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南湾水库坝基顺河断层带渗透稳定性研究 摘要 南湾水库坝型为粘土心墙砂壳坝，最大坝高3 5 m ，坝长7 4 3 m ，在 大坝轴线桩号0 + 5 7 0 0 + 6 1 4 处，发育一宽达4 4 m 的断层带，为近e w 向 的冲断层、n 3 0 4 5 0 。w 的捩断层及n i o 。2 0 。w 的横断层交会处。 桩号0 + 5 7 0 以东，坝基基本上位于断层带上，岩层非常破碎，特别是 断层中多为疏松、胶结不良的角砾岩与断层泥，其中含有可溶性石灰 质与黄铁矿。大坝施工时曾对该断层带进行了超挖回填粘土的截渗处 理措施，在坝体中设置有渗流测压管。大坝运行半个世纪以来，如今 坝体的渗流稳定和坝基防渗效果成为各方关注的主要问题。 本文对于南湾水库坝基顺河断层带渗透稳定的研究是在分析整 理和利用己有的观测资料的基础上，并进行了详细的野外勘查，结合 室内、野外试验综合分析进行研究；以工程地质学和工程地质分析原 理为指导思想，运用由外及内，由点到面的研究思路，从工程地质及 工程的观点出发，从坝址区的地形地貌、地层岩性、地质构造入手， 分析断层带及影响带的渗透特征、渗漏量和抗渗强度，通过钻孔压水 试验确定断层破碎带的破坏比降，利用较为成熟的平面二维有限单元 法对渗透稳定性进行数值模拟分析，确定坝基实际水力比降；然后通 过对比分析综合评价坝基的渗透稳定性和坝基渗流量。为南湾水库坝 基防渗设计和决策提供了科学依据，社会效益和经济效益显著，达到 了国内先进水平，对其它类似工程具有较好的借鉴参考价值。 关键词：南湾水库顺河断层水力比降渗透变形数值模拟渗漏量 s t u d yo ns e e a g es t a b il i t y0 ff a u l tz o n el nt h e d a m s lt e o fn a n w a nr e s e r v oir a b s t r a c t t h e 孵o f n a nw a nr e s e r v o i rd a mi sc l a yc o r es a n dd a m , t h el a r g e s th e i g h t o f d a mi s3 5 m , a n dt h el e n g t ho f d a mi s7 4 3 m i n0 + 5 7 0 , 4 ) + 6 1 4s e g m e n to f t h ed a m a x i s ，t h e r ei saf a u l tw i t h4 4 mw i d t h , w h i c hi sl o c a t e di nt h r a s t 盘u hn e a re w ，t e a r f a u l t sn 3 0 。t o5 0owa n dl l r n s v e r s ef a u l tn 1 0ot o2 0 。w g l o s s - s e e d o n a ll a y e r i n t e r c h a n g e t ot h ee a s to f0 + 5 7 0s e g m e n t , t h ef o u n d a t i o ni sb a s i c a l l ya tt h ef a u l t , t h e r o c ki sb r o k e n , a n de s p e c i a l l yt h e r ei sm u c hl o o s e , b a d l yc e m e n t e db r e c c i a sa n df a u l t g o u g ei nf a u l t , w h i c hc o n t a i n ss o l u b l el i m e s t o n ea n dp y r i t e w h e nc o n s t r u c t i n gt h e d a m , t h ef a u l t - d u gc l a yb a c k f i l ls e e p a g el l e a l m e n lm e a s u r e s 眦t a k e n , a n ds e t u pa s e e p a g ep i e z o m e t c ri n t h ed a m t h ed a mh a sb e e no p e r a t e df o rh a l fac e n t u r y , n o w a d a y st h es e e p a g es t a b i l i t yo ft h ed a ma n dt h ei m p e r m e a b l ee f f e c to ft h ed a m f o u n d a t i o nh a sb e e , o m eam a j o rc o n o 汜r no f m