渗流稳定计算（共7篇）
渗流稳定计算 篇1
土坝作为应用最广的水工建筑物,其安全关系国计民生。根据调查统计,由于渗流而引起土坝受破坏而失事的比例较大。因此,对土坝渗流进行准确的分析计算对于其安全有着重要意义。
Auto Bank软件程序针对我国水利水电行业的要求而设计,由河海大学工程力学系研制而成,具有明显的专业特点。渗流、变形、应力、稳定计算一体化,各计算阶段无缝结合。可计算非饱和、非稳定渗流[1]。与Auto CAD捆绑运用,非常便于水利水电工程技术人员使用。笔者采用Auto Bank软件进行土坝的渗流计算,取得了令人满意的结果。
1 浸润线计算
1.1 理论模型及边界条件
考虑水和土的压缩性,符合达西定律的二向非均质各向异性土体渗流,其基本方程为:
(1)式为土坝非稳定渗流基本方程。当水和土不可压缩时,上式变为:
(2)式为土坝稳定渗流基本方程[2]。
式中,h0为边界水头,n为边界的外法线方向,z为浸润线上各点的几何纵坐标值。
1.2 有限单元分析[3]
如图1所示,采用三角形单元法,对于任一单元,单元三结点在x、z平面上按逆时针方向编号依次1、2、3,相应坐标为(x1,z1),(x2,z2),(x3,z3),水头为h1,h2,h3。
根据变分原理,可以将上述渗流问题转化为泛函在求解域内的极值问题,水库大坝非稳定渗流方程式的解应等于如下泛函所求的极值:
式中,I是h的函数,Q为求解域,Γ2为第二类边界条件,μ为给水度,h*表示自由面上各点的水头,θ为自由面向外的法线方向与竖直面的夹角,其余参数同上。经过求解得到支配方程:
式中,[K]、[S]、[P]为系数矩阵,{f}为已知常数列向量。该文采用三节点三角形等参单元进行求解[3]。
解线性方程组求得流场的水头分布,运用边界上各节点水头值即可绘制浸润线。
2 软件应用方法[1]
软件的应用按以下程序进行:(1)启动Auto Bank(与之关联的Auto CAD也相应启动)软件,进入软件主界面;(2)建模。在软件主界面内建立模型;定义各种可能出现的材料的渗透特性,如果是稳定渗流,只需要给出渗透系数;如果是非稳定渗流,需要给出渗透系数和给水度(可以使用程序中的经验公式根据孔隙比计算给水度)。定义好材料属性后即给相应土层赋值;(3)单元划分。划分单元,可以用半自动网格划分或者全自动网格划分2种方法。该文采用全自动划分三角单元的方式;(4)定义边界条件。有固定水位边界、可能出逸边界和水位变化边界等;在确定水位和水位与上游边坡的交点后从该点开始向上游画水位线,即可将水位信息输入;水位线画出后,从水位线与上游边坡的交点开始,沿与水的接触面将各个拐点连接起来的线即为渗入边界线。沿下游边坡将各个拐点连接起来的线则为可能渗出边界;(5)保存图形文件生成数据文件;(6)求解。求解渗流场;(7)后处理。查看各种渗流场的结果,包括等势线、浸润线、流速等值线图、流速矢量图、水力坡降等值线图等。
3 计算实例
针对某水库均质土坝结构断面与相关参数,采用上述计算分析法进行渗流稳定计算。根据土工试验资料,坝体填筑料为二叠系峨眉山玄武岩全强风化料或残积层料,不是严格意义上的粘土均质坝。其渗透系数为8×10-4cm/s;地基一为含砾石粉质粘土,其渗透系数为1×10-4cm/s;地基二基础为二叠系玄武岩,其渗透系数为3.25×10-5cm/s。上游水位为9.8m,下游水位为0.0 m。在Auto Bank软件的主界面中建模如图2。图2中模型尺寸与原断面一致,根据全自动网格采用三角形单元形式进行网格剖分,不同颜色表明不同土质情况。
