（水工结构工程专业论文）高碾压混凝土重力坝的渗流控制方法及其工程应用.pdf

摘要 本文在总结他人研究成果的基础上，针对碾压混凝土坝的主要渗流问题，开展对碾压 混凝土饱和一非饱和渗流理论和算法方面较详细的研究工作。主要内容包括： ( 1 ) 从渗流基本理论出发，以压力水头为基本未知量推导多孔介质三维饱和非饱和渗 流微分方程，并根据碾压混凝土坝的特点得出适合其自身的渗流控制方程：进而对碾压混 凝土的渗流基本理论、渗流特性开展深入的研究工作。 。( 2 ) 开展了碾压混凝土坝现场压水试验方法与成果整理理论的研究，探索在碾压混凝 土坝施工现场如何快速、准确、简便地进行施工质量检查的理论、方法和具体技术，实现 对大坝混凝土的施工质量进行现场快速监测与检测以及因此而能够动态有效地进行反馈 趋工。 ( 3 ) 开展碾压混凝土坝渗流场的有限单元法研究工作，编制完成碾压混凝土坝三维渗 流场计算程序。根据碾压混凝士坝成层施工的特点，采用一定方法严密地模拟坝体中对于 渗流场分布起重要作用的排水管和由成层施工形成的层面及缝面的渗流作用，解决渗流场 自由面位置确定问题以及排水孔穿过自由面时的渗流场求解等问题，实现精细定量的求解 与分析碾压混凝土坝中大坝渗流场特性、渗流量计算等问题。 ( 4 ) 碾压混凝土坝的防渗与排水结构对于大坝的安全与稳定极为重要，本文研究了各 种防渗与排水技术对大坝渗流场特性的影响作用，并分析了各种防渗与排水方案的特点。 ( 5 ) 在对龙滩高碾压混凝土重力坝渗流特性进行分析时，就有关主要渗流影响因素进 行众多计算工况的比较分析研究，得出大埂的最终优选渗控方案。 关键词：饱和一非饱和；多孔介质；现场压水试验；遗传算法：有限单元法；变态混凝土： 二级配混凝土：三级配棍凝；排水孔；防渗帷幕；强渗透各向异性；双重防渗 结构。 a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tp a p e r , t h ea u t h o rh a sp a r t i c u l a rr e s e a r c h e di n t ot h es a t u r a t e d u n s a t u r a t e d s e e p a g et h e o f i e sa n dn u m e r i c ，a lm e t h o d so f t h er o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e ( r c c ) d a mb a s e do n t h ep r e v i o u sa c h i e v e m e n t si nt h ef i e l d t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r ei n c l u d e d ： f 11b a s e do nt h ef i m d a m e n t a l s e e p a g et h e o r y , t h e b a s i cd i f i e r e n t i a l e q u 缸i o n o f s a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g ei np o r o u sm e d i u m sh a sb e e nd e d u c e d i nw h i c ht h ep r e s s u r eh e a d i st h ef u n d a m e n t a lu n k n o w n q u a n t i t y f u r t h e r m o r e t h ee q u a t i o nf o rr c c d a mi sd e d u c e dt o o t h e n ，t h eb a s i cs e e p a g et h e o r ya n ds e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c sf i