a n yp a r t i e s t h er e s e a r c hf o rt h ed a mf o u n d a t i o no ft h en a nw a nr e s e r v o i rf a u l ti r d i l t r a t i o n s t a b i l i t ya i o n gr i v e rf l o wd i r e c t i o ns h o w si nt h i sp a p e r , i sb a s e do nt h ec o l l a t i o na n d a n a l y s i so fe x i s t i n gs u r v e y e d 纰a n dad e t a i l e df i e l ds u r v e y ，c o m b i n i n gi n d o o ra n d c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f t h ef i e l dt e s tt os t u d y ；e n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dg e o l o 西c a l e n g i n e e r i n ga n a l y s i st h e o r ya st h eg u i d i n gp r i n c i p l e ，a n du s i n gt h er e s e a r c hi d e a so f f r o mo u t s i d et oi n s i d e ，f r o mp o i n tt op l a n e ，f r o mt h ep o 斑o fv i e wo fe n g i n e e r i n g g e o l o g i c a la n de n g i n e e r i n g ，f r o mt h et o p o g r a p h y ，l i t h o l o g ya n dg e o l o g i c a ls t r u e t t t r eo f d a ms i t e ，t oa n a l y z et h ep e n e t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，l e a k a g ea n di m p e r m e a b i l i t y s t r e n g t ho ff a u l t a n di m p a c tz o n e ，u s i n gb o r e dw a t g lp r e s s u r et e s tt od e t e r m i n e f l a e t t l r eg r a d i e n t , a n du s em o r em a t u r e2 i ) f e mp e n e t r a t i o ns t a b i l i t yo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s ，d e t e r m i n et h ea c t u a lh y d r a u l i e 鲈a d i c n to ft h ef o u n d a t i o n ；t h e n u s i n gc o m p a r a t i v ea n a l y s i st oe v a l u a t ee v a l u a t i o nf o u n d a t i o ns e e p a g es t a b i l i t ya n d f o u n d a t i o ns e e p a g ec o m p r e h e n s i v e l y t h i sp r o v i d e ss c i e n t i f i cb a s i s f o rs o u t hb a y r e s e r v o i rd a mf o u n d a t i o ni m p e r m e a b l ed e s i g na n dd e c i s i o n - m a k i n g ，s o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t ss i g n i f i c a n t l y , r e a c h e da d v a n c e dd o m e s t i cl e v e l ，h a sg o o dr e f e r e n c e v a l u ef o ro t h e rs i r m l a r 曲g i l l e e r i i 喀 k e y w o r d s ：n a nw a nr e