计算结果如图3~7所示,分别给出了浸润线、渗流水头、渗流速度与渗流梯度分布,采用Auto Bank软件提供的彩色云图及矢量方式表示,可以直观观察渗流场情况,为工程设计提供相应依据。例如浸润线位置可以用于土坝结构计算,渗流速度分布用于土坝防渗设计。
4 结语
通过以上实例分析,Auto Bank软件可较好地模拟土坝断面,且渗流计算结果更具可靠性[4],可为土坝的除险加固设计提供可靠的计算依据,从而确定合理的设计方案。Auto Bank软件与Auto CAD同界面直接使用,为计算土坝工程渗流提供了极大的便利,非常便于水利水电工程技术人员的使用[5,6,7,8,9,10,11]。
参考文献
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渗流稳定计算 篇2
关键词：渗流计算,有限单元法,浸润线,圆弧滑动法
1 有限单元法运用于渗流计算的目的和方法
土石坝水库失事事故中约1/4由渗流问题引起。安阳电厂贮灰场是在老河道一端筑坝而成,由于输送粉煤灰采用水力排放法,灰场滞存大量积水与原地下水形成较大的水头差,使坝体出现不同程度的渗漏。在这样的状况下使用场区粉煤灰为材料填筑子坝,就必须进行精确的渗流计算分析,因粉煤灰的物理力学特性决定了灰坝的安全与贮灰场的渗流分布,渗流问题解决不好,将导致不可估量的损失。
渗流计算的目的就是通过有限元渗流计算分析贮灰场渗流场的分布情况,得到的浸润线位置为坝体的边坡稳定及静、动力分析提供渗透压力,通过对不同工况的计算,提出截渗方案。
2 渗流计算初始条件
2.1 岩土工程勘察数据、物理力学性质分析数据
2.2 设定计算条件(见表1)
2.3 设定计算工况
2.3.1 初期坝渗流计算,作为与实际情况校核之用。
2.3.2 加高工况渗流计算。(1)粉煤灰子坝基础加碎石桩对渗流场分布的影响。桩间距2m,桩长5m,桩径0.6m。(2)粉煤灰子坝基础不加碎石桩对渗流场分布的影响。(3)粉煤灰子坝基础加碎石桩、子坝下加排渗体时对渗流场分布的影响。间距2m,桩长5m,桩径0.6m。
3 渗流计算的步骤与方法
3.1 基本假设
3.1.1 渗流服从达西定律;
3.1.2 不考虑土体和水的压缩性,渗透时土体的孔隙大小和孔隙率不变;
3.1.3 土体内水的饱和度不变。
渗流计算是在已知定解条件下解渗流基本方程,以求得渗流场水头分布和渗流量等渗流要素,但是无压渗流有渗流自由面(浸润线),且非稳定渗流自由面随库水位升降而变动,加之一般渗流场有不同程度的非均质和各向异性,几何形状和边界条件较复杂,数学求解过程困难重重,仅能对一些简单流动情况获得解析解。然而,计算机海量计算能力配合有限元法处理复杂工程问题,尤其有关工程问题中连续体的力学问题,能解决过去解析方法难于解决的问题,使得渗流计算问题一下子迎刃而解,以渗流分析计算为例,有限单元法能系统地编成计算程序,很方便地处理复杂的边界条件,非均质土层,以及第二类流量边界不需专门处理而能自动满足,优势明显。
3.2 一般步骤
将坝体有限边界区域按照材料分层概化模型,进行工况模拟计算,就可以形成渗流数学模型,即可进行有限元法一般5步骤计算:a.物体的离散化;b.挑选形函数或插值函数;c.确定单元的性质;d.组成物体的总性质方程组;e.解方程组。本次算例采用的《PCSSL渗流有限元计算程序》就是较好的将有限元计算5步骤有效整合的程序,使用人员仅需要依据工程实际,填入参数即可得到贴近实际的计算结果。
渗流演算支配方程与定解条件:
一般以水头h的分布为研究对象,对于垂直剖面上的二向渗流问题,按
渗流的基本微分方程式及其定解条件如下:
初始条件:h(x,z,0)=h0(x,z)