r ea n n y z e dc a r e f u l l yi nt h i sp a p e r ( 2 ) t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h et h e o r ya b o u tf i e l db o r e h o l et e s ta n dr e s u l ta n a l y s i s a n dg e t s q u i c k a c c u r a t ea n ds i m p l et h e o r y , m e t h o da n dt e c h n o l o g yw i t hw h i c ht h ee n g i n e e r sc a l li n s p e c t t h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yo f r c cd a m sa n df e e db a c kt h ec o n s t r u c t i o n ( 3 ) b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 陌e m ) ，t h ea u t h o rc o m p i l e st h et h r e e d i m e n s i o n a l s e e p a g ef i e l dc o m p u t a t i o np r o g r a mo f r c c d a m i nt h ep r o g r a m ，t h er c ci n t e r v a l sa n d d r a i n a g e h o l e sa r es i m u l a t e dw h i c ha r e v e r yi m p o r t a n tt o t h e s e e p a g e f i e l dd i s t r i b u t i o n , a n dt h e c o m p l i c a t e dp r o c e s si sp u tf o r w a r dw h e nd r a i n a g eh o l ea n de x i ts u r f a c ei n t e r s e c t a n ds oo n s o t h ea u t h o rc o u l dr e s e a r c ha n ds o l v et h er c c d a m s s e e d a g ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds e e p a g ef l o w a c c u r a t e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y ( 4 ) t h es e e p a g ep r e v e n t i o ns t r u c t u r e sa n dd r a i n a g es t r u c t u r ei sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es a f e t y a n ds t a b i l i z a t i o no fr c cd a m s ，s ot h e i re f f e c t si sd i s c u s s e di nt h i sp a p e rt ot h es e e p a g ef i e l d s c h a r a c t e r i s t i c so f r c c d a m s ，m o r e o v e r ，t h es e e p a g ec o n t r o ls c h e m e so f r c c d a mi sa n a l y z e d ( 5 ) t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h