堤防盖重压渗可视化设计系统.pdf

水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 1 文章编号0559-9350(2004)07-0074-07 堤防盖重压渗可视化设计系统 刘川顺黄站峰(武汉大学 水资源与水利水电工程国家重点实验室湖北 武汉 430072)摘要摘要 盖重压渗是深厚型冲积地基堤防的主要渗流控制措施 通过研究地基弱透水表层与透水层的渗流交换研究渗透扬压力与盖重土层有效重力的平衡关系建立了普遍适应性的堤防盖重压渗计算模型采用VB6.0语言编制了可视化操作界面并开发了计算机绘图功能研制出方便快捷的堤防盖重压渗设计系统通过实际应用证明其渗流计算结果与有限元计算结果十分接近 关键词关键词堤防冲积地基渗流控制盖重土层数学模型VB6.0CAD 中图分类号中图分类号TV223.4 文献标识码文献标识码A 在堤防背水侧填筑盖重土层是堤防中常用的渗流控制措施盖重压渗的设计任务在于确定盖重层的宽度和厚度有限元法可用于有盖重层条件下的堤防渗流计算但不能直接得出盖重层的尺寸而是要先拟定盖重层尺寸再经渗流计算验算渗透稳定性这意味着要进行多种方案的反复计算繁琐复杂工作量大现行堤防设计规范推荐采用递推公式法进行盖重压渗计算但该方法只适用于双层地基的水平盖重土层计算实际堤防工程中地基往往是多层的而且由于渗流水头是沿程渐降的采用水平压盖层也不经济合理因此递推公式法很少在堤防加固设计中实际采用受毛昶熙教授研究成果2的启发作者通过研究堤基弱透水表层与透水层之间的渗流关系建立了双层结构地基堤防盖重压渗计算的数学模型3后又将该数学模型拓展到适合多层地基堤防的盖重压渗计算4但该数学模型仍然存在局限性即只适用于地基各土层均质等厚情况天然冲积地基土层不都是均匀分布的甚至可能呈现尖灭状或透镜状作者通过大量的渗流有限元计算分析发现对盖重土层设计尺寸影响较大的是地基表层的渗透性及厚度其余土层的合理概化对盖重土层计算结果不会产生明显影响5因此本文力图将盖重压渗计算模型发展到能考虑天然地基表层的非均匀性和渗透系数的分段差异性并开发研制堤防盖重压渗计算机辅助设计系统 1 数学模型 1.1 假定与处 理1.1 假定与处 理 图1为冲积地基堤防横断面的一般形式 通常堤基强透水层与地表弱透水覆盖层的渗透系数相差很大因此可认为通过上游铺盖的渗流为垂直下渗通过下游铺盖的渗流垂直上渗通过强透水层的渗流为水平流动 盖重土层与天然覆盖层构成复合铺盖为便于计算将两者归并为单一渗透性的等效铺盖假定等效铺盖的渗透性与天然覆盖层的渗透性相同则复合铺盖的等效厚度为 22btbxdTkktT+=(1)收稿日期2003-10-17 作者简介刘川顺(1963-)男湖北鄂州人博士副教授主要从事水工渗流控制和地基处理研究 水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 2 式中kb2kt分别为天然覆盖层和盖重土层的渗透系数Tb2tx分别为天然覆盖层和盖重土层的厚度(后者为沿程变量)Td为下游复合铺盖的等效厚度(沿程变量)图1 堤防盖重土层的渗流计算 同样河堤外滩淤积层与其下弱透水层构成上游地基的复合铺盖其等效厚度为 11bsbsuTkktT+=(2)式中ksTs分别为淤积层的渗透系数和厚度 如果堤基(不包括地基表层)为渗透性相差不是太大的层状地基可将它转化为等效的均质各向异性地基6=fififiHTTkk/()=fififVkTTk,/VHfkkk=(3)式中kH是等效均质地基的水平方向渗透系数kV是等效均质地基的垂直方向渗透系数kf是等效均质地基的各向同性渗透系数Tfikfi分别为各土层的厚度和渗透系数 为了便于问题研究 把堤防横断面看作由4部分组成()上游段()堤身段()盖重压渗段()盖重土层尾部段各段的x轴原点位置及x轴正向的规定如图1所示 2.2 上游段堤基 渗 流 运 动 方 程 及 渗 流水 头 函 数2.2 上游段堤基 渗 流 运 动 方 程 及 渗 流水 头 函 数 设堤基中沿程变化的单宽流量为q沿程变化的水头为h根据达西定律有 22dxhdTkdxdqff=(4)该段堤基中渗流量的沿程增加是通过铺盖的入渗补给而引起在dx长度复合铺盖上通过的流量为 水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 3 dxThHkdqub1(5)式中H为堤防水头差 由式(4)及式(5)得()0222=+hHdxhd(6)式中()111/bsbsffbTkkTTkk+=式(6)的通解为 h=H-(C1shx+C2chx)(7)因x=0,h=H,故C2=0于是式(7)简化为 h=H-C1shx(8)B点的渗流水头可表示为 hB=H-C1shLu(9)B点左侧的渗透坡降可表示为 uLxLBLchCdxdhJu1,=(10)2.3 堤身段堤基 渗 流 运 动 方 程 及 渗 流水 头 函 数2.3 堤身段堤基 渗 流 运 动 方 程 及 渗 流水 头 函 数 堤身段堤基因受透水性小的堤身及弱透水层的覆盖可近似认为该段堤基无越层补给因此有 dq/dx=d2h/dx2=0(11)其通解为 