混凝土面板砂砾石坝二维有限元渗流实例分析.pdf

第 41卷 第 1 2期 2 0 1 0 年 6 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 41 No 1 2 J u ne， 2 01 0 文 章 编 号 ： 1 0 014 1 7 9( 2 0 1 0 J 1 20 0 2 80 3 混凝土面板砂砾石坝二维有限元渗流实例分析 吴 静 茹 ( 宁 波城 市 职 业技 术 学 院 ， 浙江 宁波 3 1 5 1 0 0) 摘要 ： 主要探 索面板砂砾 石坝的二 维渗流计算。利 用有限元方法对坝体设置竖 向排水体与不设置 竖向排水体 两种情况下的渗流和浸润线进行研 究， 阐述 了在 坝体 中设 置竖向排 水体能有效地控 制浸润线 的高度和渗 流 溢 出点的位置 ， 从 而提 高坝体下游坝坡 的稳 定。 同时 ， 结合面板砂砾 石坝的渗流分析 ， 对 面板砂砾石坝的设计 提 出了建议 ， 指 出： -3面板无裂缝 ， 面板 与防浪墙之间的水平缝止 水失效时 ， 即使在设置竖向排 水体 的情况下 ， 浸润线仍保持一个较高的位置 ， 对坝坡稳定有较大的不利影 响， 在设计和施 工时应予足够重视 。 关键词 ： 砂砾石坝 ；竖向排水体 ； 渗流 ； 有 限元 中 图法 分 类 号 ： T V 6 41 4 3 文献 标 志 码 ：A 混凝 土 面板 砂砾 石坝 因其 安全性 好 ， 施 工方便 ， 适 用 性强 ， 造 价低 等优点 ， 近几 十年来在 国 内外 得到 了广 泛 的应用 。工程实 践 表 明 ， 一 方 面砂 砾 石 料具 有 较 高 的抗 压强 度 ， 变形 较 小 ， 无 论 是 在 饱 和还 是 潮 湿 状 态 下 ， 其 压缩 变形 均 较 小 ， 而且 砂 砾 石 料 具 有 一 定 的 级 配 ， 颗粒 磨 圆度 较好 ， 施 工 时容易压 实 ； 另一 方面 ， 由于 砂砾石料 抗 冲蚀 能力低 ， 渗透稳 定性较 差 ， 要 确保坝 体 稳 定 ， 坝体 的渗流 控制 是混 凝 土 面板 砂 砾 石坝 坝 体设 计 的关键所在 。 因此 ， 在 砂砾石坝 坝体设 计时 ， 设 计人 员所关 心 的重 点 问题从 常规 的变形 控制转 移到坝 体渗 流控制 。 本文 试 图利 用 岩 土 工 程 通 用 软 件 g e os p l o e程 序 ， 针对 面板砂砾 石坝 ， 分别就设 置竖 向排水体 和不设 竖向排水 体进行 渗流计 算 ， 通 过 对 2种 情 况下 的浸 润 线位 置 以及 渗流量 大小 的分 析 ， 研 究 渗 流对 坝 体 产生 的影 响 。 1 渗流分析模 型 根据 渗流 的运 动方 程 、 连续 性方程 以及达 西定律 ， 当考虑土 和水 的压 缩性 时 ， 二 维 非均 质 各 向异 性 非稳 定渗流的基本方程为： ( )+ ( ， ) =s Oh a ( 1 ) 式 中， h为待求水头 函数 ； k ， k 、 分别为渗透介质在坐 标 、 Y 方 向的渗透系数 ； S 为单位储水率 ； t 为时间。 当假 设土 和水 不 可压 缩 时 ， 则 由式 ( 1 ) 可 得二 维 非均 质各 向异性稳 定渗 流的基本 方程 为 ： ) 十 ( 、 娑 ) ： 0 ( 2 ) o 0 o) o y 2 某混凝 J 二 面板 砂砾石坝渗流分析 2 1 坝体基本情况及筑坝材料参数 某 混凝土 面板 坝坝 体 采用 漂 卵砂 砾 料 ， 内设 烟 囱 式 排 水 体 ， 下 游 部 分 填 筑 开 挖 石 料 ， 上 游 坝 坡 1 ：1 5 5， 坝顶 高 程 2 8 9 4 5 m， 最 大坝 高 1 2 3 5 m， 坝顶宽度 1 2 m。大坝标准剖面如图 1所示。坝体 主 要 分为垫 层 、 过 渡层 、 排 水体 、 主砂砾石 区 、 下 游堆石 区 等 5个 区。