es e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c so r l o n g t a l lr c cd a m b y f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，a n dc o n c l u d e s t h eb e s ts u i t a b l es e e p a g ec o n t r o ls c h e m eo f t h ed a ma f t e ra n a l y s i si ns om a n yc e s k e yw o r d s ：s a t u r a t e d - u n s a t u r a t e d ；p o r o u sm e d i u m ；w a t e r p r e s s u r et e s t ；g e n e t i ca l g o r i t h m ； f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；e n r i c h - v i b r a t e dr c c ；t w o - - g r a d e dr c c ；t h r e e - g r a d e dr c c d r a i n a g eh o l e s ；s e e p a g ep r e v e n t i o nc u r t a i n ；s 仃o n ga n i s o t r o p yo fs e e p a g e ；a n d d o u b l e s e e p a g ep r e v e n t i o ns t r u c t u r e s 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 碾压混凝土坝的特点及其发展简史 碾压混凝土坝( r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m 或r c c d ) 是将常态混凝土和填 筑土石坝的优点集于一身的新坝型，它的主要成分是碎石骨料、砂、石粉、胶凝材料 ( 水泥、粉煤灰或者火山灰) 以及外加剂，它不仅具有常态混凝土坝强度高、安全性 好、不怕洪水漫顶等优点，还具有节约水泥用量、简化施工工艺、施工速度快和工程 造价低等众多优点。 碾压混凝土起源于3 0 年代的干贫混凝士；到七十年代，许多国家特别是美、英、 日三国对碾压混凝土筑坝技术进行了理论研究和科学试验：随后中国、加拿大、巴西、 澳大利亚、巴基斯坦和南非等国家也在这一领域开展了研究。1 9 8 0 年在日本采用碾 压混凝土筑坝技术建成了世界上第一座碾压混凝土重力坝一导地川坝；迄今为止，世 界各地高于1 5 m 的已建、在建碾压混凝土坝共有2 0 0 余座，而中国占其中4 0 余座， 这其中有目前全世界最高的沙牌碾压混凝土坝( 坝高1 3 2 0 m ) 和在建的龙滩碾压混 凝土坝( 坝高2 1 7 0 m ) ；这说明我国在碾压混凝土筑坝技术方面已经居于世界先进行 列，甚至处于领先地位。 我国的碾压混凝土筑坝建设虽然起步较晚，但是发展势头迅猛，在充分吸取国外 碾压混凝土筑坝技术的经验和教训的基础上，结合我国粉煤灰资源极其丰富的特点， 充分发挥机械化施工和大面积浇筑的高效率优势制定了一套符合我国国情的具有中 国特色的碾压混凝土坝筑坝方法。1 9 9 4 年，我国颁布了水工碾压混凝土试验规程 和水工碾压混凝土施工规范，使得我国在碾压混凝土筑坝技术方面更加规范化， 大坝的施工质量得到了进一步的保证。 1 2 碾压混凝土坝渗流问题的研究现状 碾压混凝土筑坝技术的应用已经有二十多年的历史，国内外的学者对碾压混凝土 及其渗透特性都有了一些探索，取得了一些成果。在国际学术界法国学者l o u i s ( 1 9 6 9 ) 、前苏联学者r o r n m ( 1 9 6 6 ) 、l o m i z e 等人首先进行了薄板裂隙水流试验， 证明了立方定律，同时还考虑了裂隙面粗糙度的影响，对立方定律进行了修正。