（水利工程专业论文）山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加固处理.pdf

摘要 本文结合广东省罗定市山垌水库土坝实际情况，采用有限元方法对其渗流问题进行 了分析研究，并根据分析研究结果做出了相应的防渗加固处理措施，而且采用有限元方 法对其加固处理后效果进行了预测。并对防渗加固施工方法和质量控制进行了详细的论 述。本文的研究结果已应用到山垌水库土坝除险加固工程中。本文所采用的方法和计算 分析过程将对同类水工结构的设计和除险加固有一定的帮助。 关键词：土坝：有限元法：渗流分析；防渗 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l ea n dp r o c e d u r eo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o f g r o u n d w a t e r f l o wa r e d e m o n s t r a t e d ，a n dt h ec o m p u t a t i o no fs e e p a g et h r o u 曲t h ee a r t hd a m o f s h a h 酣o n gr e s e r v o i r i nl u o d i n g c i t y ，g u a n g d o n gp r o v i n c e ，i sm a d eb y m e a n so ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do n t h ef i e l dd a t ai nt h i st h e s i s s o m em e a s u r e so fs e e p a g ec o n t r o lt r e a t m e n to fe a r t hd a ma r e e v a l u a t e db a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t sa n df i e l dc o n d i t i o n s t h eg r o u t i n gt r e a t m e n to ft h e d a mi sc h o s e na n dt e s t e db yf e m s o m ed e t a i l so ng r o u t i n go p e r a t i o na n dq u a l i t yc o n t r o la r e a l s od i s c u s s e d t h er e s u l t sf r o mt h i ss t u d yh a v eb e e ne m p l o y e di nt h i sp r o j e c t t h em e t h o d a n dp r o c e d u r ew i l lb eb e n e f i c i a lt os i m i l a rh y d r a u l i cs t r u c t u r e si nb o t ht h e i rd e s i g na n d r e m e d y k e y w o r d s ：e a r t hd a m ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s e e p a g ea n a l y s i s ：s e e p a g ec o n t r o l 嚣g嚣 近年来，随着电子计算机的快速发展，有限元法谯渗流分析中褥到了广泛的应用， 对予复杂和重要蕊工程，多漾弱袁鼹元法诗冀方法柬分叛。蠢限元法是在大型数字邀予 计算机的广泛应用和数值分析方法的发展基础上发展起来的种方法。开始是在结构分 析中采嗣，随聪于6 0 年代邂渐被日l 用到流体力学的领域，箕中最毕就是弓l 用到稳定渗 滚场闽题，7 g 年代秘薅被弓| 蠲到饕稳定渗滚场勰题。国予玄瓣边器适应蠛好，耱凄裹， 能够使计算法则和程序标准化等优点，现在已日益被广泛采用，是一种求解复杂渗流问 题的较好方法。 本文结合啦耀拳痒埂实际墙援，采羯有袋元方法瓣萁渗滚闯题逮 亍了分辑疆究， 毒艮据分析研究结果选撵了相成的防渗加固处理措施，势采用褥限元方法对其如固处理后 效果进行了预测。本文主要成果如下： l 、对渗流帮有隈元分耩的基本理论( 包强：达舔定律、渗滚运动连续淫方稷、渗 漉微分方程、东自由蕊变动豹渗流微分方程、有艰元渗流计算控制方程、定解条件、计 算公式) 进行了系统地阐述和汇总，有利于从事渗流研究的工作者擞方便、快捷地掌握 渗流和畜隈元分析静麓本舔遴与诗葬方法。 2 、为一般设计室进行石坝渗滚分拆及除险加固，提供与介缨了一种较先进的方 法。 3 、为土石竣渗流有限元分桥方法酶疵蠲普及，徽国了定的贡献。 4 、利用所学麴知识，较好地艇决了l 蜩水艨坝瓣渗漏翊题。 