混凝土面板砂砾石坝二维有限元渗流实例分析.pdf
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1、第 41卷 第 1 2期 2 0 1 0 年 6 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 41 No 1 2 J u ne, 2 01 0 文 章 编 号 : 1 0 014 1 7 9( 2 0 1 0 J 1 20 0 2 80 3 混凝土面板砂砾石坝二维有限元渗流实例分析 吴 静 茹 ( 宁 波城 市 职 业技 术 学 院 , 浙江 宁波 3 1 5 1 0 0) 摘要 : 主要探 索面板砂砾 石坝的二 维渗流计算。利 用有限元方法对坝体设置竖 向排水体与不设置 竖向排水体 两种情况下的渗流和浸润线进行研 究, 阐述 了在 坝体 中设 置竖向排 水体能有
2、效地控 制浸润线 的高度和渗 流 溢 出点的位置 , 从 而提 高坝体下游坝坡 的稳 定。 同时 , 结合面板砂砾 石坝的渗流分析 , 对 面板砂砾石坝的设计 提 出了建议 , 指 出: -3面板无裂缝 , 面板 与防浪墙之间的水平缝止 水失效时 , 即使在设置竖向排 水体 的情况下 , 浸润线仍保持一个较高的位置 , 对坝坡稳定有较大的不利影 响, 在设计和施 工时应予足够重视 。 关键词 : 砂砾石坝 ;竖向排水体 ; 渗流 ; 有 限元 中 图法 分 类 号 : T V 6 41 4 3 文献 标 志 码 :A 混凝 土 面板 砂砾 石坝 因其 安全性 好 , 施 工方便 , 适 用 性
3、强 , 造 价低 等优点 , 近几 十年来在 国 内外 得到 了广 泛 的应用 。工程实 践 表 明 , 一 方 面砂 砾 石 料具 有 较 高 的抗 压强 度 , 变形 较 小 , 无 论 是 在 饱 和还 是 潮 湿 状 态 下 , 其 压缩 变形 均 较 小 , 而且 砂 砾 石 料 具 有 一 定 的 级 配 , 颗粒 磨 圆度 较好 , 施 工 时容易压 实 ; 另一 方面 , 由于 砂砾石料 抗 冲蚀 能力低 , 渗透稳 定性较 差 , 要 确保坝 体 稳 定 , 坝体 的渗流 控制 是混 凝 土 面板 砂 砾 石坝 坝 体设 计 的关键所在 。 因此 , 在 砂砾石坝 坝体设 计
4、时 , 设 计人 员所关 心 的重 点 问题从 常规 的变形 控制转 移到坝 体渗 流控制 。 本文 试 图利 用 岩 土 工 程 通 用 软 件 g e os p l o e程 序 , 针对 面板砂砾 石坝 , 分别就设 置竖 向排水体 和不设 竖向排水 体进行 渗流计 算 , 通 过 对 2种 情 况下 的浸 润 线位 置 以及 渗流量 大小 的分 析 , 研 究 渗 流对 坝 体 产生 的影 响 。 1 渗流分析模 型 根据 渗流 的运 动方 程 、 连续 性方程 以及达 西定律 , 当考虑土 和水 的压 缩性 时 , 二 维 非均 质 各 向异 性 非稳 定渗流的基本方程为: ( )+
5、 ( , ) =s Oh a ( 1 ) 式 中, h为待求水头 函数 ; k , k 、 分别为渗透介质在坐 标 、 Y 方 向的渗透系数 ; S 为单位储水率 ; t 为时间。 当假 设土 和水 不 可压 缩 时 , 则 由式 ( 1 ) 可 得二 维 非均 质各 向异性稳 定渗 流的基本 方程 为 : ) 十 ( 、 娑 ) : 0 ( 2 ) o 0 o) o y 2 某混凝 J 二 面板 砂砾石坝渗流分析 2 1 坝体基本情况及筑坝材料参数 某 混凝土 面板 坝坝 体 采用 漂 卵砂 砾 料 , 内设 烟 囱 式 排 水 体 , 下 游 部 分 填 筑 开 挖 石 料 , 上 游 坝