s e r v o i r , f a u l ta l o n gf i v e rf l o wd i r e c t i o ns h o w s ，h y d r a u l i c g r a d i e n t , d e f o r m a t i o ni n f i l t r a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , l e a k a g e 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立 进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的没有剽窃、抄袭等违反学术 道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中 不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水 利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 姗躲白钮呈 保证人c 导师，签名f 江盒 签字日期：- 一万厶弓 签字日期：力矿吵z 弓 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授 权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数 据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子 文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文储躲备锻呈导师张f ：p f ， j 签字日期：m 嘭g 弓 签字日期：砷占； 华北水利水电学院工程硕士学位论文 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 水库可以调节利用水资源，促进国民经济发展和保障人民生命财产的安全。 在人类社会的文明发展过程中，世界上许多大江河上都兴建了水库，这些工程的 建设为当地经济的发展做出了重大的贡献。但是，由于对某些方面认识不足，一 些水库在勘察、设计、施工时存在问题，使得水库为经济建设做出贡献的同时， 也危害着附近居民生命财产安全。i t - 5 1 南湾水库位于河南省信阳市西南约8 5 k i n 处，淮河上游支流师河上，地理位 置为北纬3 2 。87 、东经n 4 。有市内公共汽车直达坝址区，交通方便。水库于 1 9 5 1 年勘测设计，1 9 5 5 年建成。主体工程包括大坝、溢洪道、输水洞及电站。水 库控制流域面积1 0 5 8 k m 2 ( 最新校核为l l o o k m 2 ) ，设计水位1 0 6 9 3 m ，相应库容 9 3 2 亿矗，校核水位1 1 0 5 3 m ，相应库容1 3 1 亿m 3 。坝型为粘土心墙砂壳坝，最 大坝高3 5 m ，坝长7 4 3 m ，坝顶高程1 1 0 8 0 m 。为一防洪、灌溉、发电、养鱼、城 市供水、航运等综合利用的大型水利枢纽工程，也是我国建国初期为治理淮河建 成的大型水利工程之一 2 0 0 3 年6 月3 0 日南湾水库大坝安全评价报告通过专家鉴定，并上报水利 部，水利部大坝安全管理中心于2 0 0 3 年7 月2 2 日文以坝函 2 0 0 3 1 2 4 1 号核查 为三类坝，需进行水库除险加固。根据河南省水利勘测设计院南湾水库除险加 固工程初步设计阶段勘测要求，确定本次勘察的主要任务是：通过室内外试验， 查明坝基顺河断层的结构、颗粒组成、透水性及允许渗透比降，判断其可能发生 的渗流破坏形式；依据坝基试验和渗流观测资料，通过数理统计分析和二维有限元 分析等方法评价，预测水库现状水位和未来高水位各运行工况下坝基渗流场的渗 透稳定性。水库在不同水位作用下的坝基断层带的渗透稳定性直接关系到水库的 正常运营。 华北水利水电学院工程硕士学位论文 基于此。选择南湾水库坝基顺河断层带渗透稳定性研究作为论文题目，研究 渗流作用下坝基稳定性、确定坝基渗流量，具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 国内外许多地质工作者虽对水利水电工程坝基岩体的工程特性进行了大量的 研究，包括渗流理论、控制渗流的措施以及坝基渗漏与渗透问题的评价办法，但 是坝基岩体成因复杂、非均质、各向异性等特点，使得所有研究必须建立在了解 坝基工程地质条件、水文地质条件的基础上。相关的研究内容主要有： 1 2 1 渗流理论的研究 水利水电工程渗流问题的分析，首先取决于应用的渗流基本规律及采用的渗 流参数是否符合实际。不同的岩土材料有不同的物理、化学、几何性质，渗透水 流在岩土中运动亦有不同的水力条件。 渗流规律一般取决于渗透平均流速与渗透水力坡降的关系，不同的透水介质 具有其相适应的渗流规律和参数。