材料参数根据试验 以及相关工程经验选 取 ， 渗 流计算材 料参 数见表 1 。 2 2 计算工况 工 况 1 。正常 蓄水 位 2 8 8 7 7 5 m时 ， 面板无 裂缝 ， 面板 与 防浪墙底板 之 间水平接 缝止水 正常 ， 计算 坝 内 收 稿 日期 ： 2 0 1 00 41 4 作者简介 ： 吴静茹 ， 女 ， 高级讲 师， 工学硕 士， 主要从事 土木水利_ T - 程高级教 学工作 。Em a i l ： I Q g g q 1 2 6 e o m 第 1 2期 吴静茹 ： 混凝土 面板砂 砾石坝二维有限元渗流实例分析 2 9 图 1大 坝 标 准 断 面 示 意 (单 位 ： 高 程 m， 尺 寸 e m) 未设竖 向排 水体情 况 。 竖 向排 水体 ， 坝体 内渗水排 出效 果颇 佳 。 表 1 渗 流 计 算 材 料 参 数 工况 2 。正常 蓄水位 2 8 8 7 7 5 m 时 ， 面板 出 现大 量裂缝 ， 面 板 与防浪 墙底板 之 间水平 接缝 止水 正 常 ， 分 别计算 坝 内未设 竖 向排水 体 和坝 内设置 竖 向排水 体情 况 。 工况 3 。上游 水位 2 8 9 1 I l l 时 ， 面板 无 裂 缝 ， 面板 与 防浪墙底 板之 问水 平 接 缝 止 水 失 效 ， 分 别计 算 坝 内 未设竖 向排水体和坝 内设置竖 向排水体情况。 2 3 计算 结果及 分析 各 种工 况下 的渗 流有 限元 计算结 果 见表 2 。 表 2 各 种 工 况 渗 流 计 算 结 果 计算 结果 表 明 ： ( 1 )当面板无 裂 缝 ， 面 板 与 防 浪墙 底 板 之 间 水 平 接 缝止水 正 常 时 ， 坝 体 浸 润 线 极 低 ， 坝 体 内几 乎 无 渗 水 ， 浸润 线位 置基 本 上 与下 游 水 位 重 合 。这 是 混 凝 土 面 板砂砾 石 坝最佳 的工 作状 况 。 ( 2 )在 工况 2和 工 况 3两 种 情 况 下 ， 设 置 与 不设 置 竖 向排 水体 的渗 流 量变 化 显 著 ， 在 设 置 了竖 向排 水 体后 坝体 排水 明显顺 畅 ， 特别 是在 工况 2情况 下 ， 设 置 ( 3 )在 工况 2和 工 况 3两种 情 况 下 ， 设 置 与不 设 置 竖 向排 水体 ， 最 大渗 透坡 降变化 较 大 ， 在竖 向排 水体 上 游 的垫 层段 ， 设 置竖 向排水 体后 渗透 坡降减 小 ， 对坝 体稳 定有 利 ， 特别 是在第 2种 工况 下 ， 尤 其 明显 。 ( 4 ) 在 工况 2和工 况 3两种 情 况 下 ， 不 设 竖 向排 水体 ， 浸 润线位 置 高 ， 渗 流逸 出点 也 很 高 ， 坝 体排 水 能 力不 够 ， 坝身 大部分 处 于饱 和状态 ， 见 图 2和 图 4中浸 润线 及渗 流逸 出点 位 置 。 当设 竖 向排 水 体 后 ， 浸 润 线 位置 明显 降低 ， 渗 流逸 出点下 降到水 平排 水体 位置 ， 避 免 了逸 出水流 冲刷 坝坡 ， 有效 地 提 高 了坝 体及 下 游 坝 坡 的稳定 性 ， 见 图 3和 图 5浸 润线及 渗流逸 出点位置 。 图 2面 板 出 现 裂 缝 ， 不 设 置 竖 向排 水 体 渗 流 计 算 结 果 图 3面板 出现裂缝 ， 设置竖向排水体渗 流计 算结果 3结 论 ( 1 )在 面板砂 砾石 坝 中设置竖 向排 水体 能够有 效 地控 制浸 润线 的高 度和渗 流逸 出点 位置 。从 而提高 坝 体和 下游 坝坡 的稳定 。 3 0 人 民 长 江 2 0 1 0正 耀 图 4 止水失效 ， 不 设置竖 向排水体渗流计算结果 ( 2 )当面板无裂 缝 、 面 板 与 防浪 墙底 板 之 间水 平 接缝止 水失效 时 ， 即使 在 设 置竖 向排 水体 的情 况下 浸 润线依 然保持 一个较 高的位置 ， 使坝 身上游 大部分处 砸 0 ri o 1 O 0 I 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 距离 m 图 5止水失效 。 