在国 内，河海大学朱岳明教授( 1 9 9 5 ) 提出，碾压混凝土具有由碾压混凝土本体和本体 间的层面构成的成层结构的特点；认为这种“千层饼”式结构的渗流行为是由碾压混 凝土本体和层面的渗流特性共同决定的，具有明显的各向异性特征；碾压混凝土的层 第一章绪论 面是坝体渗水的主要通道，沿层面切向和法向两主渗透系数的比值高达几个数量级。 河海大学速宝玉教授等就国家“八五”科技攻关项目 2 1 ，对各种情况下碾压混凝土试 块进行试验，提出了碾压混凝土本体和层面的串联、并联模型。中国水利水电科学研 究院窦铁生等根据碾压混凝土的特点，提出了室内试验时碾压混凝土试块快速渗透试 验确定渗透系数的方法。河海大学任旭华教授等结合三峡工程碾压混凝土纵向围堰进 行了碾压混凝土坝渗流特性和渗控理论的研究，提出了应重视坝体渗水情况和排水设 计，引入了面板堆石坝的渗控设计思想，降低其后的碾压混凝土强度和防渗性的要求， 从而加快施工进度、降低造价。 目前，工程界对碾压混凝土坝的研究在试验、理论方面都取得了丰硕的成果，但 是由于碾压混凝土层面及缝面是其主要渗透通道的特点以及大坝防渗和排水设施对 于大坝渗流场特性的影响非常显著，使得大坝的施工质量和运行期对大坝的安全监测 工作显得尤为重要，对于这一问题还必须进一步深入研究。 1 3 本文的主要研究内容及研究方法 碾压混凝土坝的渗流问题是碾压混凝士筑坝技术中的重点和难点。本文是在国家 “八五”、“九五”、“十五”科技攻关项目的基础上，针对碾压混凝土坝特别是高碾压 混凝土重力坝的渗流特性进行了系统的研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 复杂渗流场特性研究，重点研究多孔介质中具有代表性的土体的饱和一非饱和 特性及其对渗流场的影响。 ( 2 ) 碾压混凝土的渗流特性分析及室内外试验研究，提出几种求解碾压混凝土渗透 参数的理论和方法，对碾压混凝土的渗流特性进一步研究。 ( 3 ) 碾压混凝士坝渗流场分析的有限单元法研究。在阅读大量国内外相关资料的基 础上，就碾压混凝土坝渗流场的特性以及难点展开研究，对这些问题和难点的 求解在理论和算法上做了阐述。 ( 4 ) 碾压混凝土重力坝渗流控制的防渗与排水技术。针对碾压混凝土坝渗流场的特 性和形态，研究了影响大坝安全运行的不利因素，提出了几种相应的工程措旋。 ( 5 ) 龙滩高碾压混凝土重力坝渗流场分析。在国家“八五”、“九五”科技攻关项目 的基础上，根据已有资料对大坝渗流分析建模，通过多种典型工况的敏感性分 析计算量化的评估层面及坝体的施工质量，迸一步论证分析龙滩高碾压混凝土 重力坝的渗流特性、渗控措旌的效果和渗流特征可能变异情况。 河海大学硕士学位论文 本文主要的研究方法： ( 1 ) 文献阅读。通过大量阅读国内外有关土体饱和非饱和特性、碾压混凝土渗流 特性、碾压混凝土渗透参数测定理论及技术等方面的文献，掌握本文主要研究 内容现有的研究水平，为开展本文的研究打好扎实基础。 ( 2 ) 理论分析。理论分析是本文重要的研究方法，本文主要应用现有渗流数学模型、 渗流特性理论、有限元理论等对本文的研究内容开展研究工作。 ( 3 ) 现场实测。现场实测既可以提供理论分析及数值模拟所需数据，又可以对相应 的研究成果和理论进行验证。如果实测理论和技术有效的话，那么无疑现场实 测是一种最为可靠的研究方法，本文就碾压混凝土坝施工现场压水试验成果整 理的过程其主要基础就是现场实测数据。 ( 4 ) 数值模拟。数值模拟是本文应用最为广泛的研究方法，与理论分析和现场实测 相比，数值模拟方法有自己不可替代的作用。 第二章多孔介质渗流基本理论 第二章多孔介质渗流基本理论 1 8 5 6 年，法国工程师达西( d a r c y ) 通过饱和砂层渗透试验得出了著名的达西定 律，奠定了现代多孔介质渗流理论的研究基础。尽管研究表明达西定律只适用于层流 状态而紊流状态下流量与水力梯度不再保持线性关系，但多孑l 介质中渗透水流流速极 低，通常认为其渗流状态仍符合达西定律。多孔介质渗流场的准确求解关键在于计算 模型的选取、饱和非饱和水力参数的确定及饱和- 非饱和边界面的模拟。