边界条件:(1)水头边界:h|=h(x,z,t)
(2)流量边界:k|=-q(x,z,t)
3.3 试算原则
渗流计算的基本及重要环节即确定浸润线位置,但浸润线的位置在开始时是未知的,需要先假定,接着找出参与计算的单元,再用有限元法求出各节点的水头分布,试算出结果,验证坐标是否在浸润线上,即水头值Hs是否等于纵坐标值ys(高度)。若不相等时,则需重新假定浸润线位置,直至水头值Hs与纵坐标值ys相等为止,即可确定浸润线位置。
4 渗流计算的图解成果
经过电脑程序对各种工况条件下子坝的渗流计算,模拟出的渗流等势线图如下(图1~图4),可以更加直观的表现子坝坝体中渗流的分布。
5 成果分析
5.1 渗流计算分析
地下水渗流对水工建筑物破坏从表面不易察觉,而在发现问题后又难以补救,因此对渗流的控制问题应予以充分重视。
本次计算主要采用确定渗流坡降的方法进行成果分析,首先应确定渗流的出口坡降,以验算出口有无发生局部流土或管涌破坏的危险,对管涌土地基,尚应确定地基中渗流坡降,检验是否会发生内部管涌破坏。对粗细粒两层土的交界面为避免接触渗流冲刷或细流的流失,还应确定接触面的渗流坡降或流速。当遇到粘土防渗铺盖或斜墙、心墙、截墙等构件的抗渗坡降也应求出,以便验算这些构件的抗渗强度是否满足要求。
出渗坡降J=△H/△S,是校核子坝稳定安全的重要数据。当J<[J]时,不会产生管涌,满足抗渗要求。而坡面由于受渗透力作用产生的局部破坏,极易危害子坝坝坡的整体安全。因此对子坝坝坡的防护在工程实际中倍受重视。用精确的解析方法计算坝体下游边坡和地基的出渗坡降,不仅计算极为复杂,而且对于较复杂的边界实际上也不能应用。因此一般情况下是以某些简单条件下的精确解和试验研究资料为依据,对所研究的问题近似假定求得实用的解答。
通过对比有碎石桩情况(不加排渗体)和无碎石桩情况发现,由于粉煤灰的渗透系数相对于坝体及地基土层的渗透系数大一个数量级,主要的渗透坡降发生在坝体及地基层。因此,加入碎石桩不设排渗体整个渗流场没有明显变化。加入碎石桩并设排渗体,可明显降低子坝及其附近的浸润线位置。
5.2 抗滑稳定分析
上下游坝坡、稳定分析是根据毕肖普假定滑动面的计算方法,对坝体或连同坝基进行抗滑稳定安全校核。计算中假定一系列滑动面,计算所有可能的滑动面的滑动圆心和滑动半径的安全系数,比较各滑动面的安全系数,将其中最小的安全系数作为子坝的稳定安全系数,其对应的滑动面即确定为最危险滑动面。
安全系数计算公式:
对坝体加高蓄水后无排渗体工况,根据计算其静力稳定安全系数为1.38,其滑动面位置见图5。子坝下部设排渗体并蓄水后,根据计算其静力稳定安全系数为1.39,滑动面位置见图6。
6 结论
6.1 采用有限元方法计算分析渗流场分布及边坡稳定可行。
6.2 用有限元方法计算贮灰场渗流分布,其成果精度与渗流模型、计算程序及材料参数等因素有关。渗流计算结果与实测资料间的对比关系,其规律有待更多的工程检验比较。
6.3 子坝的静力计算,比较了子坝基础加碎石桩和不加碎石桩两种情况,从静力角度分析加碎石桩与不加碎石桩没有明显差别。通过对子坝加高工况进行稳定分析,最小安全系数为1.38,其滑动面位置主要通过初期坝,不通过布桩区域。加高后的坝体满足规范要求。
参考文献
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[7]魏中明.汉英水利水电技术词典.<A Chinese-English Dictionary of Hydraulic and Hydro-electric Technology>[M].北京:中国水利水电出版社,1993,3.
