光照碾压混凝土坝坝基三维渗流场的有限元分析.doc

精品论文大全光照碾压混凝土坝坝基三维渗流场的有限元分析吴世勇，朱岳明河海大学水利水电工程学院，南京（210098）摘要：本文利用固定网格结点虚流量法，通过对坝基岩体内复杂排水系统的精细模拟， 详细分析了光照坝基以及两岸岩体内的渗流状态和渗控效果，对光照碾压混凝土坝基础的渗控控制措施作出评价。关键词：光照水电站；坝基；渗流场；渗控措施；有限元分析 中国分类号：tv 139.1文献标志码：a1. 工程概况北盘江光照水电站位于贵州省关岭县与晴隆县交界的北盘江中游，是北盘江干流梯级 的龙头水电站，电站以发电为主，其次为航运，兼顾灌溉、供水及其他综合效益。正常蓄 水位 745m 时，相应库容 31.35 亿 m3，调节库容 20.37 亿 m3，为不完全多年调节水库。电 站总装机容量 1040mw，保证出力 180.2mw，年发电量 27.54 亿 kw.h。枢纽工程主要由 碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、右岸引水系统、地面厂房和左岸预留远景通航建筑物 等组成。坝址区岸坡平直，地形完整，两岸地形较为对称，为典型的“v”型横向河谷，山体雄 厚，河谷狭窄，岸坡上缓下陡，坡角约 45。坝区断层不发育，仅有 f1 和 f2 两条逆断层， 其中 f1 规模稍大，并且穿过坝基，其影响范围约 2030m 宽。坝区地下水靠大气降水分散 式补给或洼地落水洞集中式补给，两岸透水岩组地下水位均高于或接近同期河水位，地下 水以岩溶管道水、岩溶泉等形式排向北盘江。光照水电站碾压混凝土重力坝最大坝高达 200.50m，最大底宽 159.05m，顶宽 12m， 坝顶长 410m，大坝由左、右岸挡水坝段和河床溢流坝段组成。大坝建成并在水库蓄水后， 在库水位以及各种渗控措施作用下，坝基岩体的渗流状态将发生了很大的变化，为了了解 大坝基础的渗流状态和各种渗控措施的作用，笔者进行了光照水电站大坝基础岩体的三维 渗流场有限元分析。2. 计算理论根据广义达西定理，各向异性连续介质中的三维稳定渗流的控制方程和边界条件为h-7-xi(ki j x j) + q = 0（1）其中 xi 为坐标，i = 1, 2, 3 ；ki j 为达西渗透系数张量；hx3 + p / w ，为总水头，x3w为位置水头， p / 为压力水头； q 为源汇项。 边界条件有11h | = h ,kh nq（2）（3）ji j xi |2 = nkhji j x3ni | =0及 h = x3 ,（4）kh n及 h = x，（5）4ji j xi | 03pmhi j xi pmmkn |j 0 及h = h p。（6）其中h1 为已知水头函数； ni 为边界外法线方向余弦，i = 1, 2, 3 ； 1，2，3和4m分别为第一类渗流边界、第二类渗流边界、渗流自由面和渗流逸出面；qn 为法向流量，流 出为正； pm 为第 m 个溢出型排水孔； p 为第 m 个溢出型排水孔的内部边界；m 为溢流pm型排水孔编号， m 1，2，m，其中 m 为溢流型排水孔总数； 为第 m 个溢流p m型排水孔的所有单元临空面之和；h为第 m 个溢流型排水孔的孔顶高程。各种类型排水 孔见图 1。详细的计算方法请参照文献1234和5。3. 计算及成果分析3.1 渗流计算建模及单元网格剖分本次计算采用工程类比法选定了坝体材料的渗透系数；不同岩基的渗透系数则参照业 主提供的压水试验结果选取；坝基断层 f1 与 f2 的影响带都取 10m 宽，渗透系数参照压水 试验的结果（见表 1）。由于资料有限，所以三维整体渗流场计算域的上、下游侧面、两岸山体侧面所取的范 围达不到坝高的 2 倍，至于计算域底面到河床坝段的建基面的距离有最大坝高的 2.5 倍左右。底面及上、下游两个侧面视为不透水面，由于坝体的渗透系数比岩基的小两个数量级 左右，即岩基于坝体的渗透交换水量非常小，可以忽略不计，所以坝体建基面也视为不透 水面。计算模型坐标系的 x 轴与坝纵轴线重合，指向左岸；y 轴与坝横轴 0+0.000 重合， 指向上游；z 轴垂直于 xoy 平面，正向竖直向上，原点落在工程零高程面上。用空间八 结点六面体单元并辅以少量的五面体单元对计算域进行剖分，图 2 为渗流计算模型与单元 网格图，图 3 为坝基防渗帷幕的单元剖分图，图 4 为河床及两岸坝基排水孔网格剖分图，其中逸流型和溢流型排水孔分别有 120 和 508 个。