设置竖 向排水体 渗流计算结果 于饱 和状态 ， 对坝 体稳定 有较大 的不利影 响 ， 因此 面板 与 防浪墙底 板之 间水平 接 缝 止水 是 非 常关 健 的 ， 在设 计及施 工 中要 给予 足够 的重视 。 ( 编辑 ： 徐诗银) Ca s e a n a l y s i s o n s e e p a g e flo w o f c o n c r e t e f a c e d s a n d g r a v e l da m by 2 D fini t e e l e m e n t W U J i n g r u ( Ni n g b o V o c a t i o n a l T e c h n i c a l I n s t i t u t e ，Ni n g b o 3 1 5 1 0 0，C h i n a) Ab s t r a c t ： We i n t r o d u c e 2一D s e e p a g e c a l c u l a t i o n( s e e p a g e fl o w a n d s a t u r a t i o n l i n e )o f c o n c r e t e f a c e d s a n dg r a v e l d a mWe s t u d y t h e s e e pa g e a n d s a t u r a t i o n l i n e wi t h a n d wi t ho ut a v e r t i c a l d r a i na g e bo d y b y 2 一 D f i n i t e e l e me n t Th e a n a l y s i s r e s u l t s s ho w t ha t t h e v e r t i c a l d r a i n a g e b o d y i n d a m c a ll e f f e c t i v e l y c o n t r o l t h e he i g h t o f s a t u r a t i o n l i n e a n d l o c a t i o n o f o u t f l o w po i n t o f s e e p a g e a n d i mp r o v e t h e s t a bi l i t y o f d o wns t r e a m d a m s l o pe Ac c o r d i ng t o t he s e e pa g e a n a l y s i s r e s u l t ，t h e s u g g e s t i o n s o n t h e d e s i g n o f c o n c r e t e f a c e d s a n dg r a v e l d a m a r e p u t f o r w a r d a n d i t i s p o i n t e d o u t t h a t wh e n n o c r a c k e x i s t s a n d wa t e r s t o p i n h o r i z o n t a l j o i n t b e t we e n c o nc r e t e f a c e a n d wa v ewa l l f a i l s，e v e n i f t he v e r t i c a l d r a i n a g e b o d y i s c o ns t r uc t e d，t h e s a t ur a t i o n l i n e i s s t i l l i n a hi g h e l e v a t i o n，wh i c h d