（水工结构工程专业论文）双江口心墙堆石坝初次蓄水及库水位骤降非稳定渗流分析研究.pdf

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6 1 5 m ) 及位于大渡河上的 双江口水电站土质心墙堆石坝( 坝高3 1 4 m ) ，以及位于怒江的松塔、马吉，澜沧 江的古水等3 0 0 m 级高土石心墙堆石坝l l 。而目前世界上高度超过3 0 0 m 的土石 坝只有一座，是原苏联的罗贡坝( 高3 2 5 m ) 【1 1 】。这些3 0 0 m 级的高心墙堆石坝建 设经验相对缺乏，超过了现行规范适用的范围，因此，超高坝的设计建设必须开 展专门的研究，以解决关键技术问题。由于高心墙堆石坝库水水位变化较大，因 此，高土石坝库水水位的骤变成为工程界和学术界最为关注的问题之一。本文采 用非稳定饱和一非饱和渗流理论，针对3 0 0 m 级双江口高心墙堆石坝库水水位骤 变的非稳定渗流开展研究工作。 1 2 研究现状 1 2 1 渗流场数值模拟 渗流计算求解方法有解析法、数值法和电模拟法【1 2 ，13 1 。数值模拟方法主要包 括有限元法1 1 4 1 、边界元法【1 5 l 、有限解析法【1 6 1 、有限积分法、无限元分析法【1 7 1 以及 新近发展的数值流形法【1 8 1 等，其中有限元法无论从理论分析还是到工程应用，从 河海人学硕上学位论文 渗流均质各向同性到非均质各向异性，都是渗流计算中研究最成熟最完善的数值 方法。 在各种水工建筑物及岩土工程渗流分析中，常会遇到带自由面的渗流计算。 由于自由面的位置是事先未知的，即渗流计算区域是未知的，因而这类渗流分析 具有复杂的非线性。自由面的求解问题在本质上是非线性自由边值问题，目前求 解这类问题的有限元分析方法总体上分为两类：一类是变网格迭代法，另一类是 固定网格迭代法。 变网格法将自由面作为可变边界处理，在迭代过程中修改自由面的位置，使 网格发生相应的变化，直到自由面位置稳定为止。这种方法虽然成功地的运用于 渗流计算，但其有自身无法避免的缺陷。在每一次迭代中，计算网格都要随自由 面的变动而变动，总体传导矩阵要重新计算和分解，工作量较大。而且容易使自 由面附近的网格出现畸形，造成求解精度降低，且进行渗流分析及应力与稳定分 析时，有限元网格难以统一。 n e u m a n 于1 9 7 3 年提出用不变网格法分析有自由面渗流的g a l e r k i n 方法i 憎j 以后，近年来国内外许多岩土工程师和应用数学工作者致力于固定网格法的研究， 试图采用扩大的渗流区域和固定边界来求解带自由面的渗流问题，以达到迭代过 程中单元网格不变的目的。先后出现了变单元渗透系数法1 2 、改进单元渗透矩阵 调整法【2 l 】、剩余流量法【2 2 1 、改进剩余流量法【2 3 j 、初流量法f 2 钔、改进初流量法【2 5 】、 变分不等式法【2 6 1 、截止负压法【2 7 ，2 8 1 、复合单元全域迭代法【2 9 】、结点虚流量法【3 0 】 和丢单元法【3 l 】、子单元法【3 2 】、虚单元法【3 2 】等多种方法。 自从d a r c y 定律提出以来，对岩土质多孔介质渗流问题研究已比较充分，并 建立了较为完善的多孔介质渗流理论与计算模型，研究的热点目前主要集中在裂 隙岩体渗流计算模型的建立上，目前国内外的学者取得了一系列的成果。现今裂 隙岩体渗流计算模型主要有：等效连续介质模型、离散裂隙网络模型、裂隙一孔 隙双重介质模型、离散介质一连续介质耦合模型、随机渗流模型、多场耦合模型。 1 9 6 2 年，m i l i e r 提出非饱和介质的渗透系数是含水量或压力水头的函数，这 就为达西定律应用到非饱和区提供了理论基础。此后，国内外的一些学者就致力 于综合考虑饱和一非饱和渗流区域的固定网格有限元计算方法。因为将饱和区和 非饱和区综合考虑，就避免了搜索自由面的问题，所以饱和一非饱和渗流有限元 计算法具有饱和渗流有限元计算法无法比拟的优点。 n e u m a n 【3 3 ，3 4 j ( 1 9 7 3 ，1 9 7 4 ) 最早将有限元方法应用到解饱和一非饱和渗流问 题后，赤井浩一等【”】( 1 9 7 7 ) 在n e 啪a n 的基础上研究了考虑土一水特征曲线吸 湿与脱湿不同情形影响的饱和非饱和渗流，他们做了砂槽试验，并用有限元方 法模拟了砂槽试验，其数值模拟结果与实验结果基本吻合。 l 锄和f r e d l u n d i 刈( 1 9 8 4 ) 应用饱和一非饱和渗流分析程序t r a s e e 解了一些 坝体渗流的经典课题。 2 第一章绪论 r a h 盯d i o l 3 7 】等( 1 9 9 4 ) 用饱和土力学理论应用到新加坡残积土的研究，他们 认为流量边界条件对残积土力学性质有重要的影响。同时进行了现场吸力观测和 饱和一非饱和渗流的数值模拟，发现降雨入渗对现场吸力的影响取决于边界条件。 