结合松散岩的特点，许多学者就渗流基本规律 提出自己的见解，取得了一些研究成果。 法国科学家达西( 1 8 2 5 - - - 1 8 5 5 ) 提出了达西定律后，为以后渗流理论的研究和发 展，为解决工程实际问题奠定了基础。以后的几十年中，司立希特与欧拉分别就 颗粒粒径方面对达西定律适用性进行了研究；巴甫洛夫斯基从水流形态( 层流和紊 流) 方面进行研究，给出了适用于达西定律范围的临界流速1 6 】：j v 纳给、g 卡拉、 芬奇等人以雷诺数为参数进行研究，确定了反映达西定律适用范围的临界雷诺数 【7 】；也有人研究后给出了普遍适用于线性和非线性渗流区域的渗流经验关系公式 嘲。由于土的颗粒组成、形状及排列情况不同，不同研究者由试验确定的临界雷诺 数，变化在1 - - 1 0 之间，相差较大，故至今尚无确定达西定律适用范围的明确标 准【9 】。实践证明，达西定律适用于呈线性阻力关系的层流运动，而天然土体中多数 土体的渗流呈线性阻力或近似线性阻力关系，因此达西定律至今仍广泛应用于土 力学的各个方面，许多工程问题皆是以达西定律为基础建立数学模型和物理模型 的。因此，达西定律仍为解决渗流问题的基本定律，也是渗流理论研究的基础。 2 垩! ! 查型查皇兰堕三堡塑主芏笪堡壅 众多学者认为自然界多数松散岩的渗透流速与水力坡降呈线性关系，符合达 西定律，可用达西定律反映渗透特征并确定渗透参数：而对那些粗颗粒松散岩， 由于孔隙大、流速大，渗透流速和水力坡降呈非线性关系，不符合达西定律。因 此，从工程实用观点出发，v = 置。j ”( v _ 渗透流速，卜水力坡降，k 亨一广义渗 透系数，n r 渗流指数，其值为1 - - , 0 5 ) 成为许多学者所认同的形式简单、应用方 便，又能体现所有粗粒士渗流特性( 线性和非线性) 的渗流关系式【1 0 1 。当m = l 时， 与达西定律v = k j 相同；当m = 0 5 时，与巴甫洛夫斯基的紊流定律相同；当o 5 5 5 4 8 m m 。 ( 4 ) g y l q 1 第一段试验，深度2 4 4 - 3 0 0 m ： 试段岩性为灰白、浅灰色石英片岩，受断层影响裂隙发育，岩心多呈碎块状， 个别呈圆柱状，其中2 7 0 2 8 6 m 岩心多呈1 - 2 e m 碎块状。该段位于坝基基岩上部， 最大压力为0 7 5 m p a ，最大流量仅1 4 l r a i n 。p q 曲线类型为层流状态，未发生破 坏。破坏坡降 4 4 7 m m 。 ( 5 ) g y k 2 1 第二段试验，深度3 0 4 - 3 7 0 m ： 试段岩性为石英片岩，在3 2 9 - 3 3 ，9 m 处可见断层角砾岩及糜棱岩，擦痕清晰， 胶结较好。岩心呈碎块状，金刚石钻进回水正常。考虑到一般破坏压力较大，该试 验段从o 1 m p a 开始逐级加压，最高加至1 0 m p a ，最大流量4 9 5 l r a i n ，主孔、观 测孔流量( 水位) 也随之有规律的增加。p q 曲线近直线，地层未发生管涌破坏。 破坏坡降 5 5 3 9 m m 。 一 n ( 6 ) 0 y l ( 2 1 第三段试验，深度3 7 小4 4 0 m ： 试段岩性为灰白色石英片岩，其中3 8 7 3 9 2 、4 1 7 啦3 m 两处见有断层角砾岩， 砾径一般5 - 1 5 r a m ，硅质胶结，岩心多呈碎块状，个别呈半圆柱状。试验从o 1 m p a 起，逐级加压至0 9 m p a 发生变形，1 , 0m p a 压力下完全破坏。在o 9 m p a 压力之前， p q 曲线近直线层流关系，但加压由0 9m p a 到1 , 0m p a 过程中，主孔流量增加非 常有限，但观测孔水位上升较迅速。主孔压力在1 0 m p a 下，观测孔水位溢出孔1 ：3 ， 1 小时后回水流量突然猛增，观测孔流量由0 9 l m i n 增至7 l r a i n ，同时压力开始下 降由1 0 m p a 降至o 8 m p a ，主孔流量则由4 6 51 , m i n 增至4 9 l m i n ，同时观测孔流 量由7 l m i n 增至1 5 l r a i n ，此时孔口出现乳白色浑水，持续约1 0 分钟后，观测孔 水色逐渐变清，此时观测孔水位上升至地面以上9 r n 。试验表明，该试段在1 0 m p a 试验压力下已经发生管涌破坏，p q 曲线上出现两个拐点，0 , 9 m p a 为临界状态， 3 2 华北水利水电学院工程硬士学位论文 1 0 m p a 为破坏状态，对应临界坡降为4 7 5 5m m 和破坏坡降5 0 1 m m 。 ( 7 ) g y k 2 1 第四段试验，深度4 4 0 5 0 0 m ： 本段试验试段岩性与上部相似。p - q 曲线呈层流状态，最大压力1 0 m p a ，最大 流量3 1l m i n 。未出现管涌破坏。破坏比降 4 8 7 9 m m 。 3 4 钻孔管涌试验 p - q 曲线分析 本次试验判断破 坏以主孔p - q 曲线为主， 观测孔资料为辅。