无限深透水坝基上悬挂式防渗墙控渗试验研究.pdf

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1、第4期水利水运工程学报No．42014年8月HYDRO．SCIENCEANDENGINI~RINGAug．2014无限深透水坝基上悬挂式防渗墙控渗试验研究毛海涛'2'，何华祥，邵东国，王晓菊(1．重庆三峡学院土木工程学院，重庆404100；2．武汉大学水利水电学院，湖北武汉430072；3．重庆三峡水利电力集团股份有限公司，重庆404100)摘要：无限深透水地基上巨厚覆盖层的渗流控制是大坝建设成败的关键问题之一。悬挂式防渗墙已在许多此类工程中使用，但其控渗效果和渗流机理的分析研究仍未达成共识。为了进一步研究悬挂式防渗墙的渗流机理和控渗效果

2、，应用无限单元和有限单元结合法来模拟无限深透水地基，分析不同渗透系数、防渗墙深度和水头差时坝基渗流量和渗透坡降的变化规律，拟合出精度较高计算式，并通过渗流槽模型试验进行了验证。分析研究发现，悬挂式防渗墙在控制无限深透水地基渗透坡降方面效果明显，能有效遏制渗透破坏；在控制渗流量方面，悬挂式防渗墙深度越大效果越明显，但需要辅助措施联合控制才能实现经济合理、技术可行的目标。分析研究结果有利于进一步认清悬挂式防渗墙的控渗规律。关键词：无限深透水坝基；渗流；土石坝；悬挂式防渗墙；无限单元法和有限单元法；渗透坡降中图分类号：TU223．4文献标志码：

3、A文章编号：11309—640X(2014)04一OO44—08随着水电工程的进一步开发，良好坝址越来越少。我国西北及西南地区水坝建设常遇到无限深透水地基问题，而且还有进一步严重的趋势。针对“无限深透水坝基”的巨厚覆盖层，采用悬挂式防渗墙(以下简称悬墙)控制渗流存在两种不同观点。观点一认为：悬墙深度越大，对坝基防渗越有利。理由是随着防渗墙深度增加，渗径相应延长，被保护土(覆盖层)中的平均坡降减小，有利于覆盖层的渗透稳定[2]。观点二认为：随着悬墙深度增加，悬墙底部渗透坡降增大，防渗能力增强。理由是随着成墙深度增加，悬墙上下游承担的水头差增

4、加，悬墙底部坡降增加。若遵循观点一，悬墙达到一定深度后，能够保证渗透流量和渗透坡降在允许范围内即可，不一定要封闭覆盖层。如果将防渗墙做到更深，只会对防渗有利，不会出现危险。按照观点二，防渗墙深度应控制在一定范围，不能太深，否则在防渗墙底部可能出现局部渗透破坏。本文通过无限元和有限元的耦合建立数值模型，针对无限深透水坝基采用悬墙进行渗流计算。通过公式拟合、试验验证、对比分析对悬墙的控渗规律作进一步研究。1无限元数值计算模型1．1渗流无限元原理无限元在概念上是有限元的延伸，是一种几何上可以趋于无限远处的单元。。广义地讲，无限元仍然属于有限元的

5、范畴，因而它与有限元方法的“协调”与生俱在，比边界元等其他求解无界域问题的数值方法更具有优势。无限元渗流的拉普拉斯微分方程定义的边界问题转化为等效变分问题：收稿日期：2014—03—10基金项目：国家自然科学基金资助项目(51309262)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ121104)；重庆三峡学院重点项目(12ZD20)作者简介：毛海涛(1980一)，男，山西运城人，副教授，博士，主要从事土石坝渗流机理研究。E—mail：maohaitao1234@163．eom第4期毛海涛，等：无限深透水坝基上悬挂式防渗墙控渗试验研究45)()2_

6、后()+]dxdy一y(2)将渗流计算区域分成m个正方形单元，第e单元内任意一点渗流势函数值可以表示为：=∑[(，)；](3)式中：上标e为单元全局编码，下标i为节点局部编码，n为单元节点个数，这里选择=4；／为边界条件函数，为势函数。式中为基函数，满足下式：．n)II=e(e，e)=(4)将式(02)离散化后得到y)咖)==窆{()z_()+一d(5)i=1(将式(5)代戈人式，(3)对进行求导并写成矩阵形式为：(一+L；)=Bv2(一kyoN：oN；．Ie，。ed(6)式中：(一+L)为渗透矩阵；为结点水头函数矩阵；B为已知常数项，由

7、已知水头结点求得。从上述推导过程可以看出，无限元和有限元渗流原理在函数形式、泛函离散和最终矩阵的基本形式相同。因此，二者完全可以结合使用解决无限域渗流问题。有限单元和无限单元均可以是4结点单元，这给有限元软件的程序开发和技术实现上带来便捷，无限单元形成的单元矩阵同样按照整体结点号组装到系统系数矩阵当中，形成最终的稀疏对称复系数方程组。1．2数值模型数值模型采用有限元和无限元结合方法，在大坝坝踵和坝趾前后各200m和悬墙深度3～5倍的深度区域采用有限单元剖分，在有限单元边界采用无限单元，无限单元在左右和底部趋于无穷远处(见图1)。计算中只考

8、虑无限深透水坝基渗流，认为土石坝为不透水体。坝前水深在5～30m内变化；考虑到与后期的试验相一致，坝基土体通过实验室人为配置其颗粒级配，分别采用黏壤土、粉土、粉砂三类，各类土基本物理性质见表1