张家剡3 8 】( 1 9 9 7 ) 研究了土坝三维饱和一非饱和非稳态渗流，编制了三维饱 和一非饱和稳定与非稳定渗流程序，该程序曾应用于三峡船闸高边坡渗流场分析 中。 朱伟等【3 9 】( 1 9 9 9 ) 通过大型降雨渗透试验实测了土堤内浸润线的变化和水分 移动，并利用有限元方法对饱和一非饱和渗流进行数值模拟，进而分析了降雨时 土堤内饱和一非饱和渗流机制。 吴梦喜等【4 0 】( 1 9 9 9 ) 对一般的饱和一非饱和渗流有限元计算方法加以改进。 有效的消除了非饱和渗流计算中存在的数值弥散现象，同时还提出了一种简单有 效的逸出面处理方法，并给出了饱和非饱和非稳态渗流计算的实例。 朱军【4 l 】( 2 0 0 1 ) 对饱和一非饱和的渗流计算做了系统的研究，提出了求解渗 透流量的一种简单的方法。并对随机渗流场的数值分析作了深入的研究。 彭华等【4 2 】( 2 0 0 2 ) 对饱和一非饱和渗流有限元分析加以改进，提出了修正容 水度和加速迭代收敛技术的新方法，消除了计算中存在的数值弥散现象，提高了 收敛速度。 沈振中掣4 3 】( 2 0 0 6 ) 应用饱和一非饱和渗流理论，建立了岩体边坡的非稳定 饱和一非饱和渗流分析模型，采用块体系统的非连续变形分析建立了降雨入渗非 饱和渗流场影响的岩体边坡稳定分析和评价模型。 目前，饱和一非饱和渗流有限元法已发展得比较成熟，广泛地应用于工程的 渗流稳定计算当中。 1 2 2 库水位骤变衡量指标的研究0 4 4 l 目前，衡量水位骤变指标的研究主要是针对自由面下降时的情况，而针对自 由面上升情况的文献资料几乎没有。衡量水库水位下降快慢的指标，经常采用 七( 1 ，) 来表示库水位相对于渗流自由面下降的速度，以区分库水为缓降、快降还 是骤降。其中，是库水位下降速度；七为介质渗透系数；为介质的给水度。此 判据可以理解为土体空隙中水质点降速与库水位降速的比值关系。施尼特和泽勒 ( g s c l l i t e ra n dj z e l l e r ，1 9 5 7 ) 通过试验后提出当尼( y 1 1 0 时，自由面将与库水位同步下 降，此时可认为库水位缓降。谢斯塔柯夫( b m w e c t o k o b ，1 9 6 0 ) 认为当 第一章绪论 过推理的方法从试验现象的角度对其进行研究。所以直到今天，人们对水力劈裂 发生的条件、发展过程以及判别方法等问题仍观点不一【2 ，7 ，8 ，5 1 1 。研究认为水力劈 裂的发生条件包括物质条件和力学条件两个方耐5 2 】。前者是存在于心墙上游面的 裂缝或缺陷和心墙土料的低透水性，这一条件通常是具备的；后者是水库快速蓄 水过程中库水进入裂缝或缺陷形成的“水楔”1 5 3 j 作用。“水楔”作用的形成不仅需要 足够快的蓄水速率，更需要心墙土体处于非饱和状态。一旦心墙土体变为饱和状 态，或者稳定渗流己经形成，发生水力劈裂的可能性就不大了，因此水力劈裂容 易发生在水库的初次蓄水初期。 在土石坝竣工蓄水过程中，被认为与水力劈裂有关的大坝事故实例很多。其 中导致大坝溃决的典型是位于美国爱达荷州蛇河( s n a k e ) 支流提堂河( t e t o n ) 上的 t e t o n 宽心墙堆石坝。造成大坝渗漏的例子较多，其中挪威的h 舛e i u v e t 窄心墙土 石坝应属典型，下面对这两起大坝事故过程做简要介绍，以说明研究土石坝心墙 的水力劈裂问题所具有重要现实意义。 t e t o n 坝【l ，5 1 ，5 4 巧6 j 为宽心墙堆石坝，自开挖后最低点算起的最大坝高为1 2 6 m ， 自河床算起的最大坝高为9 3 m ，坝顶高程1 6 2 6 2 6 m ，坝顶长度包括溢洪道约9 5 0 m ， 上游坝坡坡比1 ：2 5 1 ：3 o ，下游坝坡坡比1 ：2 0 1 ：3 0 。防渗心墙土料为取自河谷上 部的风积粉砂土，为一种低塑性粉砂，渗透系数约5 0 x l o 西c 鹏。坝址地层自下 而上分别为节理发育显著的熔结凝灰岩、玄武岩及第四纪覆盖层。由于坝基熔结 凝灰岩中张开的节理发育，玄武岩与熔结凝灰岩之间又存在一层厚约1 2 7 o m 、 由粉砂、砂和砾石组成的冲积层，具有较大的透水性，故采用了基础防渗处理措 施。 t e t o n 坝1 9 7 2 年2 月开始施工，19 7 5 年1 1 月2 6 日填筑到顶。1 9 7 5 年1 0 月 3 日封闭导流隧洞后开始蓄水，设计对库水位上升速率的要求是，在1 5 8 6 m 高程 ( 即距离坝顶4 0 2 6 m ) 以上每天不超过o 3 0 m 。1 9 7 6 年3 月3 日，库水位达到1 5 8 0 m 高程，3 月2 3 日到5 月4 日，实际蓄水速度为每天o 6 0 m 。5 月4 日之后，因春 汛洪水较大，而水库的实际泄洪能力有限，库水位上升速率平均达到每天0 9 0 m ， 最高达1 3 0 m 。