河海人学工程硕士论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 第一章绪论 1 1 问题提出 山垌水库位于广东省罗定市船步镇山垌村，距离市区3 0 公里，位于罗定市 引沙灌区的上游，是引沙灌区的一个补偿调节水库，以灌溉为主，兼有防洪发电 效益，是罗定市解放后最早兴建的中型水库，1 9 6 4 年6 月开始筹备施工，1 9 6 9 年1 0 月竣工投入运行，其集雨面积为4 7 2 平方公里，河长1 7 3 公里，河床坡降 o 0 1 9 7 ，总库容1 6 3 0 万立方米，兴利库容1 0 6 4 万立方米，死库容5 4 万立方米。水 库枢纽工程由三大建筑物组成：挡水建筑物( 均质土坝) ；输水建筑物( 采用钢筋 混凝上圆管) 和泄水建筑物( 为潜孔有压方形弧拱隧洞，钢筋混凝土衬砌) 。土 坝最大坝高4 1 米，相应坝顶高程2 0 6 8 米，顶宽5 米，坝顶长1 9 1 米，坝下游 排水为棱体与褥垫式综合排水型式。山垌水库由于当时设计标准低，施工质量差， 经3 0 多年运行后，水库枢纽尤其是大坝都不同程度地出现了问题，存在的主要 问题。1 如下： 1 、山垌水库土坝经3 0 多年运行，大坝渗漏严重，迎水坡护坡破损，尤其坝下 游坡下部1 7 3 8 1 7 5 8 米高程范围内出现散浸现象达3 0 多平方米，整个坝体浸 润线偏高，危及大坝安全，须进行处理。 2 、泄洪洞闸室操作平台及工作桥面高程比坝顶高程低1 5 m ，需改建。山垌 水库集雨面积大，防洪库容小，泄洪洞经计算不满足校核洪水泄流要求。 3 、输水隧洞经结构计算总体稳定，但洞身砼衬砌存在4 8 处环向裂缝及剥蚀， 事故闸后6 m 长的砼衬砌剥蚀严重，钢筋已裸露。 1 9 9 8 年6 月水库经安全鉴定，评定为二类坝，建议对山垌水库大坝应尽快 做出除险加固方案，并且对大坝渗流问题，要进行科学系统的分析，从而为坝体 稳定分析及防渗加固措施提供科学的依据，本文着重对山垌水库土坝渗流问题进 行分析计算，并提出科学合理的加固方案。 1 2 国内外研究动态 土坝渗流是个复杂的空间问题对于坝轴线较长。河谷地形相对宽阔的实际 问题通常可简化为平面问题来分析。其分析方法。1 主要有流体力学法、水力学法、 流网法、电模拟试验法、有限元法等。 河海人学工程顺卜论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 流体力学法只有在边界条件简单的情况下才有解，且计算较繁；水力学法是 在一些假定基础上( 如坝体土是均质的，坝内各点在各方向的渗透系数相同且假 定渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律、任一铅直过水断面内各点的渗 透坡降和流速相等) 的近似解法，计算简单，能满足一般工程精度要求：流网法 是一种简单方法，能够求解渗流场内任一点渗流要素，但对不同土质和渗透系数 相差较大的情况难以采用；电模拟试验法需要一定的设备，且费时较长。近年来， 随着电子讨一算机的快速发展，有限元法在渗流分析中得到了广泛的应用，对于复 杂和重要的工程，多采用有限元法来分析”。有限元法于6 0 年代逐渐被引用到 流体力学的领域，早期被应用到稳定渗流问题，7 0 年代初扩展到非稳定渗流问 题。由于它对边界适应性好，精度高，能够使计算法则和程序标准化等优点，现 在已日益被采用，是一种求解复杂渗流问题的较好方法。 1 3 主要研究内容 山垌水库土坝最大坝高4 1 米，最大坝底宽2 4 2 米，坝顶轴线长1 9 1 米， 其渗流问题可简化为平面问题来分析研究。本文采用有限元计算方法对山垌水库 土坝渗流和防渗处理进行以下内容的分析研究： l 、结合山垌水库土坝的实际情况，计算各种工况下的浸润线及渗流场； 2 、根据计算的结果，对其渗透变形进行判断，并提出科学合理的防渗措施； 3 、采用有限法对所采取的防渗措施进行分析评价。 河海人学工程顺- f 论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加周处理 第二章渗流和有限元分析的基本理论和方法 2 1 渗流分析的基本理论和方法 流体在多孔介质中的运动称为渗流。水是最为常见的流体，水利水电工程中 由于广泛建造堤、坝、围堰、水闸等挡水建筑物形成了水头差，这些建筑物或其 地基通常是透水的多孑l 介质，因此水工渗流现象十分普遍。 2 1 ，l 水工渗流的危害 水工渗流造成多方面的危害。1 9 9 4j f ：- 一东西、北江特大洪水和1 9 9 8 年长江 特大洪水期间，广大军民与堤基出现的渗透破坏( 强烈的管涌与流土) 所进行生 死搏斗的情景，至今仍然历历在目、惊心动魄“。渗流造成水库、渠道水量损失； 渗流使堤坝、围堰土体饱和，降低坝体的有效容重和抗剪强度，可能导致坝坡失 稳；建筑物地基渗流对建筑物底部产生扬压力，不利于建筑物的稳定：渗流流速 过大时，还可能造成坝体或建筑物地基的土体颗粒流失，发生渗透变形，从而使 堤坝崩塌或建筑物滑移、倾覆：水库渗流还可能引起下游地下水位升高，导致农 田冷浸渍害、盐碱化，使作物减产；拦污坝渗流造成地下水环境污染。根据土坝 破坏失事的一些调查统计，毁于渗流破坏的占很大比例，甚至可达4 5 “1 。渗流 对堤坝有着严重的危害性。 