h=C3x+C4(12)用hC表示C点水头则C4=hC于是B点水头可表示为 hB=C3Lm+hC(13)B点右侧的渗透坡降为 水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 4 3,CdxdhJmLxRB=(14)由式(10)式(14)得 C3Lm+hC+C1shLu-H=0(15)比较式(11)式(14)并考虑到两式的x轴方向相反即JB,L=-JB,R可得到C3=C1chLu将C3代入式(15)得 uumCLshLchLhHC+=1 C点左侧的渗透坡降为 JC,L=C3=C1chLu=(H-hC)/Lm+thLu/(16)2.4 盖重土层尾段堤基渗流运动方程及渗流水头函数2.4 盖重土层尾段堤基渗流运动方程及渗流水头函数 参照本文2.2节 可导出盖重土层尾段渗流微分方程 0222=hdxhd(17)解之得 xxeCeCh+=65(18)式中22/bffbTTkk=设D点水头为hD则有C5=0,C6=hD盖重土层尾段水头函数式可写成 xDehh=(19)D点的渗透稳定安全因素为 DbbhT/22=(20)式中b2为下游天然覆盖层的浮容重为水的容重 给定值便可知D点的允许渗流水头为/22bbDTh=(21)水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 5 2.5 盖重压渗段堤基渗流运动方程及渗流水头函数2.5 盖重压渗段堤基渗流运动方程及渗流水头函数 参照本文2.2节可导出盖重压渗段渗流微分方程+=12222xtbxtkkthdxhd(22)盖重压渗段复合铺盖的渗透稳定安全因素为()xtxbbthtT+=22(23)式中t为盖重土层的浮容重 给定值从式(23)可得出盖重土层安全厚度 tx=h-Tb2b2/(1+t/)(24)代入式(22)得 d2h/dx2=2(h+C0)/(C1h+C2)(25)式中C0=Tb2b2/tC1=kb2/tTb2kt,C2=/t-b2kb2/tkt+1 式(25)难以求出解析解 2.6 盖重压渗段堤基渗流水头的数值计算及压盖土层设计尺寸的确定2.6 盖重压渗段堤基渗流水头的数值计算及压盖土层设计尺寸的确定 用差分法将式(25)离散化得到 hi+1=2hi-hi-1+2x2(hi+C0)/(C1hi+C2)(26)从盖重土层末端开始取步长x利用式(26)由hi-1,hi逐段递推计算hi+1直至堤防坡脚将盖重压渗段末端的允许水头作为第一次计算的hi-1,即hi-1=hD=b2Tb2/将式(19)在D点(x=0)展开成麦克劳林级数向上游取微小步长(-x)算出D点的左邻点的渗流水头作为第一次计算的hi即hi=hD(1+x+2x2/2)将hi-1hi代入式(26)求出hi+1,然后以hihi+1分别作为第2次计算的hi-1hi如此向上游推算到堤脚C点 设盖重压渗段地基表层底板上的渗流水头函数为h(x)将h(x)在C点(x=xi+1)按泰勒级数展开并取二次项同时用hi表示h(xi)则有 hi=hi+1-h(xi+1)x+h(xi+1)x2/2(27)由式(16)知 h(xi+1)=(H-hi+1)/(Lm+thLu/)(28)水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 6 由式(25)知 h(xi+1)=2(hi+1+C0)/(C1hi+1+C2)(29)将式(28)式(29)代入式(27)并整理得到()()()2111211/21/ChCChLthLxxLthLhhhHioiumumiii+=+(30)按式(30)算出的H值若小于实际的H值说明计算点尚未抵达C点须继续取x向上游递推计算直到计算接近实际H值为止此时有 hc=hi+1 L=nx(31)式中hi+1为最后一次计算出的渗流水头n为计算分段数L为盖重土层宽度 求出压渗段地基表层底板各点水头后按式(24)可确定对应点盖重土层的厚度 3 可视化设计界面及计算机绘图功能的开发 3.1 界面程序编制要点3.1 界面程序编制要点 上述盖重压渗设计方法只需输入堤防的基本几何参数和物理参数 即可得出优化设计方案为了方便用户作者采用VB6.07编制了设计系统的操作界面界面用于输入堤身段面的基本几何参数界面用于输入边坡参数地基表层及盖重土层的物理性质参数界面为计算控制界面还用于输入地基土层特征参数 为了使3个界面构成有机整体并与核心计算程序之间建立联系在界面程序中设置一个类模块在模块内定义了一系列的公用类型(Public)变量将当前界面中已经输入的数据赋值给该类模块中的相应变量使数据在内存中保存起来这样从当前界面退回前一界面时当前界面中已经输入的数据不会丢失再次进入当前界面时在load事件中将类模块中的相应变量的值重新赋值给相应的数据控件这一功能给设计者在进行试算时带来了很大的便利如类模块中有一Public类型变量SafetyFactor用来保存界面中的抗渗安全系数(由SafeFactorTxt文本框输入)在SafeFactorTxt_change事件中添加语句如下 Private Sub SafeFactor.Txt_Change()SafetyFactor=Val(SafeFactorTxt.Text)End