6 月5 日失事时，水位达到1 6 1 7 m 高程，比溢流堰顶仅低0 9 0 m ， 比坝顶低9 2 6 m 。失事后，专门成立的非官方独立调查组和官方内部调查组对事 故原因进行了调查。调查组认为，具有可冲蚀性的心墙 x 河海人学硕上学位论文 1 9 6 6 年5 月，水库开始快速蓄水( 在1 9 6 6 年的5 、6 月的6 0 天内，库水位升 高6 5 m ) ，同年1 0 月，蓄水达到设计正常水位。蓄水过程中，在水位达低于正常 水位7 0 m ( 即高程7 3 8 m ) 时，通过大坝下游流量堰测得的渗水量仅不足1 o 2 o l s 。 随着水位的进一步升高，渗水量明显加大，当库水位接近7 4 0 m 高程时，渗水量 突然增大，最大值达6 3 0 l s 以上，且渗漏水色混浊，每升含o 1 9 粘粒。随即减小 了蓄水速率( 库水位仍缓慢上升) ，渗水量也随之明显减小，在库水位由7 4 0 m 蓄高 到7 4 5 m 高程过程中，渗水量介于6 2 o 4 5 o l s 。 k i a e m s l i 和t o r b l l a 【5 7 5 8 】认为，心墙内部的水平裂缝是蓄水过程中产生异常渗 漏的原因。由于心墙与相邻坝壳填料之间存在较大的压缩性差异，拱效应使得心 墙内部某些位置的总竖向应力远远低于计算的自重应力，发生在这些位置的水力 劈裂造成水平裂缝张开。而水平裂缝的产生则是由于在蓄水过程中，心墙上游面 某些位置的有效应力减小为零所致。 在水库放水过程中，常出现土石坝坝体滑坡事故。七一水库1 5 9 j 库容1 8 亿m 3 ， 位于江西省玉山县信江支流金沙溪中游。大坝原设计为粘土心墙坝，竣工后实际 渗透系数上游坝壳为1 8 1 0 。5 c 州s ，心墙为2 4 2 1 0 。5 c 州s ，下游坝壳为 6 8 8 x 1 0 巧c 州s ，实属均质坝，最大坝高5 0 m 。1 9 7 2 年1 1 月，在水库放空过程中， 对库水位降速失去控制，库水位由1 9 7 2 年1 1 月8 日的8 0 0 3 m 降至1 1 月1 9 日夜 时的6 9 0 7 m ，左坝段上游坝坡发生大滑坡。库水位降幅达1 0 9 6 m ，平均降速约 为o 9 6 删。而鲁布革水电站1 9 9 7 年空库冲沙过程中【6 0 l ，在4 4 小时内，水库水 位下降约2 0 米，平均降速约为1 0 9 删，然后水位在7 小时内上升近2 2 m ，坝体 没有出现险情。许国安等在瀑御沟水电站三维非稳定渗流有限元计算【6 l j 中采用的 水库放空历时曲线( 枯水年) 分为两级：一级放空，库水位从8 5 0 m 降至7 9 0 m ， 历时1 3 6 7 1 d ，平均降速约为4 3 0 删，二级放空水位再由7 9 0 m 降至7 5 0 m ，历时 2 5 4 1 1 d ，平均降速约为1 5 7 枷。 从研究资料来看，目前，库水位骤变研究涉及的主要研究对象的坝高相对较 低，2 0 0 m 级以上的高坝的工程实例较少，因此，超高坝非稳定渗流分析可借鉴 的经验很少。 1 3 本文的主要研究内容 大渡河双江口水库为典型的河道型水库，正常蓄水位2 5 0 0 m 以下库容仅2 7 3 2 亿m 3 。水库蓄水时水位上升较快，国内外尚不多见。因此有必要对双江口心墙堆 石坝的非稳定渗流场特性进行深入的研究，研究不同水位变化速度条件下，坝体 内的孔隙水压力、渗透坡降等的变化规律，为防止心墙水力劈裂提供依据，并得 到水库的最大允许水位升降速度，提出能确保大坝安全运行的水位变化速度。 在广泛收集和研究国内外高土石坝非稳定渗流分析资料的基础上，对拟建的 6 第一章绪论 双江口心墙堆石坝进行三维有限元非稳定饱和一非饱和渗流分析。主要研究内容 如下： ( 1 ) 介绍目前高心墙堆石坝的发展现状、收集国内外研究非稳定渗流计算和 分析的实例，阐述双江口高心墙堆石坝非稳定渗流的研究意义。 ( 2 ) 从基本的物理方程出发，以压力水头为基本未知量推导多孔介质饱和一 非饱和渗流的基本微分方程，阐述了饱和一非饱和渗流问题的基本概念及其不同 的定解条件。在分析降雨入渗机理的基础上，探讨了考虑降雨入渗的非稳定饱和 一非饱和渗流有限元分析方法，并研制开发了相应的有限元计算程序。 ( 3 ) 根据双江口高心墙堆石坝的具体情况，以典型断面为基础，建立准三维 有限元精细模型，并进行大量的非稳定渗流分析，深入研究不同水位变化速度条 件下，坝体内的孔隙水压力、渗透坡降等的变化规律，并得到水库的最大允许水 位升降速度，提出能确保大坝安全运行的水位变化速度。 ( 4 ) 根据双江口坝址区的实际地形、地质条件，建立坝区三维有限元模型， 针对设计提出的几种典型的蓄水和泄水速度，对大坝及坝区进行非稳定渗流分析， 深入研究不同水位变化速度条件下，坝体内的孔隙水压力、渗透坡降等的变化规 律。 ( 5 ) 总结全文，指出有待于进一步研究的问题。 