计算网格共有结点和单元数分别是 63584和 51348 个，解题规模相当的大。本次计算上、下游面取正常水位，分别是 745.00m 和583.50m；左、右岸地下水位分别取 636.00m 和 753.40m。基础廊道 gallery坝顶 crest of dam灌浆及排水平洞 grouting and drainage gallery逸流型排水孔 escaping drainage holes溢流型排水孔 overflowing地层 t1yn材料种类渗透系数材料种类渗透系数（cm/s）（cm/s）f 和 f 断层1.00103地层 t yn21.78105地层 t1f 2-33.2910地层 t1f3.32101-152.68103-151.3810地层 t1yn1-252.70103-25地层 t1yn1-351.5810155地层 t1yn地层 t1yn2-153.4010drainage holes地层 t1f0.2810图 1 坝基内排水孔布置与类型fig.1 arrangement and types of drainage holes in dam foundations表 1 断层以及各种地层的渗透系数取值表table 1 coefficients of permeability of faults anddifferent batholiths图 2 渗流计算模型与单元网格剖分图 3 坝基防渗帷幕的单元剖分fig.2 finite elemental model and mesh offig.3 finite elemental mesh of impervious curtain inseepage simulationdam foundations图 4 河床与两岸坝基内排水孔边界面的剖分fig.4 boundary mesh of drainage holes in dam foundations3.2计算结果分析坝建基面的扬压力设计参照文献59的研究成果选取如图 5 所示。防防渗排排 渗 帷水水帷 幕幕幕 幕hdhdhu a2 hu hua1 hua1 0.3a(hu-hd)a2 0.2a 0.3hu上游水头 hd下游水头hu上游水头 hd下游水头（a）河床坝段建基面（b）两岸挡水坝段建基面a. fundamental plane of cauceb. fundamental plane of water-support abutments图 5 不同断面上设计扬压力水头分布示意图（单位：m）fig.5 distribution of design up-lift pressure on different sections (m)本次计算共分为四个工况：工况 1，所有设计渗控措施工作正常；工况 2，在工况 1 基础上，上游主防渗帷幕在与断层 f1 影响带相交处发生失效；工况 3，两岸坝基内的排水 孔幕隔孔失效，同时，上游主帷幕在与断层 f1 相交处失效；工况 4，坝基内的上游防渗主 帷幕全部失效。图 6图 9 中的 a 图是右岸不同高程建基面上的扬压力水头分布（distribution of up-lift pressure on different level fundamental planes），图 b 是在 z=570m 剖面上渗流场 等水头线分布（distribution of isolines of hydraulic head in section z=570m）。计算结果表明，在设计渗控措施正常工作情况下（工况 1），上下游山体中的渗透水流 都得到了有效控制，贴近建基面出现了渗流疏干区，坝基大部分区域扬压力水头分布满足 设计标准，表明现有防渗和排水措施能够满足工程渗控设计要求。据多年的研究成果，防 渗帷幕的渗透系数一般只要比周围材料的大 35 倍，其作用基本上就可以满足工程上的防 渗消能需求，由本工况计算结果图表明，坝基上游来水的渗透能大都消耗在防渗帷幕内（即 上游来水的大部分渗透比降都消耗在主防渗帷幕内），所以在帷幕的上、下游部分的水头比 降都很小，充分利用了防渗帷幕的强抗渗透变形的能力，从而防止了坝基的岩体的渗透变 形，保证了设在帷幕后的排水孔幕的长期畅通，而排水孔幕具有强大的排水降压作用，避 免了坝基由于过大的扬压力而造成的安全稳定隐患，所以在工程的施工设计中，尤其要注 意防渗帷幕的施工质量，保证帷幕的完整性。