p q 曲 线共有三种类型。 ( a ) 完全破坏 如右图所示，曲线具 备明显的破坏形态，曲线 由三部分构成：1 、层流 直线段2 、破坏变形阶段 3 、破坏后阶段：曲线上 有两个拐点，分别是临界 点和破坏点。在临界点之 后，曲线偏向q 轴，压 力增加不大的情况下， q 却很大。破坏点之后， 管涌通道形成，流量持续 增大，压力因为渗透空间 的加大而降低。g y k 2 1 第三段试验为这种类型； ( b ) 局部管涌 曲线破坏特征不明 p ( m p a 3 3 i n ) 垩i ! 查型查皇兰堕三墨塑圭堂焦堡壅 显，但可明显判断出管涌已经出现。g y k i 1 第二段试验为此种类型； ( c ) 不破坏 试段在较高 压力下仍未破坏，且 增加压力没有任何破 坏迹象。表现在p q 曲线上的形态为一近 似直线，破坏坡降大 于最大压力所对应的 渗透比降。( a ) 、( b ) 类型之外的试段均属 此类型。 以下式来计算 渗透破坏( 临界) 坡降 i n ) 渗透破坏( 临界) 比降= ( 主醐l 水头+ ( ) 莎瞅蚓水翻帑氐( 或 1 劫) ( 设计孑 距蚺钻 孔斜懒彩 管涌试验成果总表如表3 5 i 所示。本次试验依照试验大纲和实施计划执行， 并参考了其他工程的经验，取得了一定的成果。整体来看，断层带岩体透水率2 6 $ 0 9 1 u ，属弱透水。从坝基施工截水槽开挖所揭露的断层破碎带物质组成分析，破 碎带中的断层泥呈塑性粘土状，内夹小碎石，并含有可溶性物质。本次断层带岩体 试验破坏坡降较大，不足以反映断层破碎带最差部位的岩体破坏坡降。但在一定程 度上也反映了该断层的渗透特性。根据水利水电工程地质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 9 9 ) 附录m 之规定，岩体临界坡降应除以适当的安全系数作为渗透变形的允许水力坡 降。建议取用3 5 的安全系数，故断层带岩体破坏坡降选用1 4 0 、允许坡降选用1 3 - 3 。 本次试验破坏坡降大于4 4 6 7 ，两段发生管涌的破坏坡降分别为4 9 0 3 、5 0 1 。因此， 岩体破坏坡降采用1 4 0 、临界坡降采用1 3 3 。 表) - 5 - i 钻孔管涌试验成果总表 t a b3 - 5 1b o r ep i p i n ge x p e r i m e n tr e s u l tg e n e r a lt a b l e 试验深度渗揪 透水率 孔号岩性临嬲破懈 ( 1 n )l f f s ( m 1 s ) g y k l 12 4 4 3 0 0 4 4 6 79 9 38 0 9 g y k l 1 3 0 4 3 7 o4 6 6 2 4 9 0 3 3 6 l2 8 4 g y k l 13 7 4 4 4 o 5 5 4 87 1 15 6 0 断层 g y k 2 12 4 4 3 0 o 4 4 7 3 1 92 6 0 破碎带 g y k 2 l3 0 4 3 7 o 5 5 3 98 6 06 7 7 g o 一13 7 4 4 4 04 7 5 55 0 16 8 85 0 1 g o - 14 4 0 5 0 0 4 8 7 95 6 94 5 7 在求解各个渗透比降时候，参与运算的数据只有水头差和渗径两个参数，目前 尚无资料论证孔径、试段长度、主试验孔与观测孔的距离对试验成果的影响，建议 作专门性研究。 3 5 华北水利水电学院工程颂士学位论文 第四章坝基渗流场特征数值模拟 坝基渗流计算是在已知定解条件下，通过求解渗流基本方程以求得渗流场内的水头分 布和渗流量等要素。由于无压渗流有渗流自由面，且渗流自由面又是随时闻而变化的，加 之坝基渗流场有不同程度的非均质性和各向异性，几何形状和边界条件较复杂，解析法求 解在数学上存在很多困难。因此，对南湾水库坝基渗流场的求解采用数值模拟。 有限单元法是一种数值方法，由于它所依据的理论具有普遍性，已在渗流计算中被广 泛采用。根据南湾水库坝基的具体特征，本次研究采用剖面二维流进行渗流场模拟。 渗流场各透水岩土层参数和坝基边界条件的确定是有限单元法计算的关键。本次模拟 计算主要是通过试验成果和观测资料的反演分析方法确定各透水层渗透系数。 根据南湾水库管理局提供的自1 9 5 8 年至2 0 0 2 年坝体和坝基的水位观测资料面绘制的 坝体浸润线等值线图和坝基等值线图见附图4 _ l 附图4 - 1 2 。 4 1 基本理论 4 1 1 数学模型 日：z + 一p 设水头函数为： ， 式中：p 地下水压力； r 水容重； z 自某基准面算起的高度。z 轴铅直向上。 假定渗流服从d a r c y 定律，在x ，z 两个方向的流速分别为 _ = 一j r j 罢k = 一疋罢 式中k x ，k z 分别表示x ，z 两个方向的渗透系数。 假定流体为不可压缩的，则其连续方程为 要t - 睾一q ：o 一二一。一【，= u 其中q 为内部体积源。 ( 4 - 1 ) ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) 华北水利水电学院工程硕士学位论文 将( 4 - 2 ) 式代入( 4 3 ) 式，可得到二维各向异性稳定渗流域q 内的水头函数h 所应满足 的偏微分方程 丢k 訇+ 鼢罢 咖。 m ；， 针对具体工程，该水头函数h 应满足的边界条件基本上可分为两类，即 第一类边界条件一水头边界，即在边界上水头已知。 日f l2 啊( 工，力( 4 - 5 ) 式中：f 1 为属于第一类边界条件的渗流域边界； 托( 工，z ) 为n 上的已知水头函数。 ( 2 ) 第二类边界条件一流量边界，即在边界上流量已知。 e 乳= 1 式中：f 2 为属于第二类边界条件的渗流域边界，如不透水边界、潜流边界、自由面 边界等； n 为f 2 的外法向； ( n 为n 方向的渗透系数。 对于笛卡尔坐标系，有 疋要蝇罢t | - - g 蹿 岔i r 2 ( 4 6 ) 1 x ，l z 为n 方向在x ，z 方向的方向余弦。 对于无压渗流的自由面边界还应满足条件 h = z( 4 7 ) 由基本方程( 4 - 4 ) 和定解条件( 4 - 5 ) 、( 4 - 6 ) 、( 4 - 7 ) 构成个边值问题，可求解确定 渗流场的水头函数h 。 根据变分原理，该定解问题可等价于下述泛函的极值问题 旭，州e ( 势啦剀一妒卜r q h d s = r a i n ( 4 - 8 ) 4 1 2 数值模拟 华北水利水电学院工程硕士学位论文 用有限单元法求该问题的近似解。首先将整个渗流域q 离散为有限个单元，各单 元内的水头函数可近似表示为 日g ，= ) = f 蝎 式中：州e _ 单元结点数； h i 单元各结点水头； n i 单元形函数。 把单元e 作为整个渗流域q 内的一个子域垃，在该子域上的泛函为 以奶2 水( 势疋( 掰妒卜+ 炉 沁。 对上式求微分可得 等2 砟卜罢舌( 訇蝎罢舌( 别 。， 由式( 4 - 9 ) 可知在单元e 内有 代入式( 4 - 1 1 ) ，可德 ( a s - s , 苈( 奶 硒i 历( 奶 羽m ， 署= 喜鲁i 搛 m “ 生f 塑1 ：盟 御。t 盈) 减 詈- n l ( r = x ，z ) ( r = 五力 ；j 争：【】。s - s j + 厂) 。 。雨晤2 【2 j + 式中，k r 为单元的渗透矩阵。 由式( 4 1 1 ) 可知矩阵中的元素巧为 ( 4 1 2 ) 华北水利水电学院工程硕士学位论文 铲凇譬誓蝇- 烈夏- t 引- j ( 4 - 1 3 ) 列阵纱r 的元素由下式计算 群= 一f ；q n , d n + 驱q n | d s “ 啦(4-14) 己求得单元e 上的泛函，( 日) ，则整个渗流域上的泛函式( 4 - 8 ) 可近似为 ，( 聊= ，。( 片) ( 4 1 5 ) 对式( 4 1 5 ) 求极值，即对h i 求导有 ；箐= 。忙b ”问 n 为待求水头的结点数。 糌靳的器断蝶捞蜘俑到旒组 【目 脚= f ( 4 - 1 7 ) 式中：k - 整体渗透矩阵，k f = k ； 卜未知结点水头向量； f 右端项。 一这样，就把边值问题化为n 阶线性代数方程组的求解问题，通过求解式( 4 - 1 7 ) 可得 各结点水头h 。 在计算中，根据设计单位所提供的资料，可认为部分材料的渗透特性为各向同性， 即取k x = k 。 4 2 反演分析及计算参数的选取 4 2 1 反演分析， 据自1 9 5 8 年到2 0 0 2 年的坝体和基岩的渗流观测数据绘制而成的坝体浸润线等值线 图和基岩等值线图，进行坝基顺河断层带渗流场反演分析，确定岩体的实际渗透系数。根 据勘探所取得的渗透系数。计算建库后的坝体浸润线和基岩的水位，并与观测所知的实际 华北水利水电学院工程硕士学位论文 水位相比较，若两者不一致，则调整渗透系数，直至计算水位基本符合实测水位。 4 2 2 反演分析计算参数的选取 根据地质资料和南湾水库工程技术总结，在进行坝基顺河断层带渗流场反演分 析的基础上得出各计算分区的材料渗透系数取值如表4 2 - 1 ： 表4 - 2 - 1 各种材料渗透系数表 t a b4 - 2 1i n f i l t r a t i o i le o e f f i c l e n tt a b l eo fv a r i o u sm a t e r i a l 序号渗透系数编号材料名称渗透系数( c m s ) l蜀粘土心墙( 水平向)2 7 e - 6 2 k 2粘土心墙( 竖直向) 3 5 e 一7 3毡河槽大断层3 3 e - 4 3 3 e - 5 4 k l砂壳 o 2 1 5髟砂卵石层 7 9 e - 2 4 2 3 渗流区域的网格剖分和计算边界条件的确定 计算剖面取在河槽大断层上。计算模型底部高程取为黄海水平高程，顶部高程取为 大坝坝顶，顺河向长4 8 2 m ，坝上游l o o m ，坝下游取l o o m ，且材料分区较多，是一个 很复杂的渗流区域。