7 第二二章考虑入渗的非稳定饱和非饱和渗流理论 第二章考虑入渗的非稳定饱和一非饱和渗流理论 本章从基本的物理方程出发推导出在多孔介质中饱和、非饱和渗流的基本微 分方程，阐述了饱和、非饱和渗流问题的基本概念及其降雨条件下的定解条件， 介质的非饱和渗流特性及其参数的计算方法，推导有限元计算方法。介绍非稳定 饱和一非饱和有限元程序及其算例。 2 1 饱和渗流理论 地下水在多孔介质中运动，由于多孔介质中空隙、裂隙的大小、形状都很复 杂，水质点在其中运动毫无规律，有些地方甚至不连续，所以研究渗流就不能像 研究地表水一样直接考查水质点的运动，而只能用统计方法，忽略个别质点的运 动，来研究具有平均性质的运动规律。所谓统计方法，就是用和真实水流属于同 一流体的、充满整个介质( 包括全部的孔隙或裂隙空间和土或岩石颗粒所占据的 空间) 的假想水流来代替仅仅在孔隙或裂隙中运动的真实水流，并通过对这一假 想水流的研究来达到了解真实水流平均渗透规律的目的。这种假想水流应具有下 列性质： ( 1 ) 通过任意断面的流量与真实水流通过同一断面的流量相等； ( 2 ) 在某断面上的压力或水头应等于真实水流的压力或水头； ( 3 ) 在任意土体或岩体体积内所受到的阻力应等于真实水流所受到的阻力。 满足这些条件的假想水流称为渗流，渗流所占据的空间称为渗流场，描述渗 流的参数称为渗流要素，如压力p 、速度1 ，及水头日等等，在计算时，把它们看 作空间坐标x ，y ，z 和时间f 的连续函数1 6 2 | 。 2 1 1 运动方程 地下水运动方程可根据作用在液体上各力的平衡关系求得。这些力：( 1 ) 液 体表面的水压力；( 2 ) 重力；( 3 ) 渗流受到的阻力；( 4 ) 加速力。这些力可概括 为表面力和体积力两类。引用一般流体运动方程，将质点运动速度当作多孔介质 中孔隙水流速度，再按照孔隙水流真实速度v 7 与全断面上的平均速度v 的关系 ( ，= v ) 转换成y 。 不可压缩流体在不变形多孔介质内的纳维埃一司托克斯方程 上竺：一v 办一兰 ( 2 1 ) n g8 t k 第二章考虑入渗的非稳定饱和非饱和渗流理论 口：1 1 0 - 6 6 1 0 6 c m 2 n 【6 2 1 ，远小于孔隙的压缩性。 忽略土体骨架及水的压缩性时，则s 。= o ，由式( 2 6 ) 可得稳定渗流基本 微分方程 孙舟。 c 2 1 对于等厚度丁的承压含水层非稳定渗流，则可将式( 2 6 ) 中的单位贮存量s 。 改换成另一个无尺度系数，即 孙舟事鲁 ， 式中：s 一贮存系数，它与墨之间的关系为s = s 。丁，其含义即为含水层在单位 水头改变下从单位截面积的含水层垂直水柱体中释放出来或吸取进去的水量。 对于有自由面的非稳定渗流，要结合变动的自由边界条件来求解方程( 2 6 ) 。 但在一般情况下，自由面变动引起的土体压缩或弹性释放的水量与自由面降距所 排水量相比甚小，因此可略去土体的压缩性，于是其支配方程变为 孙舟。 c 2 叫 其中：x ，坐标，f ，2 1 ，2 ，3 ；达西渗透系数张量，描述岩体 的透水能力和渗透各向异性特性，当采用不同的坐标系时它的6 个独立的渗透系 数元素大小是不同的。此方程与方程( 2 7 ) 形式上是相同的，但结合自由面变 动的边界条件求解所得的水头分布是空间坐标和时间的函数，这种方法是通过逐 时段求解瞬态稳定渗流场求解非稳定渗流的一种方法。 2 1 4 定解条件 流体的运动总是发生在一定的渗流场内，沿着这些流场边界起支配作用的条 件，称之为边界条件。研究、试验或计算开始时流场内的整个流动状态或流动支 配条件，称之为初始条件。边界条件和初始条件统称为定解条件。要确定渗流场 的分布光靠渗流基本微分方程还是不够的，需要同时借助边界条件和初值条件。 对于稳定渗流问题，则不存在初值问题，而对于非稳定渗流问题，边界条件则可 能是随时间变化的。 初始条件通常是第一类边界条件，即在开始时刻，= 0 时流场的水头分布，对 整个流场起支配作用。在进行非稳定渗流计算或试验时，可先求得开始时刻稳定 l o 河海大学硕士学位论文 渗流场的水头分布，以此作为已知初始条件，也可取任一时刻的渗流状态作为初 始条件。 办。o ，o ) = 矗。 ，f o ) ， i = l ，2 ，3 ( 2 1 0 ) 边界条件，原则上可区分为流场的几何边界形状位置与边界上起支配作用的 条件。从描述流动的数学模型看，边界条件有以下三类。 第一类边界条件：为边界上给定位势函数或水头分布，就是在边界上给出已 知的水头值，或者是时问的函数关系。 第二类边界条件：也称流量边界条件，就是在边界上给出位势或水头的法向 导数。 第三类边界条件：也称混合边界条件，也就是对渗流场来说，边界条件既有 水位条件，又包含流量条件，含水层边界的内外水头差和交换的流量之间保持一 定的线性关系。 非稳定渗流问题的边界条件可表示为 第一类边界条件： 乃jr = 啊( 2 1 1 ) 第二类边界条件： 一豢栉，i r 2 = g 。 ( 2 1 2 ) 第三类边界条件： 一七。豢州b = o 且 厅= x ，( 2 1 3 ) 也豢州剃且办= x ， ( 2 1 4 ) 其中：岛已知水头函数；吃压力水头，乃。：旦，p 渗透压力； 7 乃= 吃+ x 3 ，x 3 位置水头；门，渗流边界面外法线方向余弦，户1 ，2 ，3 ； r l 第一类渗流边界；r 2 第二类渗流边界；r 3 渗流自由面；r 4 渗流逸出面；吼法向流量，流出为正。 2 2 饱和一非饱和渗流理论 2 2 1 基本微分方程 以上介绍的渗流方程只适用于饱和渗流，实际上，很多工程问题受非饱和渗 流的影响。如降雨和裂隙水下渗，河流、沟渠的清水和污水的渗漏以及农田灌溉 排水和库水位变化中的土坝渗流等，都应该考虑非饱和区的作用，因为孔隙水及 负( 吸) 压力能加速渗流前锋的运动，增大土坝的稳定性。非饱和渗流是一个非 第一二章考虑入渗的非稳定饱和非饱和渗流理论 常复杂的问题，从物理上考虑是一个多因素互相耦合的过程，其影响因素包括固、 液、气三相的体积比、空气压力、土骨架体变、可溶盐含量、温度等。假设水在 非饱和土中的渗流也服从达西定律，但与饱和土中渗流不同之处是非饱和土的渗 流系数不是常量，而是土体饱和度的函数。 考虑非饱和区能更好地反映土中水分的运动规律，不仅反映饱和区的重力水 运动情况，也揭示了非饱和区的毛管水运移情况。在计算方法上把饱和一非饱和 区作为一个整体流场研究，不需要进行自由面调整，自由面仅是负压区正压区的 分界面，不再是像饱和渗流场计算时的一个边界，避免了饱和渗流计算中试找自 由面和选取给水度补给自由面边界的麻烦，同时全场内剖分有限元网格也无须丢 点或增加结点，避免了单元剖分不当出现的“缺口”现象。 非饱和渗流基本微分方程是在假定达西定律同样适用于非饱和渗流情况的前 提下通过与饱和渗流相同的方法推导出来的【6 ，“，6 5 1 。非稳定饱和一非饱和渗流基本 微分方程如下 杀卜t ( 吃) 篝+ 砧砟( 吃) i q = 【c ( 吃) + 鼠】鲁 ( 2 _ 1 5 ) 其中：办。压力水头；簖饱和渗透系数张量；七，饱和渗透系数张量 中仅和第3 坐标轴有关的渗透系数值；尼，相对透水率，为非饱和土的渗透系 数与同一种土饱和时的渗透系数的比值，在非饱和区0 尼， 1 ，在饱和区七，= 1 ； c 比容水度，c = 警，在正压区c = o ，护体积含水率；饱和一 册c 非饱和选择常数，在非饱和区等于0 ，在饱和区等于1 ；s 。弹性贮水率，饱 和土体的s 。为一个常数，在非饱和土体中s 。= o ，当忽略土体骨架及水的压缩性 时对于饱和区也有只= 0 ；q 源汇项。 2 2 2 定解条件 初始条件： 边界条件： 吃( 工，0 ) = 吃( x ，) ，f = l ，2 ，3 办。( x ，) ir l = 。i ( x ，f ) 1 2 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 河海人学硕十学位论文 一 足；尼， 。，考+ 足未忌， 。) 珂，l l = g 。 一 后；后，q 。，考+ 七嘉尼，c 吃) 聆，l 。且吃j l = 。 ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 式中：边界面外法线方向余弦；，。初始时刻；r 。已知结点水头边 界；r 2 流量边界；r 3 饱和出逸面边界。 2 2 3 水力参数的确定 饱和一非饱和水力参数的确定一直是渗流界关心的重大问题，在这个问题上， 对饱和水力参数的研究比较充分，试验方法比较成熟，在对非饱和水力参数的研 究方面，对多孔连续介质的研究又相对充分一些，而对裂隙离散介质的研究还远 远不能满足数值计算的需要。 对于饱和岩土类多孔介质，目前已有成熟的试验方法来确定其饱和渗透张量， 对于饱和裂隙介质，可采用等效渗透张量来反映裂隙岩体的宏观渗透特性。假定 每组渗透结构面无限延伸且规则排列，则裂隙岩体等效渗透张量为【删 铲善矗慨叫刀：) ( 2 - 2 0 ) 式中：朋裂隙分组数；6 ：第z 组裂隙的等效水力隙宽；s ，第，组裂隙 的间距；4 i 鼬o n e c k e r 符号；甩；第，组裂隙的法向方向余弦，f = 1 ，2 ，3 ； g 重力加速度；流体的运动粘滞系数。 对于非饱和岩土类多孔介质，关键是确定非饱和相对渗透系数七，与体积含水 量秒的对应关系曲线七，目，以及毛细压力玩与体积含水量秒的对应关系曲线 见秒，这两个对应关系曲线一般通过试验获取，试验方法主要有压力板法、t d r 张力计法【6 7 】、渗析法等。目前，对后，9 及玩口曲线试验研究的对象主要是 非饱和土壤。获得关系曲线后，可采用内插法或外推法求得计算所需的相对渗透 系数七，和比容水度c 。