2 1 2 水工渗流分析的基本理论和方法 水工渗流分析计算的任务就是要研究水在渗流区域的渗流流速、流量、水头 分布及浸润线等，从而为采取合理的渗流控制措施提供依据，以避免或减缓渗流 危害。 l 、达西定律”“6 1 1 9 世纪5 0 年代，法国工程师亨利达西( 1 4 d a r c y ) 通过对装在圆筒中的 均质砂土进行渗透试验发现，通过两个渗流断面间的平均渗流流速，正比于两断 面间的水头差h ，反比于渗径长度l ，且与土粒结构及流体性质有关。这就是 著名的达西定律，可用公式表达为： v ：一七竺：一后塑：( 2 1 ) 三西 式中h 一测压管水头，总水头胃：z + - - p + a 芝= 南+ 盯兰，z 为位置高度，p 为 河海人学工程硕士论文 山垌水库士坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 压强，y 为水的容重。因为渗流的流聍制艮，j 、，流速水头吐丢可_ ：忽硼各，故 h h ：z + 旦。 ， k 反映土粒结构及流体性质的系数，即渗透系数，对于某一具体的流体( 比 如水) 雨言，k 值仅与土粒结构有关。 j - - n j r n g 泽，j ：一d ，h 。 a s 式中的负号“一”表示水总是流向水头减小的方向。 达西定律中的流速是包括土体颗粒在内的断面微元上的平均流速v ，而不是 土体孔隙中的流速v ，这两种流速存在以下关系： ( 2 2 ) 式中1 3 为体积孔隙率，可见达西流速小于土体孔隙中的流速。 达西定律只能适用于层流状态的渗流运动。在水利工程中，除了堆石坝、堆 石排水体等大孔隙介质中的渗流为紊流之外，绝大多数渗流都属于层流，达西定 律都可适用。对于非层流渗流，其流动规律可用以下形式公式表达： l v = 七，m( 2 3 ) 上式中当m = 1 时，为层流渗流；当m = 2 时，为完全紊流渗流；当1 m 丝o y ) + 鲁卜差) = 墨瓦o h ( 2 - 2 0 ) 河海大学工程硕士论文 山垌水库十坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 我们进行水库土坝渗流计算时，一般可简化为垂直剖面上的二维渗流问题， 则式( 2 2 1 ) 可变为： 去卜芸) + 去卜警) 2 只i o h c x z 垂直剖面，( 2 - 2 1 ) 当不考虑压缩性时，s 。= 0 则( 2 2 1 ) 式变为： 去( 七，芸) + 杀( t ：差) 5 。 ( 2 2 2 ) ( 2 2 2 ) 式即为我们进行有限元计算通常使用的支配方程。 若渗透系数k 。= k ：= k 时，式( 2 2 2 ) 即变为拉普拉斯方程。 2 、定解条件“1 发生在有限空间流场内的渗流运动，不仅受渗流微分方程支配，也受流场边 界条件和初始渗流状态条件支配。下面就是水库土坝非稳定渗流状态水工渗流定 解条件的几种类型。 图2 - 2 土坝非稳定渗流定解条件 l j 海人学f t 程硕士论文山垌水库一卜坝渗流的有限元分析及防渗加同处理 z 1 7 7 , 7 7 f7 17 d _ 一x z o r 不透水层 图2 - 3 土坝非稳定渗流定解条件 1 图2 4 土坝非稳定渗流时的自由面边界 10 x 兰 。 河海大学工程硕i j 论文山垌水库十坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 初始条件：h l 。，= h u b ，z ) ( 仅对非稳定渗流) ( 2 2 3 ) 边界条件： ( 1 ) 水头边界h t 。；，1 0 ，z ，f ) 在图2 - 2 中，水头边界包括： 上游已知水头边界：h 。= h 。( f ) 下游已知水头边界： 。= h ： ( 2 - 2 4 ) f 游坡渗出段已知水头边界： 。一o ( 2 ) 流量边界：g ：一七。娑ir ：；f 2 ( x ，z ，f ) ( 2 2 5 ) 积 在图2 - 2 中，自由面a d 下降时，由自由面流进的单宽流量为： 俐等c o s 口( 2 - 2 6 ) 式中0 一自由面的法线与铅直线的夹角( 见图2 4 ) u 一给水度，即单位体积土体在饱和含水情况下，当自由面下降l m 后排出 的空隙水量，又称土体的排水空隙率或有效空隙率。 又因 一k 芸- k n 尝删 z z ， 由式( 2 - 2 6 ) 、( 2 - 2 7 ) ，自由面流量边界条件改写成： 旦丝：一丝 ( 2 2 8 ) 一一 j 七。m 娩 当坝体土各向异性时，女。可近似取k ：值。 因渗流自由面与大气相通，压力水头为零，故在自由面上还应满足 矗= z + 。 有限元计算中还应满足下式 i h ，一h c lc ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) h ，为本次计算出的水头，h 。为假定的初始水头或前次迭代计算的水头，钿为迭 代控制精度。 河海大学 。程硕，l 论文山峒水库土坝渗流的有限元分析及防渗加同处理 对于上述渗流微分方程的解答，根据变分原理需取下述泛函数的极小值： 触，2 喇kc e 刮城n 警卜+ p ( 2 - 3 1 ) 上式右端的末项为第二类边界( r 1 。) 积分。经过取泛函数极小值后在计算 中即自动达成第二类边界( r 。) 