6、 坡 1 :1 5 5, 坝顶 高 程 2 8 9 4 5 m, 最 大坝 高 1 2 3 5 m, 坝顶宽度 1 2 m。大坝标准剖面如图 1所示。坝体 主 要 分为垫 层 、 过 渡层 、 排 水体 、 主砂砾石 区 、 下 游堆石 区 等 5个 区。材料参数根据试验 以及相关工程经验选 取 , 渗 流计算材 料参 数见表 1 。 2 2 计算工况 工 况 1 。正常 蓄水 位 2 8 8 7 7 5 m时 , 面板无 裂缝 , 面板 与 防浪墙底板 之 间水平接 缝止水 正常 , 计算 坝 内 收 稿 日期 : 2 0 1 00 41 4 作者简介 : 吴静茹 , 女 , 高级讲 师,
7、工学硕 士, 主要从事 土木水利_ T - 程高级教 学工作 。Em a i l : I Q g g q 1 2 6 e o m 第 1 2期 吴静茹 : 混凝土 面板砂 砾石坝二维有限元渗流实例分析 2 9 图 1大 坝 标 准 断 面 示 意 (单 位 : 高 程 m, 尺 寸 e m) 未设竖 向排 水体情 况 。 竖 向排 水体 , 坝体 内渗水排 出效 果颇 佳 。 表 1 渗 流 计 算 材 料 参 数 工况 2 。正常 蓄水位 2 8 8 7 7 5 m 时 , 面板 出 现大 量裂缝 , 面 板 与防浪 墙底板 之 间水平 接缝 止水 正 常 , 分 别计算 坝 内未设 竖 向
8、排水 体 和坝 内设置 竖 向排水 体情 况 。 工况 3 。上游 水位 2 8 9 1 I l l 时 , 面板 无 裂 缝 , 面板 与 防浪墙底 板之 问水 平 接 缝 止 水 失 效 , 分 别计 算 坝 内 未设竖 向排水体和坝 内设置竖 向排水体情况。 2 3 计算 结果及 分析 各 种工 况下 的渗 流有 限元 计算结 果 见表 2 。 表 2 各 种 工 况 渗 流 计 算 结 果 计算 结果 表 明 : ( 1 )当面板无 裂 缝 , 面 板 与 防 浪墙 底 板 之 间 水 平 接 缝止水 正 常 时 , 坝 体 浸 润 线 极 低 , 坝 体 内几 乎 无 渗 水 , 浸
9、润 线位 置基 本 上 与下 游 水 位 重 合 。这 是 混 凝 土 面 板砂砾 石 坝最佳 的工 作状 况 。 ( 2 )在 工况 2和 工 况 3两 种 情 况 下 , 设 置 与 不设 置 竖 向排 水体 的渗 流 量变 化 显 著 , 在 设 置 了竖 向排 水 体后 坝体 排水 明显顺 畅 , 特别 是在 工况 2情况 下 , 设 置 ( 3 )在 工况 2和 工 况 3两种 情 况 下 , 设 置 与不 设 置 竖 向排 水体 , 最 大渗 透坡 降变化 较 大 , 在竖 向排 水体 上 游 的垫 层段 , 设 置竖 向排水 体后 渗透 坡降减 小 , 对坝 体稳 定有 利 ,
10、特别 是在第 2种 工况 下 , 尤 其 明显 。 ( 4 ) 在 工况 2和工 况 3两种 情 况 下 , 不 设 竖 向排 水体 , 浸 润线位 置 高 , 渗 流逸 出点 也 很 高 , 坝 体排 水 能 力不 够 , 坝身 大部分 处 于饱 和状态 , 见 图 2和 图 4中浸 润线 及渗 流逸 出点 位 置 。 当设 竖 向排 水 体 后 , 浸 润 线 位置 明显 降低 , 渗 流逸 出点下 降到水 平排 水体 位置 , 避 免 了逸 出水流 冲刷 坝坡 , 有效 地 提 高 了坝 体及 下 游 坝 坡 的稳定 性 , 见 图 3和 图 5浸 润线及 渗流逸 出点位置 。 图 2面
11、 板 出 现 裂 缝 , 不 设 置 竖 向排 水 体 渗 流 计 算 结 果 图 3面板 出现裂缝 , 设置竖向排水体渗 流计 算结果 3结 论 ( 1 )在 面板砂 砾石 坝 中设置竖 向排 水体 能够有 效 地控 制浸 润线 的高 度和渗 流逸 出点 位置 。从 而提高 坝 体和 下游 坝坡 的稳定 。 3 0 人 民 长 江 2 0 1 0正 耀 图 4 止水失效 , 不 设置竖 向排水体渗流计算结果 ( 2 )当面板无裂 缝 、 面 板 与 防浪 墙底 板 之 间水 平 接缝止 水失效 时 , 即使 在 设 置竖 向排 水体 的情 况下 浸 润线依 然保持 一个较 高的位置 , 使坝
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