渗流稳定计算 篇3
裂隙介质中的流体流动和溶质运移模拟方法主要分为两大类: 随机连续介质模型 ( SC)[1 ~ 4]和离散裂隙网络模型 ( DFN)[5 ~ 11]。在SC模型中,裂隙岩体等效为地下水流服从达西流的均质多孔介质,该模型适合于研究大范围、裂隙分布密集的岩体渗流,但对于岩体典型单元体积很大、甚至不存在的研究域或需要研究某一特定小范围、某个特定路径的渗流行为时,该模型则不适用; DFN方法根据裂隙网络的特征信息,如裂隙大小、方向、导水系数的分布,计算出每一个裂隙交叉点的水头和每一条裂隙段的流量,则整个网络的总流量就能得到,这种方法需要足够多和精确的测量数据。
DFN模型的模拟包括两方面的内容: 首先应用统计学方法生成裂隙网络,进而利用逾渗理论对裂隙的连通性进行研究而得到裂隙的主干网[12]; 然后对生成的裂隙连通网络进行渗流计算。裂隙网络内的渗流计算通常有3种方法: 第1种方法是有限元法[13~15],有限元网格剖分裂隙岩体会形成大量网格数据 ( 单元和节点) ,计算量非常大,需要采用高效的数值计算技术如并行技术等; 第2种方法是边界元法[16~18],边界元法可以使问题的维数降低一维,极大地减少了计算量,而且也很容易对裂隙进行离散,但边界元法以存在相应微分算子的基本解为前提,对于非均质介质等问题难以应用; 第3种方法是混合数值 - 解析法[8,9,19],如Cacas采用相交裂隙的中心作为裂隙网络的节点。有限元和边界元法均适用于在小尺度的问题上对裂隙岩体渗流的研究,本文采用了类似于第3种的研究方法,与Cacas不同的是对于裂隙网络的节点采用了相交裂隙的交点,该方法计算原理更加直观、简明。
本文研究了二维离散裂隙网络中完全饱和的、单相的、稳定流系统,利用岩体裂隙网络渗流的基本理论—立方定律,在裂隙相交点 ( 除裂隙与边界的交点) 根据渗流连续性方程建立平衡方程,所有的裂隙交点建立的平衡方程组成一个方程组,求解该方程组,就得到了裂隙网络内部节点的水头值,从而可求出各个节点间的流量及从左边界到右边界总的流量,该模型数据结构简单,运算速度快。
本文在作者前期采用无向图邻接矩阵判断裂隙网络连通性研究成果[12]基础上,利用matlab程序编制了相应的二维渗流模拟程序,在渗流方程中使用服从对数正态分布的导水系数而Priest[20]模型使用了隙宽,因为在机械隙宽和立方定律中所使用的隙宽之间相互关系是很微弱的[21,22],于是,模型中裂隙的渗流特性参数选择使用裂隙的导水系数分布,而不是隙宽分布。
1 裂隙岩体的渗流分析
岩体裂隙网络渗流研究的基本理论—立方定律,对层流、不可压缩的流体,根据两个理想的光滑平板裂隙推导,其表达式为[23]:
式中: Q为单宽流量; ρ为流体密度; μ为流体的动力粘滞系数; b为两个平行板间的距离( 或裂隙宽度) ;Δh为水力梯度。
水力孔径b和裂隙导水系数Tf之间的关系为:
于是
其中:Tf/l= C( C为水力传导率) 。
以裂隙连通图的某个连通区域为例 ( 图1) ,裂隙水流流动路径具有5个相互连通的节点,且假设3条或3条以上的线段不会共线,图中: Hi: 节点i的水头; Qij: 从节点i到节点j的单宽流量,设i到j的流量为正; Cij: 连接节点i和节点j的水力传导率。
假设裂隙周围的基质不透水,裂隙中的流体是连续且不可压缩的,而且连通节点处没有水头损失,那么在稳定流情形下的水量平衡式为:
将公式 ( 3) 代入公式 ( 4) 可得
于是
可改写为对任意连通的节点j
令
引入参数dij
则公式 ( 7) 表示为如下形式:
在裂隙网络里,有两类节点: ( 1) 边界节点,其水头或流量是已知的,在稳定流情形下是一个常数,该类节点会连接到某一个内部节点;( 2)内部节点,其水头是未知的,该类节点可能会连接到邻近的2个、3个或4个节点上 ( 如公式( 7) 中的k) 。
对每一个内部节点都可写出如公式 ( 10) 的一个方程。于是有n个内部节点 ( 水头是未知的) ,就可列出n个方程,求解这个方程组,就可得到内部节点水头。对简单的网络,该方程组可用消元法求解,而对较大的网络,则需使用数值技术求得节点水头和流量。
2 算例
2. 1 裂隙岩体的几何与渗流特性参数及边界条件
模型中裂隙的几何与渗流特性参数及边界条件: 研究区域上下为隔水边界,左右为定水头边界,10m×10m的方形区域。假定通过野外测量或试验获得两组裂隙的几何与渗流特性参数的统计特征如表1 ( 均值μ和标准差σ 及分布函数) : 中心点位置服从均匀分布,迹线长L服从负指数分布,走向服从正态分布; 导水系数Tf服从对数正态分布。
利用随机的Monte carlo模拟技术生成二维随机裂隙网络图,将超出模型边界的裂隙裁减掉,图2为某一次随机生成的裂隙网络图,然后应用逾渗算法去除孤立的裂隙或裂隙簇,提取出裂隙网络的主干网如图3,按导水系数分布函数随机生成每条裂隙的导水系数。
由于图3中各个裂隙交点的高程水头 ( z方向)是一个常数,于是总水头就是压力水头。假设左右边界的定水头分别为HL= 10m和HR= 5m,上下为隔水边界,在计算出每个节点的水头后,就能求出相邻两节点间的流量以及流经整个网络的总流量。
2. 2 Matlab 程序实现
图3中的连通网络包含9个节点 ( 其中包含2个边界点,7个内部节点) ,9段连通线段,基于公式 ( 10) ,可以为每一个内部节点写出一个方程。本算例有7个内部节点,于是就有7个未知水头,就能写出7个方程,如节点9的方程为: d4,9H4+d7,9H7+ d8,9H8- H9= 0,表2列出了这7个方程组成方程组的系数矩阵。系数0表明该对节点间没有连通,如以表2中的下半部分内部节点设为A矩阵,上半部分边界水头设为b矩阵,边界水头矩阵为,则内部节点水头的求解就化为求解矩阵A'X = - b'H0,利用Matlab程序很容易求解出X,即内部节点的水头,如表3; 节点间的流量如表4。
表 3 中 1,2 点为边界水头,3 ~ 9 为内部节点水头
表4表明,左边界 ( 2 ~ 5) 流入的单宽流量QLB= 3. 59×10- 7m3/ s·m等于右边界( 8 ~ 1) 流出的单宽流量QRB= 3. 59×10- 7m3/ s·m,符合稳定流水量平衡。从图3和表4中可以看出,在裂隙网络中的流体流动,总的趋势是由左边的高水头流向右边的低水头。在环状节点水流路径为: 节点9流向节点7,再经节点7流向节点6、节点6流向节点8。其次,网络中的节点水头并不是随着流经的路径均匀地变化,水力梯度 ( 表4中水头差/线段长)变化范围在0. 065 ~ 0. 527之间 ( 如9→7点之间水力比降为0. 065,4→9点和8→1点水力比降均为0. 527) ; 而且在单条裂隙中水流流动会受到和它相交裂隙的流动的影响。