条件。至于第一类边界( r 。) 条件，则在计算 中直接赋给已知的边界水头值。 3 有限元计算公式5 1 应用有限单元法求解，首先要把研究的渗流场划成有很多个单元，本文采用 三角形单元。如图2 - 3 所示为其中任意一个三角形单元i j m ，设单元内水头函数h 的分布为下面线性变化模式： ( 2 - 3 2 ) h 、h 柬表示，代入上式写出三个方程式可求出常数e 1 i ；再代回上式就可得出此 n = c ，；，。， ；! 2 c 协，。 c z s s ， n i = ( a + b 。x + c i z ) 2 n j = ( a j 十b j x + c j z ) 2 n 。= ( a 1 + b 。x + c z ) 2 ( 2 3 4 ) 式中的系数a 、b 、c 和三角形单元的面积都是坐标x 、z 的函数 ( 2 3 5 ) 其它系数按照i 、j 、m 的次序轮换排列。三角形单元的面积为 河海人学工程硕l 论文山峒水库土坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 1 1 一 = 丢1 1上， 1 1z ， ( 2 - 3 6 ) 为了不使面积得出负值，三个角点i 、j 、m 的次序应按逆时针方向编号。 单元内水头函数的导数为 o h _ a x 拍 。 把 2 却 由式( 2 3 3 ) ，求其对时间的导数，得 詈= 槲( 2 - 3 8 ) 将式( 2 - 3 3 ) 、( 2 - 3 7 ) 、( 2 - 3 8 ) 以及式( 2 2 6 ) 各值代入式( 2 3 1 ) 的泛函，并 分别对单元三个结点水头求泛函的微商，经过推演可得 尉= k r 协p + s o hj 。+ 一o h 。) 。 c z 一。， 后一项。式中的系数矩阵为 医，一去【荔参呈芝曼】+ 篆 蓑弓兰兰曼 c z 叫。， 阱警 c z a - ， m 掣2i 4 2 、， bc c 一2 = 0 0 o 盯 、l，j限限、 如 蛳旬 村海大学工程硕b 论文山垌水库土坝活流的有限7 t 分析及防渗加旧处理 把由式( 2 - 3 9 ) 所得各单元泛函的微商相加，并使其等于零求极小值，就得 到整个流场的泛函对各结点水头导数的方程组，即 孚：f 箪：0 ( i ：i ，2 ，3 ，n ) ( 2 4 3 ) 弧擘a h i 式中，n 为结点的总数；表示对所有的单元求和。 乍 将上面汇总的方程组写成矩阵形式为： 川+ p 嘲州卦”。 仔t 。， 式中仁 为形成总矩阵时，出已知结点值所得的常数项的列向量；式中h 表 示自由面上各点的水头。 用差分表示时间项时，则得 ( k 】+ 去b ) 协) ，吉 p 略l 一吉墨弘 一 。一。， 一吉咄h ”o 即为对于一般非稳定渗流问题最后要求解的线性代数方程组。其中总的系数 矩阵和常数的列向量巾的典型元素，均为对各单元的求和，即 嘞2 蓍k ；，5 5 善s ； 弓2 荟巧，e2 荟巧( 2 - 4 6 ) 这单k 目，s ，弓为总的系数矩阵中第i 行第j 列的元素；巧，s ；，巧为 各单元中相应于坐标编号第i 行第j 列的元素。各单元的系数矩阵见式( 2 4 0 ) 、 ( 2 - 4 1 ) 、( 2 - 4 2 ) 。同样，常数项f 。也是相应于总坐标编号的。式中求和项上面 的m 为单元总数，k 为自由面边界上的单元数( 参看图2 3 ) 。即，除与自由面上 结点水头有关的矩阵项只是对自由面边界单元求和外，其余的为所有单元求和。 由式( 2 - 4 5 ) 可知，由前一时刻t - a t 的结点水头分和，就可计算时刻t 的 结点水头分斫j ；因此只需要知道初始水头，就可计算以后边界水位改变条件下各 河海大学丁程硕士论文山垌水库土坝渗流的弁限元分析及防渗加固处理 时段流场分布。而且在计算时只是重复了自由面上边界单元各结点水头h 及 h + ( 自由面上边界水头) ，它们是同一未知数，对解得的自由面边界水头h 还必 须用式( 2 - 3 0 ) 核算加以修正。 对于不可压缩的非稳定渗流s ，= o ，即矩阵 s 项等于零，是上述计算的一种 特例，则式( 2 - 4 5 ) 变为 k l + 吉 p 略l 一吉 p 弘 一。+ ，) = 。( 2 - 4 7 ) 稳定渗流也是上述计算的一种特例，即矩阵i s 、 p 项都等于零，则求解方 程组变为 医弘 + f ) = 0 ( 2 4 8 ) 上面均为与未知结点数r l 相同数目的线性代数方程式， k 为n x n 的方阵， h ) 为未知结点水头列向量，( f ) 为常数列向量。 在求得流场的水头分布后，可计算通过任意断面的渗流量。计算渗流量的断 面一般按单元两条边的中点连线而取为折线断面，即所谓中线法。 图2 5 表示经过某一流区的一个断面，其两端与边界y r = 0 和1 i r = q 相接，q 表示通过该断面的单宽渗流量。该断面是出一排单元中线相连的折线，假如通过 中点连线的流量为q ，则 q = 幻 ( 2 4 9 ) 耿图中i j m 作为一个典型三角形单元进行分析，并令中线平行于j m 边时，则有 幻鸭瓦；吾 ( z ，一) 虬+ ( 一扔) q - 吾 叱+ c 以) ( 2 _ 5 0 ) 式中，1 3 。表示垂直于单位中线a ，、a ：的流速。 