Sub 在界面程序的Load事件中添写语句如下 Private Sub Form Load()SafeFactorTxt.Text=cstr(SafetyFactor)End Sub 为了能在一个窗口中连续输入多个土层的特征参数在界面程序中采用ListBox控件将地基各土层按序号顺序显示出来并用ListBox的AddItem和RemoveItem属性来实现添加修改和删除操作 水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 7 3.2 计算机绘 图 功 能 的 开 发3.2 计算机绘 图 功 能 的 开 发 计算机自动绘图功能的开发将减轻设计人员的工作强度提高设计效率本设计系统用过程ConnectCAD()与AutoCAD实现连接用AcadApp ActiveDocument.ModelSpace的AddLineAddTextAddDimAligned属性分别实现划直线添加文字和进行平行直线标注使系统能够快速准确的绘制出盖重土层的优化设计图ConnectCAD过程程序代码如下 Private Sub ConnectCAD()On Error Resume Next Set AcadApp=_ GetObject(,autocad.application)If Err Then Err.Clear Set AcadApp=CreateObject(autocad.application)If Err Then MsgBox(不能运行AutoCAD,请检查是否安装?)Exit Sub End If End If AcadApp.Visible=True End Sub 4 应用 本设计系统已应用于湖北省长江堤防多项加固工程设计在地基土层(不含地基表层)之间渗透系数相差不很悬殊的情况下其渗流计算结果与有限元法渗流计算结果十分接近 参考文献参考文献 1 董哲仁.堤防除险加固适用技术M.北京中国水利水电出版社1998.2 毛昶熙.堤内压土方案的渗控设计方法J.水利学报1997(6)6066.3 刘川顺刘祖德王长德.河堤背水侧采用盖重土层的渗流控制计算J.武汉水利电力大学学报2000(2)27-30.4 Liu Chuan-shun,Yang Jin-zhong.United method for calculation of seepage control by adopting weighting soil layer on back side of dikeJ.Journal of HydrodynamicsSer.B,2001,13(4):92-97.5 刘川顺彭幼平李莫.长江堤防地基类型预防加固方案J.水文地质工程地质2001(6)20-22.6 毛昶熙.渗流计算分析与控制M.北京水利电力出版社1990.水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 8 7 张晋西.Visual Basic与AutoCAD二次开发M.北京清华大学出版社2002.(a)界面 (b)界面 水水 利利 学学 报报 2004 年 7 月 SHUILI XUEBAO 第 7 期 9 (c)界面 图2 设计系统操作界面 Visual design system for seepage control of dike by constructing weighting soil layer at downstream toe LIU Chuan-shun,HUANG Zhan-feng(Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:The weighting soil layer constructed at downstream toe of dike built on thick alluvial foundation is an effective measure for preventing the foundation from blowout failure.According to the principle of equilibrium between seepage uplift and effective overburden pressure of weighting soil layer,a mathematical model for seepage analysis of dike is established.By using this model a CAD system for the design of weighting soil layer is developed.In the system the visual operation interface is programmed by VB6.0.Key words:dike;alluvial foundation;seepage control;weighting soil layer;mathematical model;VB6.0;CAD system