e s t r o y s t h e s t a b i l i t y o f t h e d a m bo dy Th i s pr o b l e m s h o ul d b e p a i d a t t e n t i o n t o i n de s i g n a nd c o n s t r u c t i o n Ke y w o r ds： s a n d g r a v e l d a m ；v e r t i c a l dr a i n a g e b o d y； s e e pa g e f l o w ；f i n i t e e l e me n t 简 讯 国 家 防 办 工 作 组 赴 湖 南 省 绥 宁 县 检 查 指 导 防 汛 工 作 2 0 1 0年 6月 1 7日凌晨 ， 湘南部分地 区降大到暴雨， 局部 降 大 暴 雨 。邵 阳 、 怀化 、 郴 州部 分 地 方 发 生 山洪 灾 害 。 根 据 国家 防 总 领 导 指 示 ， 长 江 防 总 派 出 以 长 江 水 利 委 员 会 水 文 局 副局 长 李 健 庸 为 组 长 的 工 作 组 代 表 国 家 防 办 赴 湖 南 省 检查指导 防汛抗灾工作 。工作组于 6月 1 8 日到达 长沙， 与湖南 省 防办领导进行 了交流 ， 了解 了当前 湖南省 的防汛形 势和 受灾 情况。下午工作组赴 湖南邵 阳市绥 宁县 李熙镇和 武 阳镇 实地 察看 了公路 、 河道和农 田等受灾情况。 6月 1 61 7日， 湖南省 日降雨量 5 0 m n l以上有 2 2站 ， l O O mm 以上 2站 ， 最 大 日降 雨 量 为 资 水 绥 宁 武 阳站 l 3 5 5 mm。 全 省 1 0 0 mm 以上笼罩面积 l 0 0 0 k r n ， 5 0 I ll I l l 以上笼罩面积 6 4 0 0 k l n 。l 6 日 2 0： 0 0至 1 7 日 8： 0 0， 全 省 5 2个 乡镇 降 雨 超 过 5 0 ri m， 8个 乡镇 降 雨超 过 1 0 0 m m。1 h降 雨 量绥 宁县 麻塘 站 8 2 1 mm( 1 7 日 5： 0 06： 0 0) ， 李 熙 站 7 1 4 min( 1 7 日4： O 05： O 0) ， 联 民站 6 4 9 mm( 1 7 日 6： O 07： O 0) 。 受降雨影响 ， 邵 阳、 郴州 、 怀化 、 株 洲等地 遭受 了不 同程 度 的 灾害 ， 据 初 步统 计 ， 肓 5市 l 1个 县 市 区 1 1 0个 乡镇 4 0 8 3万 人受灾， 受灾农作物约 2万 h m ， 因灾死亡 1 人 ， 失踪 2人 ， 倒塌 房 屋 l 8 1 5问 ， 紧 毫 转 移安 置 8万 多人 。 工作 组在 绥 宁 听取 了县 政 府 以及 防 汛 部 门 关 于 当前 防 汛 抗 灾情况 的汇报 ， 对 当地 防汛工作 表示 了充分 的肯定 ， 认为地 方党委政府和防汛部 门行 动迅速 、 工 作有力 、 措 施到位。考虑 湖南省前期连 续降雨较 多， 土 壤含水 量 已接近饱 和， 各 类水库 蓄水量较 多， 江河水位 较高， 前期 险工 险段仅作应急处置 ， 个别 险情甚 至尚未完全 解除 ， 防洪形 势严峻 ， 建议 要继 续做好 以下 几个 方 面 的工 作 ： 一 要 密切 关 注 雨水 情 ， 加 强预 测 预 报 ， 强 化水 库等洪水调度工作 ； 二要认 真做好 山洪地 质 灾害防御工 作， 落 实预警措施， 随 时做好 危 险区群 众应 急 转移准备 ； 三要 加强水 库 、 堤 防以及在建水电工程 防洪 保安工作 ， 加强水库 、 堤防工程 巡查 和查 险力度 ， 发现 险情 ， 及 时报告 ， 迅速处置 ； 四要加 强 2 4 h防 汛值 班 ， 落 实 防 汛抢 险预 案 、 抢 险 队伍 和 抢 险 物 资。 (长 江 )