混凝土面板堆石坝失效缝区域渗流场模拟方法研究

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目前国内外关于面板接缝止水失效后的集中渗流计算模型、计算方法研究较少,可供借鉴的经验也不足,然而,面板出现裂缝或者面板接缝止水失效后会发生集中渗流,轻则会引起渗漏量过大,垫层及过渡层发生渗透破坏,重则会引起坝体溃决。  本文以某混凝土面板堆石坝为例,首先基于传统有限元计算方法,分别利用Geo-studio、Seep-3d、ABAQUS三种有限元数值分析软件计算混凝土面板坝面板止水失效后的渗流场,研究发现,传统有限元计算方法计算面板垂直缝单缝失效时通过失效缝的渗流量及垫层、过渡层等部位的水力坡降计算结果规律与工程实际认知相矛盾;通过改变水头边界施加方法,即改进后的有限元计算方法求解面板垂直缝单缝失效时通过失效缝的渗流量及垫层、过渡层等部位的水力坡降,计算结果能够符合渗流规律。经传统解析方法验证,新方法误差较小,能够满足精度要求。  运用有限元数值计算方法,采用实体单元模拟失效缝,研究周边缝失效以及垂直缝的失效位置、失效缝宽、失效缝长对坝体内的浸润面、渗透流量、渗透坡降等的影响规律,判断面板失效缝区下方垫层、过渡层的渗透坡降和渗透稳定性。计算结果表明,缝宽相同垂直失效缝位置越低时,垂直缝位置相同失效缝宽度越大时,以及缝宽相同失效缝长度越大时,失效缝区的渗流量越大,失效缝正下方垫层及过渡层的水力坡降越大,坝体越不稳定;缝宽30mm垂直缝通长失效时,通过失效缝的渗流量很大,坝体浸润面抬升也很大,对坝体稳定最为不利,可以通过降低垫层渗透系数,保证垫层施工质量的方法控制通过失效缝的渗流量和坝体浸润面高程;建议垫层的渗透系数取值为1×10-5m/s~1×10-6m/s之间。周边缝失效时通过周边缝的渗流量较大,应该注意周边缝失效的防治。  采用Seep-3d三维有限元渗流分析软件,对西藏某水电站进行三维渗流分析,深入分析推荐方案在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位下的渗流场和渗透稳定问题,对推荐的防渗方案进行优化布置,分析优化方案在防渗墙、帷幕、土工膜、基岩、两岸坡岩体渗透系数变化时的渗流场和渗透稳定性。计算结果表明,设计防渗方案即混凝土防渗墙(深度按入岩1m考虑)、左右岸防渗帷幕(向岸里延伸50m)各项渗流指标均能满足渗控要求,设计防渗方案是合理的;采用悬挂式混凝土防渗墙时计算的总体渗流量均较大,说明悬挂式混凝土防渗墙防渗方案设计是不合理的;在左右岸防渗帷幕设计值范围附近,防渗帷幕的长度对渗流计算结果的影响不大;防渗墙、防渗帷幕、土工膜、左右岸弱透水带及微风化岩体的渗透系数均是渗流计算的敏感性参数,应该避免以上区域发生局部破坏或者整体破坏。
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