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渗流问题是土坝、堤防等工程领域的一个重要课题,渗流破坏几乎贯穿于土石坝的各种病害成因之中。以前大部分渗流计算仅考虑饱和区而忽略非饱和区,实际上自由面以上的非饱和区域土壤水分运动在渗流计算中同样起着重要作用。
基于以上考虑,本文将饱和区和非饱和区统一起来,对土石坝的渗流进行数值模拟。本文首先以总水头为未知量,从质量守恒原理出发,推导了二维饱和-非饱和渗流的控制方程。并且根据有限单元法的原理推导得出了基于Galerkin加权余量法的饱和—非饱和渗流方程的有限元解。随后,利用MATLAB软件编写了渗流计算程序。接下来,模拟计算了各种坝型的渗流场并总结各自的规律,模拟分析了各种影响因素对均质坝渗流的影响;最后,将饱和-非饱和渗流理论与模型应用于泔河水库大坝,对大坝进行渗流模拟计算。
经过计算与分析,得出以下一些结论:
1、与均质坝相比,设有水平排水的均质坝和心墙坝存在一些优势,水平排水可以有效地控制和引导渗流,降低浸润线,加速孔隙水压力消散,从而对增强坝体的稳定有一定的作用。设置心墙后,浸润线在进入心墙时发生严重的弯曲,下游浸润线明显降低,心墙的设置对下游坝坡的稳定有一定的作用。
2、在饱和—非饱和滲流模拟计算中,渗透系数的各向异性、水库上游水位变化速度以及渗流系数大小都会对渗流产生较大的影响。当库水位不变时,增大水平方向的渗透系数,会使浸润线有所抬高,负压区逐渐减小;当水库上游水位变化时,如果加快上游水位变化速度,则坝体内浸润线变化也相应的加快,坝体内渗流场达到稳定状态需要的时间变短;如果增大材料的渗透系数,则坝体内浸润线变化加快,坝体内渗流场达到稳定状态需要的时间变短。
3、通过模拟计算泔河水库大坝坝体内的渗流,可以看出:水库上游水位变化对坝体渗流场的影响大约以坝轴线为分界点,坝轴线以上受水位变化影响较大,坝轴线以下受水位变化影响不大。从泔河水库大坝渗流计算的结果与分析来看,水库运行情况良好,大坝未发生异常情况,计算结果基本上符合土石坝渗流的基本规律。