混凝土面板堆石坝局部止水缝失效渗透稳定分析.pdf
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1、2 2 0 西安理工大学学报 J o u r n a l o f X i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ( 2 0 1 5 )V o 1 3 1 No 2 文 章 编 号 :1 0 0 6 4 7 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 2 2 0 0 5 混凝土面板堆石坝局部止水缝失效渗透稳定分析 高俊 ,党发 宁 ,王振 华 ( 1 西安理工 大学 岩土工程研究所 , 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ; 2 中国电力工程顾 问集 团 西北 电力设计 院 , 陕西 西安 7 1 0 0 7 5 ) 摘 要 :混凝 土 面板
2、 堆 石坝 的 防渗 面板 很 容 易失效 , 面板 一旦 失效 对 大坝的 渗透 速度 、 渗透 流 量 以及 渗透坡降产生重大影响, 由于坝体7 - - 程地质条件往往 比较复杂, 需要研究恰 当的计算方法。利用计 算渗流的专业有限元软件 S E E P 一 3 D, 结合工程实例, 采用传统的数值计算方法, 计算单一垂直缝 不 同位置失效的水头分布、 渗透流量大小以及浸润线位置, 并与解析解进行对 比, 结果发现渗透流量 不符合 渗透 规律 。鉴 于此 , 在传 统 的数值 计 算方 法基 础上 , 提 出一 种新 的数 值 计 算方 法 , 即在 下 游 分 别施 加该 失效 缝位 置
3、 处的水 头边界 , 其 计 算结 果 与工 程 实 际和 解析 解 吻 合很 好 。研 究成 果 可 以 为混凝 土 面板堆 石坝 的 防渗设 计提供 参 考 。 关 键 词 :面板 堆石 坝 ; 垂直缝 失 效 ; 渗 流稳 定分 析 ; 数值 计 算方 法 中图 分类 号 :T V2 2 3 4 文 献标 志码 : A S e e pa g e s t a b i l i t y a n a l y s i s o f c o n c r e t e f a c e d r o c k f i l l d a m u n de r t he c a s e s o f l o c a l
4、 s e a l s e a m f a i l u r e GAO J u n 。DANG Fa n i n g ,W ANG Z h e n h u a 。 ( 1 I n s t i t u t e of Ge ot e c hni c a l Eng i n e e r i ng Xi a n Uni ve r s i t y o f Te c hn ol ogy,Xi a n 7 1 0 04 8, Chi na; 2 No r t h we s t El e c t r i c P o we r De s i g n I n s t i t u t e o f Ch i n a P
5、 o we r En g i n e e r i n g Co n s u l t i n g Gr o u p ,Xi a n 7 1 0 0 7 5 , Ch i n a ) Ab s t r a c t :The i mpe r v i o us f a c e o f c on c r e t e f a c e d r o c k f i l l da m i s e a s y t o g e t f a i l e d Onc e t h e i m pe r v i o uS f a c e f a i l si t c a n p r o d uc e a n i m p o
6、r t a nt e f f e c t u po n t he i nf i l t r a t i on r a t e,f l o w a nd s l o p e gr a d i e n t ,a c c or d i ng l y,i t i s ne c e s s a r y t o s t u dy a n a pp r o p r i a t e c a l c ul a t i o n me t ho d, f or t he d a m bo dy e n gi n e e r i n g ge o l o gi c a l c on di t i o ns a r e