根据达西定律，以u 。和1 1 。表示主渗流方向的流速时，引用式( 2 3 7 ) 后， 得： 汁一 繁兰】 将上式代入式( 2 一 = 一主【_ 等k o ：l ，。 。b 。, b 。，i ：】 乏 c z s ， 肾一拟常娜b j 蹦 s z ， i 叮海大学t 程硕i j 论文i | 垌水库十坝渗流舶有限她分斩及防渗加用处理 按式( 2 - 4 9 ) 累加断面上各单元即得过流断面的渗流量q 。 嚣 j j 鋈一 图2 - 5 有限单元计算渗流量的中线法图 2 3 小结 本章沦透了承工渗流分析的基本理论和方法，包括：达西定律、渗流连续经 方程、渗漉微分方程、窍垂出露变动的渗溅微分方程，羲重论述了有限元分撂弱 基本理论和方法，包括：渗流讨+ 算控制方襁、定解条件、有限党计算公式、渗流 量计算公式。系统地阐述和汇总了有限元渗流计算的计葬方法和计算公式，为下 一步的鸯凝元计算提供了理论依据葶拜计算公式。 。捌。一 zjl 日海人学工程硕七论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 第三章山垌水库土坝渗流有限元分析 3 1 基本计算资料 山垌水库大坝为均质土坝，坝轴线走向大致为s e l 4 3 。一n w 3 2 3 ，最大坝高 4 1 m ，坝项高程2 0 6 8 m ，坝顶轴线长约1 9 1 m ，宽约5 o m 。 正常蓄水位1 9 9 3 米，下游水位1 6 5 8 0 米；五十年一遇设计洪水位2 0 4 1 6 米，相应下游水位1 6 9 7 米；千年一遇校核洪水位2 0 5 1 3 米，相应下游水位1 7 0 1 0 米：死水位1 7 5 6 0 米。其平面布置见图3 一l 、典型剖面图见3 3 。 图3 一l 山垌水库土坝平面布置图 3 1 1 山垌水库土坝基本地质资料 罗定市山垌水库除险加固工程设计组委托肇庆市水利水电勘测设计院，对山 垌水库大坝进行工程地质勘察，主要完成的勘察工作量”为： 地质钻孔数7 个，总进尺2 0 0 5 0 n l ； 取原状土样并进行室内土工试验6 4 什； 原位标准贯入试验4 8 次； 钻孔注水试验4 0 段次； 岩矿薄片鉴定l 份。 河海人学i ：程硕卜论文山垌水库j ：坝渗流的有限7 0 分析及防渗加同处理 库区内地形起伏，山势陡峻，沟谷深切，植被发育良好：区内普遍发育陡倾 角砂岩，上覆厚层残积土。 7 个钻探孔均布置于土坝坝体上，钻探揭露的地层自上而下可分为三层，具 体如下： 1 、第四系人工堆积层( r q ) 人工填筑二 二：褐黄色及花斑色，稍密状态，高压缩性，主要为回填的粉质粘 土( 粉粒含量占鸺9 ，粘粒含量占1 2 4 ) 。原位测试的结果表明，土层的透水 性较强，抗剪强度较高。该层厚度多在2 0 一3 5 m 之间，向坝中心厚度渐大，最深 达4 1 m ，底板呈“u ”型。 2 、残积层( e l q ) 含砂粉质粘土：灰褐色，可塑状态，高压缩性，含粘质土和较多砾砂，为下 伏砂岩的风化残积物。原位测试的结果表明，土层的透水性属弱，抗剪强度较高。 改层厚约l 一3 m ，在坝左端厚达6 m ：地表遍布的厚层残积土普遍厚达2 m 以上。 3 、泥盆系上统砂岩( d 。) 长石石英砂岩：褐黄色或浅获色，显微定向构造，变余砂状结构，强一弱风 化状态，局部夹薄层页岩。根据岩矿分析，岩石为受过地质变质作用的沉积砂岩， 矿物成分主要山长石和石英组成；长石和石英矿物粒度均匀，其孔隙中由重结晶 微粒石英充填胶结，总体上呈定向排列分布。该层层面埋深在1 8 4 l m 左右，多 在2 5 m ，在右坝肩部位埋深较浅。钻探未揭穿陔层，为相对不透水层。 最具代表性的地质剖面见图3 - 2 ，钻i l 平面位置见图3 一i 。 河海人学丁程坝i j 论文山垌水库士坝渗流的有限元分析及舫渗加固处理 黼“)图例 图3 2 山垌水库上坝典型地质剖面图 r 一 卜。7 | 人工填筑i ： f o i _ 匡錾錾垂差j 粉质粘上 匿差习砂岩 对在野外进行的标准贯入试验和注水试验，以及在各土层中取样进行的室内 土工试验的数据经除去异常值后进行数理统计，综合联系与分析各项指标及因 素，归纳出各层岩土的物理力学性质指标“”，见表3 - 1 。 m 旦 、 、| | j5 啦 、 。15 r 一一 图3 - 3 山垌水库土坝a a 典型剖面图 ! 基萎翌氲。 河海大学_ t 程硕l 论文山垌水库十坝渗流的有限元分析及防渗加同处理 表3 - 1 坝体、坝基土物理力学性质指标统计建议值 物理力学性质岩性人工残积含砂 符号 指标名称单位填筑土粉质枯土 含水量3 3 6 0 05 9 ，4 0 0 比 重 g 。2 7 1 02 7 5 0 容重yg c m 31 8 6 01 6 2 0 干容重y 。