因为只有帷幕充分发挥作用，才能避免帷幕 后的排水孔周围出现渗透变形，从而确保了排水孔幕的长期畅通，实现对坝基扬压力的有 效降低。由工况 2 的计算结果表明，防渗帷幕在与断层 f1 相交处背后部分排水孔的排水量从 工况 1 的 7.5610-4m3/s 增大到了 1.4010-3m3/s，将近翻了一番，验证了防渗帷幕的阻渗作 用是非常明显的。此时右岸坝基的扬压力水头分布较工况 1 的更加安全；帷幕失效处背后 的建基面扬压力由于排水孔幕的强大排水作用，其扬压力分布仍然低于设计标准，由此可 以看出排水孔在排水顺畅的前提下，其排水降压的作用是非常强大的。由于，防渗帷幕渗 透系数比断层影响带小将近两个数量级，所以在帷幕失效后，其背后流经排水孔流量的增 加是由于排水孔的影响区域增大的原因，渗透比降反而有所减小，所以该区域排水孔受到 渗透变形的威胁反而降低。但是，渗透流量越大，断层内流入排水孔的细小颗粒越多，排 水孔被堵的危险就越大，一旦排水孔被堵，那么它的排水降压优势也就不复存在，所以防 渗帷幕防渗堵排作用对排水孔幕的长期正常运行是至关重要的。鉴于排水孔强大的排水降压作用，又考虑到坝基的不利地质现实，工况 3 在工况 2 基 础上，拟定两岸坝基内排水孔幕隔孔失效，即排水孔间距扩大为设计值的两倍，检验目前的渗控设计是否还有优化的余地。计算结果表明，由于排水孔的减少，流经两岸排水孔的总流量为 3.4510-3m3/s,基本上是工况 2 对应的 6.4710-3m3/s 的一半，由水头等值线分布图， 可以看出，位于河床坝基封闭防渗区域内的变化微乎其微，只是在位于两岸部位的坝基内 的水头等值线分布有所变化，尤其是位于左岸部分水头等值线分布以及坝建基面下的自由 面的分布有所变化，不过，坝基建基面上的扬压力水头分布仍然符合设计标准（除了受右 岸地下水影响的右岸局部区域外，这与设计工况 1 差别不大）。由此可以看出，坝基两岸 排水孔在隔孔失效情况下仍能满足工程安全的需要。通过工况 4 的计算，发现在上游主防渗帷幕失效的情况下，在主帷幕所在区域的等水 头线分布密度变稀，但是从主帷幕附近的局部区域的水头等值线的分布密度却增大了（除 了帷幕与断层 f1 影响带相交的区域），这表明了位于帷幕背后排水孔附近的渗透比降在 帷幕失效后要较失效前有所增大。即结合上面的一点可以看出，由于少去了防渗帷幕的防 渗消能作用，坝基附近的地下水渗透更加顺畅，进而导致流经排水孔的流量增大；同时， 坝基帷幕后排水孔幕的附近区域也将会由于渗透比降增大，可能造成该区域岩体的渗透变 形，进而堵塞排水孔。所以，为了避免坝基岩体的渗透变形破坏，保证排水孔的排水通畅， 防渗帷幕的设置是非常必要的。3.3结论首先，针对断层带 f1 穿过左岸坝基防渗主帷幕的问题，由于主帷幕背后排水孔 幕强大的排水降压的截渗作用，即使出现防渗帷幕在与断层带 f1 相交处失效，只要能保 证排水孔幕的永久正常运行，那么在这种不利情况下仍然可以维持坝基的安全稳定要求。 不过，尽管 f1 断层带岩溶发育不均匀，透水性不强，但是由于在断层带内存在部分泥质 不稳定材料，为了避免因为过大的流量流经排水孔，造成断层带的细小颗粒流入并堵塞排 水孔，建议在对上游防渗主帷幕以及该处的排水孔幕的施工设计中要给予充分的重视。其次，由于右岸地下水位较高，通过计算发现，在现有的渗控设计下，尽管防渗主帷 幕背后的排水孔幕影响范围很广，但是在坝基右岸侧仍有部分坝基在中下游侧扬压力偏大， 故在结合坝体稳定安全的设计规范，考虑能否在这部分坝基内部设置少量的渗控设施，譬 如，类似河床部分，增加少量的纵向排水设施。第三，由于本次计算边界条件选取偏于安全，所以坝基两岸的渗控设计仍然是非常安 全的。如果能够保证排水孔幕的永久畅通，那么坝基两岸部位的排水孔间距还是可以适当 扩大的。但如果为了应付将来坝基内岩溶的进一步发展，原设计中的偏多的排水孔则可以 用以作为将来的备用。第四，在上下游正常水位情况下，计算了流经坝基不同部位排水孔幕的流量，为将来 的坝内排水设计提供了依据。同时在计算河床坝基上的排水孔幕的流量时，发现位于两岸 侧有相当一部分排水孔没有发生溢流，也就是没有发挥排水作用，为这部分的渗控设计优 化提供了依据。通过上面的计算分析表明，坝基采取的“前堵后排”的渗控设计理念是正确的。这是因 为该设计理念实现了防渗帷幕与排水孔幕二者的优势互补，即通过利用防渗帷幕的强抗变 形能力和低渗透系数，实现了对来水的消能防渗，保证了排水孔幕正常工作，进而也实现 了排水孔幕的强排水降压作用。