作.第31卷第3期朱　伟,等　求解非饱和土堤初始浸润线的一种解析法315注:Fg—向地基内的流入量;Fo—堤脚的流出量图1　土堤内的水收支模

6、型Fig.1Waterbalancemodelforembankment定渗流场来考虑.用平均渗透强度Ia来表达这一暂态稳定渗流场的入渗强度.以年平均渗透强度作为前阶段暂态稳定渗流场的入渗强度为例,此时表1　几个地区年平均渗透强度Ia的推测值Ia=Ri/365(4)Table1PredictedvaluesofannualaverageseepageintensityofseveralareasRi=R-E-Ro-1)式中地区R/mmRo/mmE/mmIa/(mm·d:Ri———年入渗量,mm/d.采用式(4)对几个城市计算的结东京16

7、003207001160果见表1.合肥9001804500180除使用年平均渗透强度外,还可结合地区水文、地质及堤型南京11002205001105情况采用更能代表前阶段暂态稳定渗流场的平均渗透强度(如广州17003406002110季平均渗透强度).2　几何对称土堤的初始浸润线根据土堤内的水收支模型和平均渗透强度的概念,可将土堤的暂态稳定渗流场表达为图2,然后对浸润线进行求解.对于微小切片dx,雨水的入渗量dq为dq/dx=Ia(5)　　当地基为不透水层时土堤内的水收支为式(2),也就是入渗量与堤脚流出量相等.土堤饱和域内(浸润线以下

8、部分)的渗流主要表现为水平流,其流量为q=-keh(dh/dx)(6)式中:ke———土堤透水系数;h———浸润线高度.由土堤的几何对称性及堤脚出渗情况可建立边界图2　几何对称土堤的计算模型条件:Fig.2