《DQB》程序在土石坝安全鉴定中的应用

王军锋

（渭南市水利水电勘测设计院 陕西 渭南 714000）

《DQB》程序在土石坝安全鉴定中的应用

王军锋

（渭南市水利水电勘测设计院 陕西 渭南 714000）

土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序《DQB》，可用于稳定渗流分析，又可用于非稳定渗流分析，并能适用于均质、心墙、斜墙土坝不同排水型式的变化。数据准备工作量小，计算速度快，节约了大量的时间，避免了手算的繁杂和不准确性，提高了计算成果的准确性和精确度。同时根据计算成果绘出的渗流网图，能够很形象直接地表达出大坝理论浸润线位置及各百分数等势线分布情况。

渗流计算程序《DQB》；安全鉴定；土石坝

0 前言

土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序《DQB》，系由南京水利科学研究院水工所李祖贻，陈平等到同志编制，用FORTRAN语言在TQ-16机及IBM-PC/XT机实现。该程序既可用于稳定渗流分析，又可用于非稳定渗流分析，并能适用于均质、心墙、斜墙土坝不同排水型式的变化。程序采用自动剖分单元，数据准备工作量小，算题速度快，是土石坝分析的有效工具之一，经1995年水电总局考核通过，列为在水电系统推广应用的土石坝计算程序包十个程序之一。

编者应用以上个程序对数座土石坝进行安全鉴定，均取得了满意效果。

1 程序的使用范围及功能

《DQB》程序可用来计算土石坝上游坝壳水位降落期的非稳定渗流和具有不同排水型式的均质、心墙、斜墙土坝的稳定渗流，以及任意过流断面的渗流量。该程序具有自动剖分功能，只要给出剖分信息，单元及结点信息即可由程序自动形成，并计算给出自由表面（浸润线）位置，全部结点水头值，不同百分数的等势线等计算成果。

使用者对程序功能的选用可通过功能控制变量的赋值来实现。

2 《DQB》程序计算原理

2.1 数学方法与边界条件

土坝二向渗流总是在一定条件下，稳定渗流是求解拉普拉斯方程，非稳定渗流在土体可压缩时求固结方程，在土体不可压缩时求解拉普拉斯方程，同时自由面作渗流量补给边界。对上述方程用有限单元作渗流场离散，引用三结点的三角形单元和线性插值函数，线性代数方程组改进平方根法求解。离散后所得的线性代数方程组为：

（1）式为可压缩土体的非稳定渗流有限单元计算公式。当式中矩阵[S]=0时，得不可压缩土体的非稳定渗流公式：在不计时间项，且[S]，[P]矩阵等于零，得稳定渗流有限单元计算公式：

在坝基无潜流时，其中[D]{q}项为零。

土坝渗流边界条件是：上、下游水位以下的入渗和出流面及自由渗出段，其水头是已知的，属第一类边界；渗流自由面和不透水层面属第二类边界。稳定渗流的自由面和不透水层面一样，没有流量从该面流入和流出；而非稳定渗流则有流量从自由面流进坝体，此流量是取二连续自由面之间的一块水体表示补给流量。此外自由面上尚应满足其水头等于位置高程的条件。

2.2 渗流量的计算

渗流量是采用中线法计算的，可计算任意过流断面的流量，渗流量计算公式为：

上式是具有方向性的，计算流量断面是取划分单元的初始坐标的方向，故计算时要规定其正向，然后按上式对过流断面的单元逐个计算，然后相加得总渗流量。

2.3 渗流自由面的确定

首先，假定一渗流自由面位置。原则上依照渗流概念按“简化法”计算浸润线，同时对于不同排水设施的渗出段长度a,以及排水起点处的渗流水深h0作出粗估，尽量接近实际浸润线位置，以减少浸润线的修改迭代次数，节省机时，同时也可避免出错。