充分表明了二者 “相辅相成”、“互补共生”的关系。=141651.0014.1111.19 4.99 21.63下上664656067089000坝中心线 上游y750 740720710 700730 720 720730 690 680670660 660600 580570620640 610590 580620640740 720 700 680 66065059063060050 730 710 690 670570610 620 630570590 590570650y=0游0.00 7.97 2.60599.55游13.598.74断层f1经过区域35.26断层f1 影响带 中心线0.62 0.10 3.78 0.6928.50 20.3211.140.38555.002.3640.7389.28断层f2 影响带 中心线x=-305x=0 下游y=-291 x=308图 6.a （单位：m）图 6.b （单位：m）fig.6 simulation result of case 1 (m)坝中心线y=141651.0021.45下上游游599.55750740 730 720640720730570720710700 690 680610580670630660650640y=00.00 13.55 2.9910.806.6734.29断层f1 影响带740 720 700 680 660590590640 620600600610630 610620断层f1经过区域0.103.69 0.68 10.840.0040.22中心线断层f2750 730 710 690 670650y=-29188.56中心线 x=-305x=0 下游x=308图 7.a （单位：m）图 7.b （单位：m）fig.7 simulation result of case 2 (m)=141651.0014.169.54 5.45 21.99下上游599.55游0.00 7.982.6013.608.7535.71断层f1经过区域断层f1 影响带 中心线730690680y=0555.000.23 0.10 3.79 0.69 11.15 0.38 0.0028.50 20.3340.7589.31断层f2 影响带中心线 x=-305x=0 下游坝中心线 上游y750 740 730 720 720720 700710670650660690 650620640580 570 580620600 630640 590620700 680 660 630 610600 610740 720670 650710 690590730750590 590y=-291 x=308图 8.a （单位：m）图 8.b （单位：m）fig.8 simulation result of case 3 (m)=141 651.0010.838.023.34 14.16坝中心线 上游y700 680750 740730 720710 720730 720710 690670700660650640610640580 570 580630620600 620590660 640 610680 650 630 600 610700740 720 690 670 590750730 710下上y=0游0.0015.014.39599.55游12.998.7022.76断层f1 影响带 中心线断层f1经过区域555.0028.500.240.10 3.68 0.6813.4410.860.37 0.0023.3879.34断层f2 影响带中心线 x=-305x=0 下游y=-291 x=308图 9.a （单位：m）图 9.b （单位：m）fig.9 simulation result of case 4 (m)参考文献1 朱岳明. 改进排水子结构法求解地下厂房洞室群区的复杂渗流场j.水利学报，1996.9：79-85 2 朱岳明. 拱坝坝基渗流场的有限单元法精细求解j .岩土工程学报，2003.03，25（3）：326-3303 朱岳明. 龙滩碾压混凝土重力坝坝基及坝体渗流与排水对大坝安全性的影响的研究r .河海大学水工结 构研究所，1995.34 朱岳明. darcy 渗流量计算的等效结点流量法j.河海大学学报，1997，25（4）：105-108 5 朱岳明，张燎军等.龙滩高碾压混凝土重力坝的渗控设计