由于水文地质资料不够完全，如河糟大断层的具体范围和产状均不明 确，且在河槽大断层上、下游较大范围内无钻孔资料。通过认真详细的分析和研究，认为 对坝体及坝基的有限元计算按最不利地情况即，从上游小截水沟处起到防渗墙下游设置的 粘土平台处止均为河糟大断层，进行计算，单元采用二维三角形单元，共剖分4 3 6 4 个单 元，2 2 9 6 个节点( 见图4 2 2 ) 计算模型见图4 2 1 。 图4 - 2 - 1 计算模型简图 f i g4 - 2 - 1c a l e u l a t i o nm o d e ls k e t c h 华北水利水电学院工程硕士学位论文 计算时，假定地下渗流场为二维稳定渗流场，其边界条件仅有第一类边界条件，即 定水头边界。 4 2 4 反演计算结果分析 经过对各区域渗透系数的分析和多次试算，最后得到天然渗流场的模拟计算结果。 据南湾水库管理局提供的坝体和坝基观测数据绘制的渗流场等水位线图与反演分析等水 位线图比较可知，二者拟合较好，为以后的计算分析提供了依据。 经过反演分析计算确定的各种材料的渗透系数如表4 2 2 ： 表4 - 2 2 各种材料渗透系数表 t a b4 - 2 - 2i n f i l t f 8 t t o nc o e f f i c i e n tt a b i eo fv a r i o u sa t a t e r i a l 渗透系数 序号 材料名称渗透系数( c m s ) 编号 l 置粘土心墙( 水平向) 2 7 e - 6 2 x 2粘土心墙( 竖直向) 3 5 e 一7 3毛河槽大断层3 3 e - 4 3 3 e 一5 4丘，砂壳o 2 l 5 k 5 砂卵石层7 9 e 一2 4 3 二维有限元计算工况及计算成果分析 4 3 1 计算工况 对渗流场分3 种工况即：水库蓄水期的最高水位、设计水位和校核水位进行了二维整 体渗流计算。 这3 种工况基本上可以反映水库运行各个时期的渗流情况，可为工程的设计和防渗处 理提供依据。 4 3 2 计算参数 由于计算区域相对较大，计算时需要考虑的因素较多，另由于水文地质资料不全， 各地层的渗透系数变化范围较大，所以渗透系数的选择困难，为此，针对渗透系数的选取 对整个渗流场进行了反演分析。具体进行二维渗流计算时，渗透系数的选取主要参考坝基 顺河断层带现场管涌试验资料和南湾水库工程技术总结，为了全面的反映问题，对河 4 1 华北水利水电学院工程硕士学隹论文 槽大断层的渗透系数取南湾水库工程技术总结中的3 3 e 一4 c m l $ 和以坝基顺河断层带 现场管涌试验资料作为参考取3 3 e 一5 c m s 分别进行计算。所以计算采用的各种材料的渗 透系数如4 - 3 - 1 ： 表4 - 3 - 1 各种材料渗透系数表 t a b4 - 3 1i n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n tt a b l eo fv a r i o u sm t e r i a l 渗透系数 序号材料名称渗透系数( c m s ) 编号 l 蜀粘土心墙( 水平向) 2 7 e 6 2 墨粘土心墙( 竖直向) 3 5 e 7 3 x 3河槽大断层 3 3 e 4 ，3 3 e 5 4五 砂壳 o 2 1 5 毛砂卵石层 7 9 e 2 4 3 3 计算结果 对毒种工况分别进行计算，上游水位选用水库蓄水期的最高水位1 0 5 2 5 m 、设计水 位1 0 8 9 m 和校核水位1 1 2 8 m ，下游相应水位为水库下游多年平均水位7 6 1 肌。分别统 计了各工况下坝体和坝基的渗透坡降及渗漏量。计算结果列于下表4 3 2 。 表4 - 3 - 2 不同工况渗流计算成果比较表 t a b4 - 3 2c o m p a r a t i v et a b l eo fv a r i o u sw o r k c o n d i t i o ns e e p a g ec a l c u l a t i o nr e s u l t 水位( 肌) 1 0 5 2 51 0 8 91 1 2 8 k 层( c m s ) 3 3 e - 53 3 e - 4 3 3 e 一53 3 e - 43 3 e - 5 3 3 e - 4 坝体 ( 粘土心墙) 4 4 04 8 0 4 9 55 o o5 5 35 5 0 比降 坝基 ( 断层带) 1 3 41 5 61 5 01 7 51 6 81 9 6 单宽渗漏 坝基和坝体0 0 0 6 2o 0 4 8 80 0 0 6 9 80 0 5 3 40 0 0 7 80 0 5 9 7 i l ( s 。m ) 坝基 ( 断层带) 0 ，0 0 5 3 o 0 4 6 3o 0 0 5 9 3 0 0 5 2 2 o 0 0 6 60 0 5 8 3 断层带的最大总渗漏量 2 5 7 ( 宽4 4 m ) ( 三s ) 4 3 4 结果分析 1 ) 比降分析：从计算结果可以看出，在t 断层取3 3 e - 5 c m s 时，水库在水库蓄水期的最高 水位1 0 5 2 5 m 的情况下，水力坡降相对较小，粘土心墙的最大水力坡降为4 4 0 ，断层带 的最大水力坡降为1 3 4 。