然后计算机程序将自由面结点计算中心水头值h*与其Z坐标比较，直到满足|Z-h*|<ε(ε为给定的计算精度)，此时则获正确的理论自由面位置。

自由面迭代时，沿结点上下调正移动，为此要求结点线上结点按顺序从上到下地由小到大编号。为避免假定的自由面位置过高，或自由面穿过非均质区，及非稳定渗流自由面变化范围大时，使计算不能持续下去，程序采用丢结点（单元）的方法来处理，即自由面结点的计算水头h*小于其下结点Z坐标时，将该结点丢弃，取其下结点为自由面结点继续进行计算。

2.4 渗出点的确定

自由面与坝坡的交点即渗出点，采用沿坡面滑动或二次曲线相交法求得，根据不同情况选用。渗出点一般是作为未知水头结点处理，也可按已知水头结点处理。调正渗出点的过程中可以由程序自动改变信息，反复试求得出渗出点的正确位置。

程序的关键在于合理地确定渗流场的计算范围、边界性质及单元信息。

3 应用实例

在渭南市合阳县定国水库大坝安全鉴定工作中，编者成功地将《DQB》程序应用到大坝的安全鉴定中。

3.1 工程概况

合阳县定国水库大坝为碾压式均质土坝，现状坝顶高程871.81m，最大坝高34.81m，坝顶长180m，坝顶宽4.0m，上游坝坡坡比自上而下依次为：1:1，1:2，1:3，上游平均坡比1:2.78；下游坝坡坡比自上而下依次为：1:2.1，1:1.6，1:2.1，下游平均坡比1:2。坝下游设有堆石排水棱体，棱体高约4m，内边坡1:1.2，外边坡 1:1.5。

3.2 计算参数

合阳县定国水库大坝渗透系数见表1：

表1 渗透系数表

3.3 计算工况及方法

计算工况：上游正常蓄水位865.52m与下游相应的最低水位837.00m；

计算方法：采用流网法（南京水科院的DQB计算程序）。

3.4 渗流计算及渗透稳定分析

3.4.1 计算数据的编写

①建立直角坐标系，采用X轴向右，Y轴向上。

②根据坝型、土层分布、计算性质合理地确定渗流场的计算范围、边界性质以及土层分界线。

③采用自动剖分单元的方法和标记，将计算渗流区域按组划分成若干块。

④按程序规定的输入数据的先后顺序，依次整理出各块的结点信息、边的剖分点数、块的土性分区、结点坐标、各类边界信息及渗透系数，给水度等原始数据。

⑤在DOS状态下执行EDIT命令，编写数据文件。

⑥执行DQB程序得出数据结果文件。

根据计算结果，绘出该情况下的坝体浸润线和等势线，坝体渗透坡降见表2。

表2 坝体填土渗透坡降计算成果表

根据坝体的纵、横断面图,地质剖面图，坝体最大断面应视为：坝体下游有棱体排水，坝基为相对不透水层的均质土坝，重粉质壤土，其允许渗透坡降为3。因此，坝体填土不会发生渗透破坏。

经计算，单宽渗流量q＝0.1m3/d。

坝体总渗流量Q＝15.2m3/d。

3.4.2 渗流计算及渗透稳定分析结果

由计算可知：

（1）坝体在正常运行情况下不会发生整体渗透破坏，但考虑到该水库大坝存在多处裂缝、塌陷，且实际渗漏较为严重，大坝仍存在局部渗透不稳定问题。

（2）河床最大断面处坝体及坝基的单宽渗流量为0.1m3/d，坝体总渗流量为15.2m3/d。

4 结论

由于以上程序数据准备工作量小，计算速度快，节约了大量的时间，避免了手算的繁杂和不准确性，提高了计算成果的准确性和精确度。同时根据计算成果绘出的渗流网图，能够很形象直接地表达出大坝理论浸润线位置及各百分数等势线分布情况。在定国水库的安全鉴定会上得到了省水利厅大坝安全鉴定专家组成员的一致认可和通过。

［1］毛昶熙，主编.渗流计算分析与控制[M].2版.中国水利水电出版社.

王军锋（1972.06—），男，现年40岁，现在渭南市水利水电勘测设计院工作，工程师，从事专业为水工建筑。

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