7、 r a t he r c o mpl i c a t e d Th e pr o f e s s i o na l f i ni t e e l e me n t s o f t wa r e SEEP 3 D f or c o m pu t i n g s e e pa g e f l ow i n c o m b i n a t i o n wi t h e ng i ne e r i ng r e a l e x a mpl e s i s u s e d wi t h t he t r a d i t i on a 1 nu m e r i c a 1 c a l c ul a t
8、i o n me t h od t o c a l c ul a t e t he wa t e r he a d d i s t r i b ut i on s e e p a g e f l o w d i me ns i o ns a nd phr e a t i c l i ne po s i t i o n o f t he s i n gl e ve r t i c a l s e a m f a i l ur e i n di f f e r e nt p os i t i on s a nd t o ma ke t he c o nt r a s t wi t h t he a
9、 n a l yt i c a l s o l u t i o n S O t h a t t he r e s u l t s ha v e f ou nd t ha t t h e s e e pa ge f l o w i s no t i n c oi nc i de nc e wi t h t h e s e e p a ge l a w s Fo r t hi s r e a s on,b a s e d o n t he t r a di t i o n a l nu m e r i c a l c a l c ul a t i o n me t ho d,t hi s pa p
10、e r s u g ge s t s a ki n d o f n ume r i c a l c a l c ul a t i on m e t ho d ( i e wa t e r h e a d bo und a r y s ho ul d be a pp l i e d t o t he f a i l e d s e a m p os i t i on s d o w n s t r e a m r e s p e c t i ve l y) who s e c a l c u l a t i o n r e s ul t s a r e f ou nd t o b e i n v
11、e r y g o od c oi n c i d e n c e wi t h t h e r e a l e ng i ne e r i ng e xa m pl e s a nd a n a l y t i c a l s ol u t i o n Ac c o r di ng l y,t he r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r ov i d e t h e r e f e r e nc e s f or t h e s e e pa ge pr o o f de s i g n o f c o nc r e t e f a c e d r
12、o c k f i l l d a m Ke y wo r d s: r o c k f i l l da m ; v e r t i c a l s e a m f a i l u r e; s e e pa ge s t a bi l i t y a na l y s i s; nume r i c a 1 c a 1 e t l 】 a t j o n me t ho d 混凝土面板堆石坝因其断面小, 安全性好 , 施工 方便 , 可 简化 导流 , 工期 短 , 造 价低 , 已建成 工程 的 良 好 运行性 状 而使 它得 到 坝 工 界 的 日益 重视 , 其 设 计 和施 工技