本章主要内 容是渗流基本理论和具有多孔介质一般性的土体的饱和一非饱和渗流特性。 2 1 渗流基本理论 地下水贮存在岩层空隙中，并在其中运动；通常把含有水并能允许大量水通过 的岩层称为含水层；反之，把不允许水通过的岩层称为隔水层。由于水是贮存并运动 在岩层的空隙当中，我们把这样的岩层称为多孔介质，其特点如下：( 】) 在多孔介质 中，固相( 即固体物质) 只占一部分空问，而另外的空间则是气相和( 或) 液相；( 2 ) 在多孔介质中固相遍及整个区域，固体骨架的比表面积较大，构成空隙的空间较为狭 窄；( 3 ) 构成空隙的某些孔洞相互连通。 地下水在多孔介质中运动，由于多孔介质中孔隙和裂隙的大小、形状都很复杂， 地下水质点在其中的运动毫无规律，在某些局部点甚至出现不连续，这样就造成研究 个另j j ? l 隙和裂隙当中的地下水运动特征不仅困难而且实用价值很小。因此，在地下水 动力学中，人们不直接研究个别液体质点的运动规律，而是研究岩石内液体的平均速 度，即研究具有平均性质的渗透规律。这种方法的实质是是用和真实水流属于同一液 体的，充满整个含水层的假想水流来代替紧紧在岩石空隙当中运动的真实水流。 地下水在地面以下的垂直分布可以分为两个区域：饱和区和非饱和区，非饱和 区与饱和区一个显著不同的特点就是非饱和区中岩石孔隙没有完全被水充满，中间存 在着空气；非饱和区中弓l 起流动的力除了重力和水压力以外。z 还有固体表面的吸引力和水；在非饱和流动中，液体流动的 横截面积是随着体积含水率0 变化的。由此，非饱和区的渗 透参数与土壤质地、土壤结构等有关，渗透参数和体积含水 率0 以及压力水头 ，的关系非常复杂。 多孔介质材料的渗流研究域分为饱和区和非饱和区，对 于固相不变形的多孔介质来说，根据其无限小单元体中质量 守恒规律可推导出如下的渗流连续性方程为： 芝 ! 图2 - 1 多孔介质的单元体 河海大学硕士学位论文 如巧搴= 詈= 昙c 蛾，、 c ：一” 式中： ”一土体孔隙度；s 。一土体饱和度，在非饱和区0 s 。 1 ，在饱和区s 。= l ；蟛 一渗透介质的饱和渗透系数张量；疋一相对透水率，为非饱和时渗透系数张量元素与 饱和时渗透系数张量元素之比值，在非饱和区0 兰k ， 0 ) 这样的含水率吼称为束缚含水率( 又称田间持水率、悬着毛管含水率、 同生含水率) ，若试样接着从0 = 以的状态起进行吸水( 又称为吸湿、吮吸) ，并逐次 持续避行到试样重新饱和为止，在这个全过程中，得到的见一目曲线并不与曲线l 重合， 而是位于其下面的另一条曲线2 这种完整的吸水持水曲线，简称为吸水曲线或吸湿曲 线吸水过程最终所达到的饱和含水率玎小于试样最初的饱和含水率玑若在排水过程 尚未终止( 瓯 占 ”) 时，例如从a 点开始就逐次进行持续吸水，只要次数充分多，则 就得到曲线3 ，它一般能在某点b 处与曲线2 汇合；若在吸水过程尚未终止( 瓯 0 h 7 ) 时，例如从c 点开始又逐次进行持续排水，只要次数充分多，就能得到曲线4 ，它一般能在 某点d 处与曲线1 汇合；若从a 点开始的逐次持续吸水过程未进行到与曲线2 汇合时 就进行逐次持续排水过程，则就会得到曲线5 ，它是从蓝线3 的中途起始的，只要次数充 分它最后也能与蓝线1 在某处汇合若在吸水过程 尚未终止( 瓯 5 时，压水段可以按点处理；当卢， 5 时，观测段可以按 点处理。由此可见，交叉孔压水试验因有严格的理论解，用这种方法得到的各向异性 体的渗透系数张量较为正确、可靠，因此有着广阔的工程应用前景。 澍j 鼙大学硕士学位论文 成层介质在工程实际中极为常觅，也是碾压混凝坝在绪构特性和渗流特性的巢 中反映特点。成层介质的渗漉特点往往主要表现为强渗透务向异性往结构层面上基 本黧现渗透各向同性或基本表现为渗透各向同性的特点，而艨面法向的透水能力则嗡 显小手层霜切囱，在碾压混凝士坝中表现褥冀为突如，坝体中的渗透水流主要顺层面渗 动，渗透水流主要呈流线平行于层面的准三维流态。 嚣要注意豹是，这里分缨躲交叉魏压水试验也有它自己鼷有的缺点，其中最大是双 性猩于它需鬻额外专门钻孔进行观测，而当渗透介质的渗透系数很小时( 碾压混凝土就 毽予这耱瀵凝x 为了达到能够获缮试验辑嚣约理测孔孛熬永头变化，试验辑爨要熬对 间可能会较长，甚至很长，工作效率较低，有时根本就无法采用。