但是，通过试验的方法获得介质非饱和参数需要耗费大量 的时间和金钱，所以数值方法有了很大的发展，比较流行的方法是用一个包含了 几个特定系数的公式来刻画土壤的非饱和特性。这其中最具有代表性的是v 抽 第二章考虑入渗的非稳定饱和- 非饱和渗流理论 g e n u c h t e n 于1 9 8 0 年基于m u a l e m 的理论所提出的参数拟合方法【6 9 1 。 ( 1 ) 基于m u a l e m 模型的公式 m u a l e m 于1 9 7 6 年提出了由土壤的持水曲线预测土壤的相对渗透系数尼，的公 式 l 后，= o 2f 志出 f 志出 ( 2 2 1 ) 式中：办。压力水头；臼体积含水率； 无量纲的容水度；见饱 和含水率；以剩余含水率。 要解方程式( 2 2 1 ) ，需要将o 表示为压力的函数，这里使用下面的表达式 。一l 而嘉i q 1 2 ， 1 + ( 砌。) ”l 。 其中：口、，z 和朋是无量纲待定系数。 ( 2 ) v hg e n u c h t e n 模型 v 抽g e n u c h t e n 在1 9 8 0 年将其导出的水分特征曲线公式与m u a l e m 模型相结 合，给出了特定的v g 模型【7 0 】 七，c 。，= 。； - 一c 一。去，肌 2 c ，竹= 一言且。 ，卯 7 + 、一出j 罾工盟畀 、 下前水头i 盘界 二一t 一一吖 不透水边界 一一一 图3 4 精细模型边界条件示意图 河海大学硕十学位论文 表3 2 坝体和坝基各种材料的给水度 材料名称给水度 材料名称 给水度 堆石体 o 2 0含漂卵砾石层o 。1 8 过渡层0 1 5含泥的砂卵砾石层 o 1 8 反滤层1 0 0 8 砂层 0 1 8 反滤层i i o 1 0 新鲜基岩 0 0 l 心墙料0 0 0 4微风化基岩0 0 2 混凝十 o 0 弱风化基岩 0 0 3 基础反滤排水 o 1 0 漂卵石层 o 。1 8 l 睢幕 0 0 1粘土0 0 0 2 在对大坝进行非稳定渗流计算时，需要水库蓄水过程和放空过程曲线，并选 择合理的计算时间步长。时间步长的选取至关重要，它直接影响到计算精度和计 算工作量。如果时间步长取值太大，会使解的误差过大，计算结果偏离真解；时 间步长取值过小，计算工作量将成倍增大，不仅浪费机时，而且会导致数值计算 的误差增大。经反复试算，时间步长取值如下：0 3 5 d 、o 4 5 d 、1 0 d 、1 2 5 d 、1 6 7 d 、 2 5 d 、3 5 d 、4 o d 、5 0 d 。 3 4 蓄水和放空过程模拟 3 4 1 水库蓄水 根据双江口水电站可行性研究报告，水库初次蓄水分初期蓄水和中后期蓄水。 蓄水标准为蓄水时段保证率为8 5 的月平均流量。1 f j 导流洞第八年1 1 月下闸封堵， 下闸初期，导流洞进口闸门局部开启，待上游水位超过2 2 7 9 0 m 时全部下闸，后 由临时供水洞向下游供水。经蓄水计算，设置临时供水洞，1 1 月上旬1 毋导流洞下 闸，1 1 月8 5 保证率流量为2 6 9m 3 s ，将水位由1 撑导流洞蓄至2 撑导流洞进口 2 3 4 0 o m 需历时5 3 天。根据坝体施工进度和施工导流规划，第九年9 月底，坝体 填筑到2 4 2 9 0 0 m 高程，超过最低发电水位2 4 2 0 0 m 高程，具备蓄水发电条件。1 0 月下旬2 拌导流洞下闸，下闸初期由进口闸门局部开启使上游水位抬升至3 导流洞 进口高程2 3 6 0 0 0 m ，后由3 # 导流洞调节控制下泄流量，水库开始蓄水。3 | f 导流洞 进口高程2 3 6 0 0 m 对应库容2 0 9 亿m 3 ，最低发电水位2 4 2 0 0 0 m 对应库容为8 1 5 亿m 3 。蓄水标准采用1 0 月下旬保证率为8 5 的月平均流量5 1 4 m 3 s ，1 1 月保证率 为8 5 的月平均流量为2 6 9 m 3 s ，若按1 1 月底蓄至最低发电水位计，可保证下泄 4 2 第三章典型坝段精细模型有限元分析 1 4 5 m 3 s 流量；若仅保证下游供水满足2 6m 3 s 的流量，蓄水历时2 0 4 天。第九年 1 2 月底第一台机组可投入运行。 由于缺乏准确的水库蓄水资料，这里暂根据双江口水电站可行性研究报告提 供的蓄水计划，拟定以下多种蓄水过程( 即水库水位上升速度) ，以分析研究不同 蓄水速度时，心墙内非稳定渗流场孑l 隙水压力和渗透坡降等的变化规律。 假设双江口水库蓄水由1 拌导流洞全部下闸封堵开始，即库水位由围堰挡水水 位2 2 7 9 o o m 开始，以不同的速度上升，直至正常蓄水位2 5 o o m 。考虑到水库蓄 水高度达2 2 0 m 和蓄水历时的不均匀性，蓄水历时划分为三个阶段：水位由 2 2 7 9 o o m 升至2 3 4 0 0 0 m 、水位由2 3 4 0 0 0 m 升至2 4 2 0 ，o o m 、水位由2 4 2 0 0 0 m 升至 正常蓄水位2 5 0 0 0 0 m 。