13、术 也 日趋成 熟 , 但 由于构 造 要 求 混凝 土 面 收稿 日期 基 金 项 目 作 者简 介 通 讯 作 者 板中必然存在垂直缝和周边缝 。如果这些分缝的止 水效 果不满 足 要求 , 轻则 引起 面板 坝 的渗漏 量 过大 , 重则导致垫层料 、 过渡料 的渗 透破坏 , 危及坝体 安 全 。李炎 隆 等 。 研究 建立 了面 板 接 缝 及 面 板裂 缝 2 01 4 1 2 2 3 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 7 9 1 5 4 ) ; 水利部公益性行业科研专项基金资助项 目( 2 0 1 2 0 1 0 5 3 0 3 ) 。 高俊 , 男 , 硕士生 , 研
14、究方 向为岩土及水利工程数值仿真分析 。E ma i l : 4 0 9 9 3 8 4 0 3 q q c o rn。 党发宁 , 男 , 教授 , 博导 , 博士 , 研究方 向为水工结 构数值分 析、 计算 力学 与岩土 工程数值 仿真 。E ma i l : d a n g f n ma i l x a u t e d u c n 。 高俊 , 等 : 混凝土面板堆石坝局部 止水缝失效渗透稳定分析 2 2 1 的渗流计算模型, 并用实例进行 了验证, 结果表明将 等宽缝 隙稳定 流运动 规律应 用到 面板接 缝止 水失效 且 面板 产生裂 缝情 况下 面 堆 石 坝 的渗 流 分 析
15、中 , 获 得了在面板产生大量裂缝情况下 ( 非常工况) 面板堆 石坝的渗透变化规律 , 结果较为准确。王瑞骏等 基于等宽缝隙稳定流的运动规律 , 首先建立了单一 面板裂缝的渗流模型 , 在此基础上建立 了裂缝密集 型面板渗流的等效准连续介质模型, 结果表 明该模 型是一种较为准确实用的面板渗流计算模型。潘少 华等川 以金 川面 板 堆石 坝 为例 , 用 有 限元 方法 计 算 了当面板 缝 及 止 水 局 部 失 效 时各 种 工 况 下 的渗 流 场 , 系统 分析 了大坝 在 面板 垂 直 缝及 止 水 局 部失 效 后的稳定渗流场。张晓强等 朝以班多面板堆石坝为 例, 采用有限元方法
16、计算模拟了失效缝位置、 长度 、 宽度等因素对浸润线和等势线的影响。陈军强等 以白龙江某 水 电站 混 凝 土 面板 堆 石 坝 工程 为 例 , 根 据“ 分区模拟 , 等效组合” 思想 , 建立有限元模型 , 研 究了各渗流要素随失效缝位置、 缝长、 缝宽和垫层料 渗透 系数 的变 化情况 。 经过大量数值计算发现传统的数值方法 , 即上 游施加上游水头边界, 下游施加下游水头边界, 其余 位置均加不透水边界 , 其计算结果存在一些矛盾, 面 板失效缝在不同位置处 的渗透流量相差不大 , 甚至 失 效缝越 靠近 坝基 , 其 渗透 流量越 小 , 这 与对实 际工 程的认识和解析法计算结果
17、不符。鉴于此, 本文提 出一种新的数值计算方法, 即在面板上游仍然施加 上游水头边界, 但在下游分别施加该失效缝位置处 的水头边界 , 其余位置均加不透水边界, 其计算结果 与工程实际和解析方法 的计算结果吻合 比较好 , 因 此新 的数 值计算 方法 是合理 可取 的 。 1 面板坝局部垂直缝失效的渗流分析 关 于面板 失 效 产生 的 渗流 量 的计 算方 法 , 目前 国内外 的研究 相对 较少 , 亦 不够 成熟 。 对于混凝 土面板堆石坝, 通 常面板厚度 t 与失 效 缝 的宽度 b之 比( t b ) 3 4 , 所 以失 效缝 上 的水 头损 失不 可忽 略 , 失效 缝 的几
18、 何 尺寸 , 位置 以及 相对 粗糙 度对渗 透 流量起 控制作 用 。 对失 效 缝 的 渗 透 流 量 的 求 解 通 常 有 两 种 方 法 , 第 一种 方法 称 为表 面 渗透 性 法 ; 第 二 种 方 法 称为裂隙渗流法 。 根据王瑞骏等 的研究, 提出了用等效渗透系 数的方法来研究面板失效缝的渗透系数 K。( m s ) , 具体 表 达式如 下 : K。一 面n 3 b 2 y 式中, 为面板失效缝充填介质的空隙率, , 为水的 容重( N m。 ) , u为水的运动粘滞系数 ( P as ) , b为 裂 隙宽度 ( m) 。 当通 过面 板 失效 缝 水 流 为层 流
19、时 , 根据 达 西定 律 得到 通过失 效缝 的渗 透流量 为 : q K 。 一K 。 z b i ( 2 ) 其中, A 为垂直于渗流方 向面板失效缝的过流面积。 i 可按 下式 取值 : f 型 二 ( z L ) i ( 3) f H - x t a n a( z L 1 ) L t 式中, H , h 分别为 面板失效缝 上 、 下游水 头高 度 , d为面板坡角,t 为坐标 ( z, x t a n a )处 的面板 厚度, L 为失效缝处到坐标原点的水平距离 。 将式 ( 3 ) 代人式 ( 2 ) 中 , 有 : q K o A: =: K 0 f p 6 ( 4 ) 现取坝