i g c m 3 1 4 1 01 0 3 0 浮容重y g c m 3 0 8 8 00 6 5 0 7 l隙比e0 ，9 7 5 1 6 7 2 饱和度s ，8 5 0 0 0 9 4 0 0 0 液性限度 ( ) 15 2 7 0 06 4 3 0 0 塑性j 艇度 【d “ 3 0 0 0 04 4 3 0 0 塑性指数 i l _2 5 8 0 02 0 8 0 0 液性指数 l lo 1 6 0 砾组含量 8 3 0 01 3 0 0 砂粒组含鼙 4 1 3 0 03 7 4 0 0 粉粒组含量 3 6 3 0 04 8 9 0 0 粘粒纰含量 1 4 1 0 01 2 4 0 0 内摩擦角 巾3 0 0 0 02 9 0 0 0 桔聚力 ck p a3 4 5 9 02 8 3 3 0 压缩系数m p a 一 0 6 1 50 7 7 8 压缩模蛄 e sm p a4 7 6 53 4 3 4 渗透系数 k 1 0 1 c i n s 1 2 2 2 20 ，9 3 3 杯贳击数 n击1 2 5 0 0 2 0 河海又学工程硕 一论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗匀同处理 3 1 2 山垌水库土坝测压管实测资料 根据现有的测压管观测资料整理分析，实测管内水位多年来比较稳定。其统 计值见表3 - 2 。“，测压管夼置图见图3 - 1 。 表3 2测压管实测自由水面高程统计值( m ) 库水位( 1 1 1 )i i2i ， 1 9 95 01 9 1 6 71 8 5 8 41 7 9 3 2 i i ，i i ：i i3 1 9 95 01 9 13 4 i i i -i i i ：i i i s 1 9 9 5 01 9 1 2 41 8 5 7 31 7 9 3 3 注：第二排的第二号及第三号测压管已损坏，无实测数值。 3 2 山垌水库土坝渗流计算 根据水库运行中可能出现的不利情况，计算以下几种工况，见表3 - 3 ： 表3 3各工况及相应水位组合表 序号计算一i ：况上游水位( m )f 游水位( m )备注 正常运行1 9 9 3 0 1 6 5 8 0 正常运用： 况 设计洪水 2 0 4 1 61 6 9 7 0 校核洪水 2 0 5 1 31 7 0 1 0 1 9 9 3 0非常运用工况 水位骤降变动 降至1 7 5 6 0 本文选抒地质钻探资料较详细，且比较有代表性的a a 剖面，作为计算研究 剖面，其平面位置见图3 1 ，a a 剖面图见图3 - 3 。 进行有限元渗流计算必须首先粗估出自由水面线即浸润线的位置，不需很精 确，但也不能有太大的偏差，否则计算会进行不下去。本文采用通常使用的水力 学计算方法，即有限深透水地基上均质土坝的渗流计算公式“”1 ，初算浸润线的 大致位置，然后再分组分块对土坝渗流进行有限元计算。 l 、第工况 根据渗流场的几何形状、二l 层分斫j 等，将整个土坝渗流场划分为一些四边形 的子域如图3 5 所示，这些子域称为块，图3 - 5 中“ ”内数值为块的编号，为 使结点优化并满足自出面调整迭代的需要，将所划分的块又分成若干组，首尾相 接，上下贯穿整个渗流场的块为一组如图3 - 5 中， 2 、 3 块为一组。图中l 、 2 、为块的结点号，“( ) ”内数值为块边上等分点个数，其它工况分组分块表示 河海人学t 程硕i j 论义山垌水库十坝渗流的有限儿分析及防渗力用处理 方法与第工况类似。第工况、第工况渗流量计算选取第 8 、 9 块所组成 的断面为渗流量计算断面，计算方法见第二章。 第工况为上游j f 常蓄水位与下游最低水位，属正常运用工况，分组分块见 图3 5 。 垡! 鱼砂趁j 蚯堕芝兰：0 二二9 3 3 x i 幔! 生 一。二磊谣亲r 蠢i i 喜j 矛寿二j 蠢水睡 生兰杀象x 图3 4 山炯水库上坝渗流有限元计算剖面a - a 剖面 ： 1 9 9 l i 。常苗水似 i“4 l 躯j 撩! 1 。掣 7 i 2 0 6 “1 。詈 m 、 “”冀。釜囊15 。亳举位。蔓m 。= 拦一j 转攀手嵩望茹黼 图3 - 5 山垌水库上坝第工况渗流有限元分组分块图 河海大学工程坝f i j 论文 山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 2 0 2 1 9 2 1 8 2 1 7 2 1 6 2 其三如形单元划分见吲3 - 6 。 0 0 03 0 0 06 0 0 0 图3 - 6 山垌水库土坝第工况渗流场单元划分 ijj 垌水库土坝第工况渗流场计算结果见图3 7 。 _ - lh * 3 ( i i e 叠矗虞m 一一一、一 一 。一+ 、i 一1 彳i i ；。三一；赢生童l 9 0 百0r - r i 稳手器三嘉三洋裂n 一 l |日 | ；i 强h 、一k j 彳i 孑= ，萧。f i蓊意气志扛橙爷笺需2 焉蔚芎鬻。一” 图3 7 山垌水库土坝第工况渗流场分布图 2 、第工况 上游设计洪水位与下游相应的高水位工况下( 属正常运用工况) ，渗流场计 算情况： 分组分块图见图3 8 ，其三角形单元划分图见图3 - 9 ，山垌水库土坝第工 况渗流场计算结果见图3 1 0 。 河海大学t 程碱l 二论文山垌水席土坝溥流的有限元分析殿防渗加嗣处理 l 一趔4 。1 6 丝盐逊杰熊一 k i 霉茎釜 图3 - 8 山垌水库土墩第工况分组分块图 羹心 0 。0 03 0 0 06 0 0 09 0 。0 01 2 0 0 01 5 0 0 01 8 0 。0 02 1 0 。0 0 2 4 0 。0 02 7 0 。0 0 2 0 2 。8 0 i 1 9 2 8 刊 8 2 。