在设计水位1 0 8 9 m 情况下，水力坡降相对较大，粘土心墙的最 大水力坡降为4 9 5 ，断层带的最大水力坡降为1 5 0 。在校核水位1 1 2 8 m 情况下，水力坡 降最大，粘土心墙的最大水力坡降为5 5 3 ，断层带的最大水力坡降为1 6 8 。 在k 屡取3 3 e - 4 c m s 时，水库在水库蓄水期的最高水位1 0 5 2 5 m 的情况下，水力坡 降相对较小，粘土心墙的最大水力坡降为4 ，8 0 ，断层带的最大水力坡降为1 5 6 。在设计水 位1 0 8 9 m 情况下，水力坡降相对较大，粘土心墙的最大水力坡降为5 0 0 ，断层带的最大 水力坡降为1 7 5 。在校核水位1 1 2 8 m 情况下，水力坡降最大，粘土心墙的最大水力坡降 为5 5 0 ，断层带的最大水力坡降为1 9 6 。 附图4 - 3 1 附图4 - 3 6 为3 种工况下的流网图。 2 ) 渗漏量分析：从计算结果可以看出，在t 帐取3 3 e - 5c m s 时，水库在水库蓄水 期的最高水位1 0 5 2 5 历的情况下，渗漏量相对较小，坝体和坝基的总的单宽渗漏量为 o 0 0 6 2 l ( s m ) ，断层带的单宽渗漏量为0 0 0 5 3 l ( s m ) 。在设计水位1 0 8 9 聊情况下，渗 漏量相对较大，坝体和坝基的总的单宽渗漏量为0 0 0 6 9 8 l ( s ，小1 ，断层带的单宽渗漏量 为o 0 0 5 9 3 工肚m ) 。在校核水位1 1 2 8 m 情况下，渗漏量最大，坝体和坝基的总的单宽渗 漏量为0 0 0 7 8 l ( s 斫) ，断层带的单宽渗漏量为0 0 0 6 6 l ( s m ) 。 在层取3 3 e - 4 e r a s 时，水库在水库蓍水期的最高水位1 0 5 2 5 m 的情况下，渗漏量 相对较小，坝体和坝基的总的单宽渗漏量为0 0 4 8 8 l 俺，m ) ，断层带的单宽渗漏量为 0 0 4 6 3 三瓜m ) 。在设计水位1 0 8 9 所情况下，渗漏量相对较大，坝体和坝基的总的单宽 渗漏量为o 0 5 3 4 三缸m ) ，断层带的单宽渗漏量为0 0 5 2 2 l ( s 小) 。在校核水位1 1 2 8 m 情 况下，渗漏量最大，坝体和坝基的总的单宽渗漏量为o 0 5 9 7 l ( s m ) ，断层带的单宽渗漏 量为0 0 5 8 3 三船拼) 。 4 。4 渗透稳定性评价 南湾水库在水库蓄水期的最高水位1 0 5 2 5m 、设计水位1 0 8 9 0 r a ，校核水位 1 1 2 8 0 m ，下游水位7 6 1 0 r e 情况下，水头差分别为2 9 1 5 m 、3 2 8 0 m 、3 6 7 0 m 。在k 断层 4 3 华北水利水电学院工程硬士学位论文 取3 3 e - 5 c m s 时，3 种工况下坝基的计算坡降的最大值分别为1 3 4 、1 5 9 、1 6 8 ；在层 取3 3 e - 4 c m s 时，3 种工况下坝基的计算坡降的最大值分别为1 5 6 、1 7 5 、1 9 6 ；均小 于允许坡降1 3 3 ；参照水利水电工程地质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 - 9 9 ) 初步判定，不太可 能产生渗透变形。 卜nn卜-o，o_|-o_时鲁宣时o-_饥_每o 一non-oo_-廿_时事胃o-_协a暑一n小一西n-o目ooz口o)【oo-日oo鲁爵口-州。争koo-口爵辛口母口，o a辱暑-o_蕾，o-jo_口ou【寸呻一皿 基瓮e草苌糟卜一鐾g一草簧世袭q一回墨犁蘩蜘献埘群世篙羚乍缸盆叹_i_i衅a_i_【毒回 苦嚣l暑_譬写o=蚺藿。口对o86；嚣1jo_譬暑：=an)譬_i小2uog0z口o oilli口oh；詈口暑oajo艟o-a时善罢jo导g 3_i星j0 jn01uou甲叶乏 一嚣n萃*铸卜一荟no翟一晕妥世翡qv田犁蘩玲餐器唰肇馨世饕皋5面6z譬_【1l牛”6i n 毒田 4 7 宗签暑鑫_l盆；奉暑2=蜃。日*n2h苦若_i盆苗雷。品dnn2：柏ns三co詈=uo州苗等；是q 00艺。嚣-口害a昌jo鲁茸若_塞jojnous-叶罡k 一鸯盆2晕簧笛卜一鼍”nno_【一堪妥世袭q一田帮堪*玲爵墨咧肇群世饕辜，据口n叹。辱n口6i c - t 回 (6n卜矗若一嚣=每暑。三协垂。廿*一n。一鲁嚣一嚣：蕾蠹。三妇dnc9 6i一苗；暑n口。葛。言岩嚣q jlo言d笤i口罟c罟苫喜骞鲁：召；o苫oo彳寸曲 一毒n=晕妥袭卜一鼍跫”。_【一草饕世祷q一田蕊犁苌静嗽硝野世饕嚣幢口h叹。衅c9a_【了r日 一=“卜嚣若一基_藿霉母：a暮口一61苫ljo嚣1i器=事暑o=舍一6961=o口。苫。口o。u=口。州=；兽日二。暑嚣oi a霍口蛊jo d冒甘j9u誉