20、轴线方 向单位长度为研究对象 , 对坝体 各区域建立渗流方程 , 计算简图如图 1所示 。 一 雠粥 午 体 ; L 7丛 A -B -r 一 。I l : : 反 滤 料 ln 、 卞 0 _ l 1 渗帷 特殊 垫 区 2 B 一 I 图 1 渗 流计算简 图 Fi g 1 Se e p a ge c a l c ul at i o n d i a g r a m 2 2 2 西安理工大学学报 ( 2 0 1 5 ) 第 3 1 卷第 2 期 通过垫层的渗透流量的计算公式口 。 。 如下 : 一k l , 1 + 1 。 ( l 一h 2 一b 1 C O S a s i n d ) 一
21、2 6 1 s i n 口 ( 5 ) 式中 , 是 为垫层的渗透系数 , r z 为上游坡 比, h 为 面板下游面水头高度 , h 为垫层下游水头高度 , b 为 渗流方 向上垫层 的厚度 。 通 过过 渡料 层 的渗透 流量 的计算 公 式 如下 : 一k 2 、 1 +r r t 1 ( 矗 2 一 3 。 一b 2 C O S 。 口 s i n 。 d ) 一 2 6 2 s i n ( 6 ) 式 中 , k 。为过渡 料 的渗透 系数 , 矗 。为 过渡 料下 游 的 水 头 高度 , b 。 为渗 流方 向上 过渡 料 的厚度 。 因为水在坝体 内的流动属于层流 , 因此符合
22、达 西定律 , 利用成层土体 的等效渗透系数将坝体转化 成 各 向 同性 均 质 的土体 并且假 设 坝体 中 的浸 润 面为 自由表面 , 符 合裘 布 依 假 设 , 故 通过 坝体 的渗 流 量 , 根据 渗流 计算 分析 与控 制口 , 计算 公式 如下 : k( 一 H2 ) L一 Hz + ( L一 H2 ) 。 一 2 ( 3 一 - 2 ) 走( h 3 H 2 ) H 2 l k 0 ( 3一 H 2 ) T , 7、 二 F 丽 联立求解公式( 4 ) ( 7 ) 可分别求得 q, h , h 和 h 3。 当下游坡脚处没有贴坡排水设备时 , 出逸点的 高度 h 。 可 由
23、下式口 计算。 当 k k 。时 , 假 定通 过浸 润线 出逸 点 的等 水 头 线 如 图 1中的 AB C线 , 则有 : ( 一 ) 尼 ( H2 ) H2 十 十 0 5 等H 0 4 4 T 2 矗 o + ( 。 一2 ) + 由上式可得求解 。的方程式为: h 。一 q 1 + ( 2+ 0 5 ) H2 ( 2+ 。 5 ) ( 。一 H2 )_ m m g 十 8丽2 。 了 0 而 酉 丽 0 4 4 ) +Hf2 ( 2+ 5 ) ( 一 H2 )+ 2 H2 + T ( 9 ) 当 k k 。时, 假定通过浸润线 出逸点 的等水头 线 如 图 1中 的 AD线 , 该
24、 假 定 从 流 网分 析 较符 合 地 基较 强透水 情 况 , 则 有 : k ( 。 一 H2 ) k 0 ( o H2 ) H2 l T十 十 z m ( 。 一 H 。 ) + 导 2_ 二 ( 1 o ) m2 h + 0 4 4 T 一 由上 式可解 得 h 。 的方 程式 为 : 。 一g + 篇丽 ) + H ( 1 1 ) 求得逸出点渗流水深后 , 浸润线的计算公式 如下 : 一 愚 。 T + 忌 ( 1 2 ) t 式 中 q 一 定 + 2( L + h3一 2 h 。 ) 厶。 L 、 L L 忌 o T _ ( 1 3 ) L 十m l n3 一 2 ho 式 中
25、 , H 为下 游水 头 高度 , m 为 下游 坡 比 , 丁为 坝 基覆盖层厚度 , L为坝体内浸润线的长度 , k为堆石 区的渗透系数 , k 。为河床覆盖层渗透系数。 2 实例运用 某面板坝位于青海省玉树县境内的澜沧江干流 ( 扎 曲) 的一级 支 流子 曲河 上 , 距 玉 树 州 州 府 结古 镇 9 7公里 , 距 省会 西 宁 9 4 0公里 。 该工 程 的主要 任务 是发 电。枢纽 建 筑物 主要 由 昆 凝 土面 板堆 石 坝 、 右 岸 泄 洪 洞 、 左 岸 溢 洪洞 、 引 水 发电洞及坝后厂房 等组成 。电站 上游正常蓄水 位 3 9 9 2 m, 下 游 水 位
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