8 0 1 7 2 8 0 i 6 2 豹_ o 0 0 图3 - 9 山垌水库土颁第工况渗流场单元翔分图 。! ! 生! 堡一一一； f ， 、 ， j 一， h = 3 4 j 4 6 m i 1 d i t i 一 ”ffrtr i 下“i 4 3 0 0 06 0 0 09 0 0 012 0 0 015 0 强3 一 o 由翊承痒瑛第工璇渗流场分布鹜 3 、第工况 上游校核洪末垃与一f 游耱应懿最毫水位j 凝下。( 援a 豢逶矮蠛嚣) ，渗滚 场计算情况： 2 l ! 海大学t 程硕j 论文山垌水库十坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 这种情况首先采用有限深透水地基上均质土坝的渗流计算公式“6 ”，初算 其浸润线见图3 - 1l ，浸润线在离排水棱体顶1 1 m 处逸出下游坝坡。根据水力学 法计算的浸润线位置，确定有限元法初始浸润线位置，分组分块图见图3 一1 2 ， 其三角形单元划分图见图3 一1 3 ，山垌水库土坝第工况渗流场计算结果见图 3 一1 4 。 i _ 兰主i | 一? 鲨鎏位 一二一一j - 二j _ i i | i? 二兰基竺辫 图3 一1 1 山垌水库土坝第 工况水力学法计算的浸润线图 图3 1 2 山垌水库土坝第工况分组分块图 水位 河海人学工程硕二i ：论文 山垌水库j 卜坝渗流的有限冗分析及防渗加吲处理 2 0 2 1 9 2 1 8 2 1 7 2 1 6 2 图3 1 3 山垌水库土坝第工况渗流场单元划分图 2 0 2 8 0 _ ；堑! 缝j 置亟 位 1 9 2 8 1 8 2 蛐j 1 7 a b 0l ， 一。 1 6 a r u 牟i 2 竿；= = 千j = = f乏，滁： 图3 1 4 山垌水库土坝第工况渗流场分布图 4 、第工况 第工况为山垌水库库水位从正常蓄水位1 9 9 3 0 m 骤降至死水位1 7 5 6 0 m 时，非稳定渗流情况。属非常运用工况。山炯水库所有泄洪建筑物敞开泄流在 正常蓄水位1 9 9 3 0 m 下最大下泄流量为1 5 0 4 1 m 3 s “，水库从11 0 0 万一的正常 库容降至5 4 万m 的死库容共需泄水1 0 4 6 万, 1 1 1 ，骤降过程时问按下式计算： t = ( v i - v 。) ( ( q ；+ q 。) 2 )( 3 - 1 ) 式中：t 库水位每下降1 m ，所用的时问； v ，、v 。一库水位每下降l m 前库容及每下降l m 后库容，库容从容库 曲线上查得； q 、q 。一库水位每下降1 m 前相应水头下的下泄流量及每下降l m 后相 应水头下的下泄流量。 经计算这个骤降过程共需约2 7 天。 河海_ ：学工程硕i j 论文山垌水库十坝渗流的有限元分析及防渗加固处理 水位骤降过程中，下游水位也在不断变化，从山垌水库土坝下游水位一流 量关系“o ( 见表3 - 4 ) 中查得其相应下游水位，在计算中考虑下游水位的影响。 表3 - 4 山垌水库土坝下游水位一流量关系 下泄流量 o8 77 54 8 6 95 8 28 8 5 7 7 ( 一s ) f 游水位 1 6 5 ，8 01 6 62 31 6 8 1 61 6 9 7 01 7 0 1 0 ( m ) p 5 2 o 1 其初始时刻分组分块图见图3 1 5 ，其三角形单元划分图见图3 1 6 ，山垌 水库土坝第工况渗流场计算结果见图3 - 1 7 、图3 一1 8 。 l 二；! ”3 0 正塑型l 一一， 西一摹i = ： 囊辩耐茧疋簿：鬟萋喜害兰喾颦pt 扪转：萨茧疋导嵩 = i 誊吒手二n 苷“寻薄兽 笔矗筹望鉴转罕水位 2 0 2 8 0 1 9 2 8 0 j 1 8 2 8 0 1 7 2 8 0 j 1 6 2 8 0 1 j i _ 0 0 0 图3 - 1 5 山垌水库土坝第工况初始时刻分组分块图 3 0 0 06 0 0 09 0 0 01 2 0 0 01 5 0 0 0 侣0 0 02 1 0 0 02 4 0 0 02 7 0 。0 0 图3 - 1 6 山垌水库土坝第工况渗流场单元划分图 河海_ 人学工程硕：i ：论文山垌水库土坝渗流的有限元分析发防渗加固处理 图3 一1 7 山垌水库土坝第工况初始水位1 9 9 3 时的渗流场分布图 一一一一1 屯、 图3 一1 8 山垌水库土坝第工况瞬时水位1 7 5 6 0 时的渗流场分布图 3 3 计算结果分析 根据前述4 种工况下的渗流计算结果，现从下列几方面进行分析： l 、浸润线位置 第工况，算出的浸润线平滑且与采用水力学计算方法有限深透水地基上 均质土坝的渗流计算公式“”“。1 算出的结果基本相同，与测压管实测值也比较吻 合。见比较表3 - 5 ( 由于选取的计算剖面a - a 与第一排测压管位置较近，因此 计算结果仅与第- t f n 压管的实测值进行比较) 。 一玉一 一 旦 舯1 篡j _ 1 一 帅和跚三三兰! m 河海大学工程硕一i 二论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加同处理 表3 5实测浸润线位置与计算值比较表( 1 1 1 ) 数据来源库水位( m )i i2i 。 