但是由于它所获得的试 验续募其鸯严揍豹骥谂壤撰，鞍为壤镳、霹箨，可敬灵将它套工程中最麓主要帮最委典 型的渗透介质区进行使用，可靠地获得该介质区材料的渗透添数张量。再运用于整个渗 流域渗流场鑫孽反演分掇，最终霹褥弱渗流磁究域孛解难一秘吝令予嚣豹渗透系数张 量。 3 3 1 2 平黼渗源法 热传导是一种蒋遗的是然现象，热量总熄从湿度捆对较离处传遂舞 温度楣对较低 处，实质上热传导燕个热蔗扩散的过程，黹多孔介质的渗透问题察质上是熊中的渗 透承渡扩数翡过程，嚣者霄一定静共通性。 鉴于碾压混凝土坝体常为强渗透各向界性结构体，主渗透系数的各向异性比通常 会多这咒令数量级，在竣 搴中链孔基楚( 爨形成戆垂承张径自浚熬藐态基零土爨瑗平行 于滟凝土层面的均匀流，可以按二维渗流场问题进行处理。参照上述h s i e h 和n e u m a n 瓣三维交叉毳基隶试验理论羁寿关热传导瑾论l 瑚，霰羧在一蠢疆大乎溪区域凌各整豹 初始水头h 为一个常量( 比如施工膀各处非饱和新混凝土的含水率相向) ，可以得到持 续意源压承试验在平面域蠹群；| 超酌各楚承受交纯静解辑瓣免： 岬力= 罴e r f c 磕) = 罴哆( 主捂) ( 3 - 2 3 ) 式中：q 一联水流量；k 一各向同性平面内的渗透系数；r - n 点源的距离；t - - 愿水试验 时闻。 上式是一个关予渗透系数露的复杂关系忒，可以通过试算获绲渗透系数k 的鳃。对 于碾压混凝土坝的援水试验，沿着层丽间的渗透通道可以看成是无限犬的平西区域一 个半径力稳麴链孑l ，从t = o 时刻嚣始以医力水头堍压水。如果钻孔半经气影嫡不可忽畹 压水孔不能按照点源处理，那么可以根据以上对平面热源积分的方法求得整个区域内 第三章碾压滢凝土甥静渗流特性 经j 窭压水时闻f 的域内水头发佬的解： 幽( 黜) ；磊q 毒o 8 丽葛专菰唾( 塑j 产删护海2 4 ) 一般落采，式( 3 。2 4 ) 赡以找到精确的数学勰攒解，但是仍然可以遵过试髯的办法 获得满足工程精度骧求的渗透系数的近似解。但是年h 前述三维问题时一样，这里也存 在能否在工程现场实际试验孛观测褥到足够精度要求的艇测点处永头的变化爨 幽( 矗，f ) 的问题。这一方法谯碾压混凝土坝中能否顺利的成功应用，还需要在今后的现 场谖验遂行验迁； 3 3 1 3 常规压水试骏 常规压承试验程测定器种奔质的渗透系数方面应霜极为广泛，对这稀方法的研究 也段为深入。常规聪水试验最大的优点在予不需要观测孔，遮给实际施工带来了极大 的方便，大大减少了压水试骚施工工序和藏z 难度。值这静革孔压水试验方法存在的 缺点是这种方法需豢在介质豹渗透童向上钻孔因此在压水试验以前需要先确定介质 的渗透主向，在没有爨可靠的方法可供选择的情况下，通常是通过地表、近地淡地质勘 探帮钻孔获褥的裂隙煺矮信息来预测。 为了便于理论推导、成果整理和分析，饱和介质内进行膳水试验时，单孔常规压水 试骚段兹求滚渡态鬻豢被骰定为翔灏3 - 4 ( 8 ) 艨示懿莲承孔经自均匀浚态和黼3 4 ( b ) 所示的压水孔椭圆型流态的达西渗流流态基于图3 - 4 ( a ) 的假定，由式( 3 - 9 ) 的控制方 疆骧麓纯楚魏下熬稳定获态我控露l 方程： 拿妒夏o h ) = o( r = 时， = 儿。o h c t ro r = 篆) 2 5 ) e轳二掰“ 式中：一钻孔半径；k 一钻孔中的压力水头。 ( a ) 压水孔径向均匀流态( b ) 压水孔椭圆瓤流态 垂3 4 零最驻承魏压求的嚣秘渗滚巍惑假定 由于碾膳混凝太内的缝筒和层聪相对予碾压混凝土本体来说，缝宽非常小而渗透 一l s t 辩潍大学硕士学位论文 性j 常大，渗透水流基本都通过缝丽渗动，因此从宏观意义上可将缝面均化判碾压混 凝主本体中，视碾羼混凝土为各向嗣性分质。对于在备向同饯贪质体内对于段长度 为f 、压力水头为h o 、孔径为的服水孔段巾，据d a r c y 定律可得： q：蠢堡a(3-26) 出 式中：a 一试验段的横截面积。 只需对上式避行简单的分离变量推导郄可得剐如下确定介质渗透系数的理论关系式：