上述分析是某一次随机生成的裂隙网络水流模拟结果,按表1中裂隙及导水系数的随机分布的统计参数经多次随机生成,分析多次随机生成的水头和流量模拟结果的统计特征,即均值、标准差和变异系数 ( 标准差与均值的比值) ,以表明在相同的边界条件和裂隙统计特征下,水流的随机分布规律。本文就上述算例随机模拟100次 ( 随机模拟200次的结果与模拟100次的结果非常一致,因此模拟100次可满足要求) ,流入或流出的单宽流量Q的变化范围在 ( 3. 0 ~ 13. 0 )×10- 7m3/ s·m之间,其均值 = 5. 906×10- 7m3/ s·m,标准差σQ=2. 221×10- 7m3/ s·m,变异系数0. 376,从Priest[20]的模型中可得出该变异系数在合理的范围内。
3 结论
本文在作者前期研究的基础上 ( 基于裂隙的空间形态及分布的统计特性,应用Monte Carlo随机模拟技术生成二维裂隙网络,利用逾渗理论根据无向图邻接矩阵实现了裂隙网络的连通,去除了孤立的裂隙或裂隙簇,得到了发生渗流的优势流路径) ,基于渗流的连续性方程,对稳定的、单相的、完全饱和的渗流系统,利用matlab程序编制了相应的二维渗流模拟程序,实现了裂隙水的渗流计算,通过本次研究,得到如下结论:
( 1) 该渗流程序可以计算出研究区域的总流量及裂隙节点的水头和裂隙节点间的流量,为裂隙水渗流计算提供了简单、实用的计算方法。
( 2) 文中使用服从对数正态分布的导水系数,通过导水系数的标准差反映出裂隙孔径大小不一,实现了裂隙水的非均质渗流计算。
( 3) 在裂隙网络中节点水头随着流经的路径并不是均匀变化的,局部的水 力梯度变 化范围在0. 065 ~ 0. 527之间,而且在单条裂隙中的流动会受到和它相交裂隙的流动的影响。
摘要：本文在生成的二维离散裂隙网络中利用逾渗理论突出裂隙的主干网,保存了明显的优势流路径。在此基础上,基于渗流的连续性方程和立方定律,在稳定的、单相的、完全饱和的渗流系统使用DFN模型研究随机产生的裂隙网络中的流体流动。利用matlab程序实现了裂隙岩体渗流数值模拟,在该模型中使用导水系数而非Priest的孔径,且导水系数服从对数正态分布实现了离散裂隙网络模拟的非均质性;在随机的Monte Carlo模拟中,进行了总流量的预测。模拟实验结果表明:总流量的变异系数在合理的范围内,该方法为裂隙水的稳定渗流计算提供了简单、实用的计算方法。
渗流稳定计算 篇4
本文研究对象古城水库大坝坝中部河槽处分布第四系全新统冲积粉质粘土, 承载力低, 压缩性高, 易引起压缩沉降, 造成坝体开裂及渗漏。老河床部位渗漏、散浸现象较为严重, 原始地面处理不彻底, 接合面及软夹层透水形成。并且由于坝体与坝基间的接合面含有较多腐殖土及较多粉质, 局部含少量砾砂, 施工时清基不彻底, 腐殖土孔隙度大, 土质疏松, 中等透水性, 易形成渗漏;坝基土局部中等透水性, 长期位于高水位情况下, 易形成渗漏。
2 古城水库概况
古城水库最大坝高21.5m, 坝顶长度1070m, 坝顶高程155.50m。主坝坝顶局部沉陷不均, 坝顶高程达不到原设计坝顶高程, 一般在0.1~0.3m之间, 最大处达到0.39m。
古城水库建成后, 经过多年的运行使用, 发现大坝存在很多问题, 大坝下游坡渗水严重, 由于大坝施工质量差, 坝坡面多处沉陷不均, 坡面混凝土块塌陷严重, 损坏面积达13 928m2, 损坏率达61.0%。