j实测 1 9 9 5 01 9 1 6 7 1 8 5 8 41 7 9 3 2 l计算1 9 9 3 01 9 1 4 81 8 5 6 71 7 9 1 4 第工况及第工况由于坝体土渗透系数较大( 1 2 2 2 2 1 0 1 c m s ) ，算出 的浸润线位黄较高，尤其是第工况浸润线已逸出下游坝坡，至使排水体处于 失效状态，这与采用水力学法算出的结果基本相同，同时与实际情况相符，因 此计算结果是合理的。 第工况是计算非稳定渗流情况，水库水位用约2 7 天的时间从1 9 9 3 0 m 骤降至1 7 5 6 0 m 高程，由于时问较短，因此浸润线与初始时刻比较变化不会太 大。从计算出的结果分析，浸润线最高点初始时刻为1 9 9 3 0 m ，骤降至死水位 1 7 5 6 0 m 高程时浸润线最高点为1 9 6 5 0 m ，计算结果在合理范围之内。 2 、渗透坡降 根据算出的渗流场计算渗透坡降，然后对坝体及坝基土是否产生渗透破坏 进行判别。采用安全坡降法”进行渗透破坏判别。 安全坡降法即，s 0 】 j 坝体土、坝基土逸出点处的平均渗透坡降； p 坝体土、坝基土的允许渗透坡降。 p 根据南京水利科学研究院提出的方法确定，首先按下式判别土体可能 产生的渗透破坏类型： o 2 n 焘 2 ) ，l ：一 ( 3 3 ) 1 + 已 式中：p 口粒径小于或等于2 m m 的细粒临界质量分数，； a 修f 系数，取0 9 5 一1 0 ，本文取0 9 5 ； n 土的i l 隙率( ) ，坝体4 9 4 、坝基6 2 6 ； e 土的孔隙比，本文取山垌水库除险加固工程地质报告“1 中的建议 值，见表3 - 1 。 河海大学t 程嘲- j j 论文d 垌水库土坝滂流的有礤元分析搜防渗加i 蔺处理 经计算，l 【j 垌水库坝体土圮为3 9 1 ，坝罄土鬈为4 1 9 。 当土体的细粒含量大予只时可能产生流土，当土体的细粒含量小于或等于 只时，则可能产生管涌。根据山垌水库除险加嗣工程她质报告，山垌水瘁坝体 豹鲴粒含量为9 1 7 ，域基土的细粒含量为9 8 7 ，均远大于只值。囡此均 霹麓产生流翟渗透疆坏。 产生流土的临界坡降计算公式为： j 。= ( g ，一1 x 1 一n ) ( 3 4 ) g 。士粒比重； n 土体孔隙率。 经诗算，t h i n 承痒埂体j 。壤为0 。8 7 ，袈基墨傻为0 。6 5 。 容许渗透坡隆p 】2 詈足为安全系数，对予糕憋8 驳l - 5 t 渗滚分承戏果觅褒3 - 6 。 3 、渗流量 本文在进行有蔽元法渗流计算中，仪诗算了第工况及第工况下计算新 藤的单宽渗浚量。第工况的单宽渗滤量为7 3 0 m d a y + m ，总渗滚量豹为 6 5 1 1 6 m 3 d a y ，第工况的单宽渗流量为1 1 0 9 r n 3 d a y m ，总渗流量约为 9 8 9 2 3 m 。d a y 。对于第工况其总渗流量与实测值“基本穗嗣，计算渗流量大于 其设计傻。 i , 海人学工程硕17 论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加同处理 表3 - 6各工况渗透分析成果表 渗透系数 平均渗透坡允许渗透坡 1 况位置及十层名降降备注 ( 1 0 c m s ) j j 坝体 1 2 2 20 5 8 渗流逸出 人i 填筑十处在排水 第i ：况 体上无流坝基 0 9 30 4 3 含砂粉质粘士 土产生 坝体 1 22 20 2 90 5 8 人j i ：填筑十 第丁况 圳基在排水体 含砂粉质粘土 o 9 30 4 3 坝体 1 2 2 2o 3 80 5 8 人l 填筑二 二 第l ：况 坝基在排水体 含砂粉质粘+ 0 9 30 4 3 上 坝体 1 2 2 2o 5 10 5 8 上游迎水 人一i ：填筑十坡 第况 坝基 0 9 30 4 3 含砂粉质粘_ 十 综上所述，山垌水库土坝渗流有限元计算结果比较合理、可信。从计算结 果分析的结论也比较符合山垌水库土坝的实际情况。 3 4 小结 本章根据山垌水库土坝的基本尺寸资料及地质资料，采用有限元分析方 法分4 种工况分别对土坝坝体进行了渗流分析计算，并结合大坝观测方法及一 些理论公式对汁算结果进行了分析，认为山垌水库土坝渗流有限元计算结果比 较合理、可信，比一般水力学公式计算出的结果更精确，更符合实际情况。为 下一步的防渗处理提供了合理的依据。 河海火学t 程硕1 ：论文山垌水库土坝渗流的有限元分析及防渗加同处理 第四章山垌水库土坝防渗加固处理 从第三章的计算结果分析可知，山炯水库士坝浸涧线较商，渗流量大于设 诗篷，掰畜工况中疼东位在骧终4 黪凝下上游较熬渗透较簿最大，略小予克l 鸯= 篷。 山垌水库土坝目前存在的最大的问题是浸润线位鼹较高。在校拔洪水位下 逸出点在排水体之上，排水体发挥不了应有的功能，使髂个坝体的稳定性降低。 壤据东疼敖空零谴骡簿菲稳定渗漉计算分毒厅结鬃，建承瑗渗遴缓释大，馥逐式 坡有可能发生渗透破坏，又出于土坝迎水坡护坡石及反滤层融部分淘空。豳此， 需对山垌水库士坝尽快进行防渗加固处理。 4 1 土颊渗流处理方法 嚣茈国内处理缀渗流豹方法主要鸯戮下a 羁t 方法“”： l 、斜墙法 对于均质坝的坝身渗流，可铂：迎水坡用袖