由于下游河道水位变化不大，因此整个蓄水过程中，假设 下游河道水位为2 2 5 1 2 0 m ，保持不变。拟定的水库蓄水过程计算工况如表3 3 所 示。 表3 3 水库蓄水渗流计算工况 2 2 7 9 2 3 4 0 2 3 4 0 2 4 2 02 4 2 0 2 5 0 0 蓄水历时 工况编号 蓄水速度( 棚)蓄水速度( 删)蓄水速度( r 川) ( d ) 工况x s l 2211 5 0 工况x s 221 l1 9 0 工况x s 3 22o 52 3 0 工况x s 421o 52 7 0 工况x s 5 20 5o 53 5 0 工况x s 651l1 7 2 工况x s 7 5211 3 2 工况x s 8 5311 1 9 工况x s 95 4l1 1 2 工况x s l o 55l1 0 8 工况x s l l 1 0211 2 6 工况x s l 2l o3 l1 1 2 工况x s l 3 1 04l1 0 6 工况x s l 4 1 05l1 0 2 工况x s l 5l o5 26 2 工况x s l 6 1 053 4 8 7 工况x s l 7 1 0544 2 河海大学硕士学位论文 工况x s l 8 1 55l1 0 0 工况x s l 92 0519 9 工况x s 2 02 55l9 8 通过以上工况的计算分析，可较详细地研究了水库各蓄水期蓄水速度变化时， 心墙内非稳定渗流场的变化规律。 根据水库蓄水参考历时曲线和前述工况的计算成果，考虑到库水位高于2 3 0 0 m 后，导流隧洞的出流能力大于来水流量，因此，库水位超过2 3 0 0 m 以后库水位上 升速度可以控制，同时蓄水时可考虑第一天水位上升很快，三天以后通过闸门控 制上升速度。针对高程2 3 0 0 m 2 3 4 0 m 之间的蓄水速度变化，拟定以下几种补充工 况，对双江口大坝和坝基的精细有限元模型非稳定渗流场进行进一步的计算分析 和研究。拟定的水库蓄水过程计算补充工况如表3 4 所示，补充工况水库蓄水历 时曲线如图3 5 所示。根据施工单位的坝体施工进度和施工导流规划，初期蓄水 时间为第八年的1 1 月份，蓄至高程2 3 4 0 0 0 m 以后，停止蓄水，直至第九年的1 0 月底开始中后期蓄水，蓄至高程2 5 0 0 0 0 m 。为了分析初期蓄水与中后期蓄水之间 的间段时间对坝体非稳定渗流场的影响，在工况b x s 5 的基础上拟定了工况b x s 7 。 表3 4 水库蓄水渗流计算补充工况 2 2 7 9 - 2 3 0 0 m2 3 0 0 2 3 4 0 m2 3 4 0 2 3 6 0 m2 3 6 0 一2 5 0 0 m 蓄水历时 工况编号 蓄水速度( 删)蓄水速度( 删)蓄水速度( 删)蓄水速度( 删) ( d ) 工况b x s l 1 05l11 7 0 工况b x s 2 1 041l1 7 2 工况b x s 31 03l11 7 5 5 工况b x s 41 02l11 8 2 工况b x s 5 1 01112 0 2 工况b x s 6 1 0 闸门控制 1l1 7 5 工况b x s 7 1 01ll5 0 0 第三章典型坝段精细模型有限元分析 图3 5 补充工况水库蓄水历时曲线 此外，为了了解材料参数变化对水库蓄水计算成果的影响，以下对心墙的材 料参数进行敏感性分析。根据设计的蓄水情况选取较为接近的工况b x s 5 ，变化心 墙土料的渗透参数，拟定7 种工况进行分析，如表3 5 所示： 表3 5 心墙土料渗透参数敏感性分析计算工况 工况编号 蓄水速度 渗透参数 给水度 工况c x s lo 2 倍不变 工况c x s 20 5 倍 不变 工况c x s 32 倍不变 工况c x s 4同工况b x s 55 倍不变 工况c x s 5 1 0 倍不变 工况c x s 6不变0 0 0 4 8 工况c x s 7不变o 0 0 3 2 3 。4 2 水库放空 根据提供的资料，水库正常放空时，下泄流量以不超过频率5 分期洪水汛期 较大流量1 9 6 0 m 3 s 为控制条件，水库入流量分别选取丰、中、枯三个典型代表年 枯期较小流量2 5 0 4 m 3 s 、2 0 2 3 m 3 s 和1 4 3 5 m 3 s ，库水位下降以每天不超过5 m 为控制条件。 水库非常放空时，是用最短的时间放空水库为控制条件，溢洪道、竖井泄洪 洞、深孔泄洪洞、放空洞均参与非常放空。由于在正常蓄水位2 5 0 0 0 0 m 时，放空 洞水头高达1 2 0 m ，闸门启闭难度大，故在水库非常放空计算中，拟在水位2 4 6 0 0 0 m 时方开启放空洞。放空时，水库入流量选择频率为5 枯期流量1 9 5 m 3 s ，下泄流 4 5 河海大学硕士学位论文 量、库水位下降速度则不做限制。 