通过地质分析, 造成坝基渗漏的主要原因包括: (1) 坝体与坝基间的接合面含有较多腐殖土及较多粉质, 局部含少量砾砂, 施工时清基不彻底, 腐殖土孔隙度大, 土质疏松, 中等透水性, 易形成渗漏; (2) 坝基第 (2) 层土局部中等透水性, 长期位于高水位情况下, 易形成渗漏。
据此对大坝填筑质量进行评价:大坝坝体填筑质量不合格。
大坝下游坡面排水沟损坏严重, 坝下贴坡式反滤排水原设计长200m, 未按设计要求兴建, 实际只建了40m, 且已堵塞失效。由于水库确权划界工作没有到位, 大坝外坡禁脚内农民进行耕作的现象十分普遍, 给大坝造成了一定的安全隐患。据此, 对上游护坡及下游坝脚质量评价为不合格[1]。
3 计算古城水库大坝渗流
在对古城大坝渗流进行计算时, 可以使用二维稳定渗流有限元计算方法, 依据各向同性来对土层渗透性进行分析。在对断面进行计算时, 分别对河床的最大断面 (0+350m) 及岸坡坝断面 (0+485m) 进行计算。计算工况按初步设计的调洪计算结果, 在选择上游水位时, 分别选取了正常蓄水位、设计洪水位以及校对洪水位, 其高度为153m、154m和155m。在选择下游水位时, 河床坝段和岸坡坝段均为136m。
由以上试验可得出如下结论:大坝各土层的渗透系数及允许渗透坡降取值见表1, 根据渗流计算成果[2,3], 见表2。
4 古城水库大坝抗滑计算
根据渗流计算成果, 古城水库大坝抗滑稳定计算取河床段最大断面0+350m和岸坡坝段0+485m来进行计算。依据《中国地震动参数区划图》 (GB18306—2001) 中的有关规定, 水库所在位置的地震动参数标准值为0.05g, 地震烈度保持在Ⅵ度以上, 在进行复核计算时, 地震荷载的作用不进行详细考虑[4,5]。
依据水库的实际情况和《碾压式土石坝设计规范》 (SL274—2001) 的要求, 在对工况进行计算时, 主要分为以下2种情况: (1) 正常工况。在正常蓄水位的情况下, 渗流情况比较稳定, 此时下游坝坡也比较稳定;在设计洪水位的情况下, 渗流情况比较稳定, 此时下游坝坡也比较稳定;正常蓄水位下降到死水位时, 上游坝坡会出现比较稳定的情况。 (2) 非正常工况。在校对洪水位的情况下, 渗流情况比较稳定, 此时下游坝坡也比较稳定;当校对洪水位下降到正常蓄水位时, 上游坝坡会出现比较稳定的情况。使用有效应力法进行计算, 地质资料的有关参数构成了计算参数, 依据已有经验来进行校对, 具体情况见表3。
根据《碾压式土石坝设计规范》 (SL274-2001) 的规定, 对3级建筑物, 也要使用有效应力法和总应力法, 参考的依据为安全系数的最小值。在对体坝和厚坝计算抗滑稳定性时, 最佳的办法就是使用简化毕肖普法, 此次计算过程中, 对瑞典圆弧法和简化毕肖普法在计算抗滑稳定性的情况进行了认真的对比。最终选择使用的计算程序为岩土工程边坡稳定的计算程序, 它是由北京理正软件研究所研制的。
在水库水位降落期, 采用瑞典圆弧法进行稳定分析时, 其抗滑稳定安全系数可以分别采用有效应力法和总应力法公式进行计算。
用总应力分析, 计算较简单, 无需考虑孔隙压力, 分析的可靠性在很大程度上取决于试验条件模拟现场的实际情况。用有效应力分析, 其抗剪强度一般对试验条件不很敏感, 变化较小, 分析的可靠性主要取决于对剪切面上孔隙压力反映的真实程度。
