浆砌石重力坝渗透规律及其防渗帷幕数值模拟研究.pdf
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1、第 29 卷第 10 期2023 年 10 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.10October,2023收稿日期 2022-10-11作者简介 韩蕊勤(1991-),女,广东东莞人,工程师,研究方向为水利工程管理.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.10.009浆砌石重力坝渗透规律及其防渗帷幕数值模拟研究韩蕊勤(东莞市水务工程建设运营中心,广东 东莞 523073)摘 要浆砌石重力坝的渗漏问题关乎大坝坝体安全,对其进行分析和研究可为大坝的安全评估及管理提供
2、理论依据。通过建立统计模型,对扬压力影响因子进行回归分析,同时监测渗漏量分析渗漏规律,并对防渗帷幕的深度和渗透系数进行模拟研究。监测和计算结果显示,库水位对渗漏量和扬压力的影响力都较大,对后者的影响占比平均约为 62.43%,防渗帷幕深度取 20m、渗透系数小于 4.010-7cm/s 的防渗模拟效果最好。关键词浆砌石重力坝;渗漏量;扬压力;渗漏规律;防渗帷幕数值中图分类号 TV223.4+3 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)10-0042-050 引 言浆砌石重力坝是我国水库中的常见坝体,主要由石料和混凝土浆体砌成。坝体的迎水侧一般设有混凝土防渗层,防渗帷幕则设置于岸
3、坡,两者与坝基的排水系统一起,可以起到减小坝基扬压力的作用1。受各种各样因素的影响,浆砌石坝体因渗漏而发生形变的事故时有发生,且其复杂的坝体结构和地基环境增加了渗漏原因诊断的难度2-4。目前,对混凝土重力坝的渗漏研究已取得丰富成果,其中主要针对渗漏的普遍规律和对具体工程的防渗方案进行研究,也有部分研究通过建立统计模型分析渗漏的影响因子。本文以流溪河大坝为例,对浆砌石重力坝的渗透规律进行分析,并对其防渗帷幕进行数值模拟研究,为重力坝的安全监测工作提供新方案。1 浆砌石重力坝渗透规律探究及防渗帷幕数值模拟1.1 水库坝基的渗流量计算与监测坝基扬压力是重力坝设计的重要荷载,对坝体形体和结构的稳定有较
4、大影响,在重力坝的渗透破坏失事原因中所占比例较大。在其他条件不变的情况下,通常认为其主要受库水位、温度、降雨量和时效等多种因素的影响5。本次研究将依据长时间的监测,建立扬压力的统计分析模型并进行回归分析,得到各因素的影响系数,分析它们对扬压力的影响力大小。涉及两个以上(含本数)的自变量回归分析是多元回归6。本次研究纳入了影响坝基扬压力因素的其中 4 个,因此采用多元线性回归分析方法。对于水位因素,因为下游水位变化较小,故不予考虑。所以,本次研究只对水库上游的水位进行监测,分析监测点当日与前一个月内的水位变动;温度分量的因子则使用周期函数;降雨会直接导致水位升高,增加扬压力,但这个变化过程具有滞
5、后性,因此监测日前一个月内的降雨量都要纳入统计范围之内。最后,得到的统计模型表达式为:P=Ph+Pt+Pr+PT=x0+5m=1xm(hum-hx)+2m=1y1msin2mt365()+y2mcos2mt365()+5m=1cmpm+d1T+d2lnT(1)24韩蕊勤:浆砌石重力坝渗透规律及其防渗帷幕数值模拟研究第 10 期式中:Ph、Pt、Pr、P分别为水位、温度、降雨和时效分量;hum为随监测时间变化的平均水深;x0为常数项;t 为累计天数;y 为温度因子的回归系数;cm为降雨量系数;pm为平均降雨量;T 为模型初次观测日到监测日的累计天数除以 100 的天数;d 为时效系数。该模型选取
6、库水位变幅及水头较大的 4 个扬压力孔数据作为输入,采用 SPSS 进行分析。但扬压力仅表示一个点的压力,只有与渗漏量综合考量,才能综合评价渗流场的性态。所以,依据量水堰对坝基的渗漏量进行监测,以每月 3 次的频率进行人工观测并记录观测结果,使用渗漏仪采集每日的渗流量数据,然后进行渗流场的模拟计算,得出坝体的渗流量大小,即坝体因渗漏导致的水量损失。同时,监测坝体因渗漏产生的变形损坏分布,当监测到坡降值较大、可能超出坝体的允许水力梯度阈值的局部渗透时,可以对堤坝出现病险风险、基部深坑等事故进行预测。计算的主要方法为有限差分法和有限单元法,其中有限单元法凭借数字技术的发展,在工程渗流计算领域显示出
7、更大优势,因此本次研究采用有限单元法进行渗流数值计算。不考虑渗透系数的时间性变化,对饱和稳定坝基基质的渗流进行求解。首先计算泛函 (h),计算公式如下:(h)=s1kijhjhid2-s2qhds(2)式中:h 为总水头;为渗流的实际阈值;kij为以张量形式表示的系数矩阵中第 i 行第 j 列的渗透系数;d 为流量增量;s 为边界面。然后进行等效结点虚流量法的有限元-迭代格式求解,以计算渗流场的水头分布和渗流量,公式如下:Ih=Q+Q-Q2(3)式中:I 为计算域中的总传导矩阵;h 为未知的结点水头;Q 为总等效结点的流量矩阵;Q2 为已知的结点水头对未知水头在虚域中的等效流量矩阵;Q 为作用
8、于渗流虚区虚单元的结点虚流量矩阵。1.2 防渗帷幕数值模拟坝基的防渗帷幕是扬压力和渗漏量变动的重要因素,当其产生缺陷时,会对渗漏量的增大有直接作用。本次研究采用渗流有限元数值法,对其深度及渗透系数的敏感性进行分析,研究在深度和渗透系数变动的条件下帷幕对扬压力与渗漏造成的影响。首先依据溪流河水库工程的勘察报告,选取计算参数。该工程位于我国广东省广州市从化区良口镇,主坝为混凝土材质,坝顶高程240m,坝顶宽 2m,坝顶长 255.5m,最大坝高 78m;副坝为均质土坝,坝顶高程 241.7m,坝长 220m,坝顶宽4m,坝基宽 210m;设计水头 98m。按百年一遇洪水设计,千年一遇洪水校核,正常
9、蓄水位235m,库容 3.25108m3;设计水位 236.5m,库容 3.47108m3;校核最高水位 238.3m,库容 3.76108m3;死水位 213m,历史记录的最高水位 236.81m。选取的帷幕宽度为4.5m,坝体、防渗墙、砼垫层、坝基、坝坡基岩和防渗灌浆帷幕的渗透系数分别为 1.2110-4、5.110-7、1.1310-6、1.9910-5、1.010-7和 1.5310-7cm/s,见表 1。表 1 渗透系数参数选取序号重力坝部位主要材料和基质渗透系数/cms-11坝体浆砌石1.2110-42防渗墙钢筋砼5.110-73砼垫层砼1.1310-64坝基含裂隙的等效均匀基岩1
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