根据资料，溢洪道、竖井泄洪洞、深孔泄洪洞、放空洞等均参与放空的限制 水位如下： 开敞式泄洪洞不能起放空作用水位：2 4 7 8 o o m ； 竖并泄洪洞不能起放空作用水位：2 4 7 5 0 0 m ； 深孔泄洪洞不能起放空作用水位：2 4 4 0 0 0 m ； 放空洞不能起放空作用水位：2 3 8 1 7 1 m ； 放空洞底高程：2 3 8 0 0 0 m 。 放空时，设定下游水位为2 2 5 1 o o m 保持不变，水库放空水位为2 3 8 0 0 0 m 。据 此，拟定的水库放空过程6 种计算工况如表3 6 所示。该放水历时曲线如图3 6 所示。工况f k 6 为水库非常放空的情况。 表3 6 水库放空渗流计算工况 工况编号放空速度( 州d )放空历时( d )备注 工况f k l 26 0| 工况f k 234 0| 工况f k 3 43 0 | 工况f k 4 52 4l 工况f k 562 0| 工况f k 6|2 9 7 水库非常放空 图3 6 水库放空历时曲线 此外，为了了解材料参数变化对水库放空计算成果的影响，对心墙的材料参 数进行了敏感性分析。选取水库非常放空时的放空速度，即工况f k 6 ，变化心墙 土料的渗透参数，拟定4 种工况进行分析，如表3 7 所示： 河海大学硕士学位论文 的变化规律，随后给出补充工况的计算成果分析，为实际应用提供参考。 1 ) 位势分布 坝壳堆石区 在蓄水起始时刻( t - o ) ，由于心墙已起挡水作用，使得上游围堰防渗系统作用 不明显，仅降低约3 5 m 的水头。库水位超过上游围堰顶高程时，上游围堰的防渗 系统将不起作用。 由于坝壳料的渗透性大，其渗透系数达1 0 1 0 d c 州s ，库水位上升速度小于 5 州d 时，上游坝壳堆石区内自由面上升速度与库水位上升速度基本同步上升。在 蓄水初期，库水位上升速度超过5 删时，坝壳内的水头损失明显增大。库水位分 别以5 n 们、1 0 州d 、1 5 州d 、2 0 m d 、2 5 m d 的速度从2 2 7 9 m 升至2 3 4 0 m 时，坝壳 内的水头损失分别为9 m 、1 8 m 、2 7 m 、3 4 m 、3 8 m 。由于渗径较长以及心墙的阻水 作用，坝壳内的渗透坡降不大，最大渗透坡降仅为0 2 l 。因此，在蓄水过程中， 上游坝壳内不会发生渗透破坏。 在整个蓄水过程中，各工况下游坝壳堆石区内的自由面水位变化很小，最大 值均在靠近心墙的位置。库水位上升至2 5 0 0 o o m 时，工况x s 5 下游坝壳堆石区内 自由面水位变化最大，约从2 2 5 2 5 0 m 升至2 2 6 1 5 0 m ，约为9 m 。比较各工况可见， 其变化值随蓄水历时的减小而减小。渗流场趋向稳定时，下游坝壳堆石区内的自 由面水位升至最高，约为2 2 6 5 6 m 。因此，蓄水过程中，下游堆石坝壳内自由面 变化很小，渗透坡降也很小，不会对下游坝坡稳定产生显著的不利影响。 心墙 心墙的防渗效果明显，其承受9 0 以上的水头损失。由于灌浆帷幕的渗透系 数与所在岩层的渗透系数差别不大，因此，其防渗作用不明显。 由于库水位上升速度很快，心墙内的等势线集中分布在心墙的上游侧，使得 心墙上游侧出现很大的渗透力，且随蓄水历时的减少而加大。表3 8 反映了各工 况心墙内的等势线在心墙上游侧的集中程度。当库水位升至正常蓄水位2 5 0 0 0 0 m 时，工况x s 5 的蓄水历时为3 5 0 天，心墙内的自由面在高程2 3 4 0 o o m 和2 4 2 0 0 0 m 处到心墙上游面的距离为4 6 2 6 m 和2 1 4 3 m ，约为其相应心墙厚度的6 5 和5 4 。 工况x s l 9 的蓄水历时为9 9 天，心墙内的自由面在高程2 3 4 0 0 0 m 和2 4 2 0 o o m 处 到心墙上游面的距离为2 8 7 8 m 和1 2 4 9 m ，约为其相应心墙厚度的4 0 和3 l 。 工况x s l 5 的蓄水历时为6 2 天，心墙内的自由面在高程2 3 4 0 0 0 m 和2 4 2 0 0 0 m 处 到心墙上游面的距离为2 2 3 0 m 和8 2 4 m ，约为其相应心墙厚度的3 1 3 和2 1 。 由此可见，蓄水速度越快，心墙内的自由面越靠近心墙的上游侧。 比较工况x s l 、工况x s 7 、工况x s l l 、工况x s l 8 、工况x s l 9 、工况x s 2 0 的等势线可见，库水位以2 州d 、5 删、1 0 州d 、15 州d 、2 0 删、2 5 州d 的速度升至 2 3 4 0 0 0 m 时，等势线在心墙上游侧的集中程度略有降低，其主要原因是，上游坝 壳堆石承受的水头损失随蓄水速度的增加而有所增加，从而使得心墙承受的水头 4 8 第三章典型坝段精细模型有限元分析 饱和区增大，心墙中各观察点的孔隙水压力也增大。心墙内饱和孔隙水均位于心 墙上游侧，且底部数值较大。除个别观察点