堤防土体渗透参数的概率分布研究

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1、第26卷第4期长江科学院院报V01．26No．42009年4月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteApr．2009文章编号：1001—5485(2009)04—0036—04堤防土体渗透参数的概率分布研究李少龙，朱国胜，定培中，张文三(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉430010)摘要：确定渗透参数的概率分布是堤防渗透稳定可靠性分析的基础。阐述了土体渗透系数和临界水力比降的概率分布研究概况。通过分布参数的极大似然估计和A-D法分布拟合检验，分

2、析了堤防粉质粘土和粉质壤土的渗透系数概率分布；基于太沙基公式，将土粒相对密度和孔隙比作为随机变量，推导了临界水力比降的概率密度函数。分析表明，渗透系数的概率分布符合对数正态分布，临界比降的概率分布为近似正态分布。关键词：渗透系数；临界水力比降；概率分布；堤防中图分类号：TB114文献标识码：A我国堤防多是经过一定历史时期不断加高培厚的不同而有所差异。土的颗粒或孔隙在空间上作随而形成的，且其地质情况复杂，堤线较长，受不确定机排列，颗粒之间的作用力也是随机分布的，土体存性因素影响众多，往往存在渗透稳定问题。堤防土在非均

3、匀性和随机性，同时土体所处的物理状态及体多具有不均匀性，与堤防渗流密切相关的渗透系环境条件可能不同，因而土性参数具有较大的随机数与临界水力比降等参数具有不同程度的变异性。变异性。鉴于堤防土体的复杂性，研究其渗透参数然而，用传统的方法进行堤防渗流安全评估时，通常概型分布的推断方法及概率分布规律，可加深认识假定土体分区均匀，将渗透系数与临界水力比降在岩土介质的随机特性，对堤防渗透稳定可靠性分析分区内作为常数。近些年发展起来的可靠性分析方具有重要意义。法较好地考虑了堤防土体参数的随机性和变异性。随机水文地质领域的研究表明

4、，渗透系数在空在渗透稳定可靠性分析中，确定渗透参数的概间上的分布变化是极其复杂的，含水层的渗透系数率分布是必不可少的工作。可靠度分析方法，如目在空间上的变化可达几个数量级_1J。R．A．前应用较多的一次二阶矩方法，需要根据基本随机FreezeE2]统计大量渗透系数空间变异性的结果，认变量的概率分布进行当量正态化来计算可靠指标和为渗透系数可用对数正态分布来描述。这一结论被失效概率。随机参数的概率分布对可靠度计算的最后来的研究者在随机地下水运动的研究中广泛应用。E．A．SudickyE3_在加拿大Borden含水层进行

5、野终计算结果具有重要影响。参数概率分布规律是利用可靠度理论进行堤防渗透稳定分析的基础，然而外试验，经过分析得出渗透系数服从对数正态分布目前对堤防土体渗透参数特别是抗渗强度概率分布的结论。众多试验研究和随机模拟都认可渗透系数服从对数正态分布，即对数渗透系数服从正态分布，的研究较少。本文分析土体渗透系数与抗渗强度的这在数学处理上也带来较大方便，其统计特征可用概率分布特征及分析方法，为堤防渗透稳定的可靠性分析提供基础。均值和协方差函数完全描述。此外，根据中心极限定理，受大量相互独立的随机因素影响，每一个别因素在总影响中所

6、起作用不太大的随机变量，仍服从1土体渗透参数的随机特征或近似服从正态分布。因此，正态分布或对数正态江河堤防的土质组成极其复杂，堤基土多为第分布在随机研究中得到广泛应用。四系冲积层，常含有粘土、壤土、细砂、砂砾石等。各抗渗强度反映了土体抵抗渗透破坏的能力，可种土的特性指标相差较大，无粘性土和粘性土的渗用临界水力比降来表征。临界水力比降是渗透稳定透变形特性有显著不同。同时，在宏观上土体性质性分析中最基本的参数，受多种不确定性因素影响，被视为均匀的土层，其物理力学性质也会随着位置土体的临界比降也是一个不确定性量。文献[4

7、]指收稿日期：2008-06-24；修回日期：2oo8—10—17基金项目：长江科学院中央级公益科研院所基金资助(YwFD7333)；长江科学院博士科研启动基金资助(YJJ0790／TY30)；国家科技支撑计划项目基金资助(20065B05—01)作者简介：李少龙(1979一)，男，湖北嘉鱼人，工程师，主要从事水工渗流及地下水环境研究，(电话)027—82927243(电子信箱)lisl3000@163．。。m。第4期李少龙等堤防土体渗透参数的概率分布研究37出土层的抗渗强度各处不同，同时孔隙的大小不一，2．2参数

8、的极大似然估计分布也不均匀，这就使得各处的渗流坡降也大小不推断总体的分布类型时，通常它的某些分布参一数也是未知的，这时要对未知的分布参数作出推断，，有的地方渗流坡降相对增大，或者抗渗强度比较弱，就有可能发生管涌。在防洪抢险的实践中发现，即参数估计，一般可用矩法和极大似然法确定。极距堤脚一定范围内的不同位置都可能出现规模不一大似然估计法的计算较复杂，但是能充分