在稳定渗流期里, 依据渗流分析计算坝体内的渗流压力, 坝体中的孔缝水压力u的计算公式如下:
式中, γW为水容重;h为渗透压力水头。
压缩性比较大的填土中出现水位下降的情况以后, 会有附加孔缝压力出现, 在确定孔缝水压力时会比较困难。在计算时, 采取了取近似值的方法, 对降落时出现的孔缝压力消散的情况没有进行考虑, 孔缝水压力系数不用太精确, 可以按照以下公式进行计算:
式中, h1为填土高度;h为水头损失值。
5 计算结果分析
通过渗流计算可知, 大坝渗流量大, 其原因是坝基、坝体防渗性能较差。坝体为黏土, 允许渗透坡降值为0.40, 坝基 (Q4al) 允许渗透坡降值为0.45。计算成果表明, 坝体出口渗透坡降最大为1.62, 坝体与坝基接触面渗透坡降最大为0.46, 均大于允许渗透坡降, 不满足要求, 坝体容易发生渗透破坏。从渗流计算结果可以看出, 渗流逸出点高程在139.88~151.98m之间, 逸出点过高。加之在水库的实际运行中, 观测到当水库蓄至正常蓄水位附近时, 大坝在下游第二级坡多处发生散浸和明流现象, 理论计算和实际运行情况均说明坝体和坝基在渗流方面不满足要求, 故需要对坝体和坝基进行防渗处理。
依据《碾压式土石坝设计规范》 (SL274—2001) 的有关规定, 对3级坝体进行稳定分析时, 可以使用瑞典圆弧法。在正常运用的情况下, 坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.2;在非正常运用的情况下, 坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.1。使用简化毕肖普法后, 在正常运用的情况下, 坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.3;在非正常运用的情况下, 坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.2。
6 结语
本文采用二维稳定渗流有限元方法对古城水库大坝的进行渗流及抗滑分析, 分别进行了不同工况的计算, 最后得到了大量的结果及图表。研究表明, 水库大坝填筑过程中的清底工作十分重要, 其渗透及渗透稳定性直接关系到大坝的稳定性。
摘要：针对古城水库大坝出现的渗漏问题, 在充分核实和精确计算的基础上, 采用二维稳定渗流有限元计算方法, 进行了渗流分析, 对不同工况进行了计算, 研究了渗流对坝体产生的影响及危害性, 以期为同行提供借鉴。
关键词：有限元,水利大坝,渗流,质量控制
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渗流稳定计算 篇5
随着深基坑工程规模、基坑深度的不断加大和设计方法的改进,对基坑的设计和整体稳定性验算提出了更高的要求,土中水的问题是基坑设计的难点,也是关系其稳定的重要因素。
基坑整体稳定性分析是对具有支护结构的直立土坡的分析,目的在于对基坑侧壁支护结构在给定的条件下设计出合理的嵌固深度或验算已拟定的支护结构是否稳定和合理。目前,整体稳定性分析方法中已经考虑了地下水的问题,但实际工程对基坑整体稳定性验算中,很少考虑基坑渗流和孔隙水压力的影响,这显然不符合实际。事实上,在基坑降水过程中地下水渗流是非稳定的,按稳定渗流分析基坑的整体稳定性显然不能真实地反映地下水的影响。
作者以水泥土挡土墙为例,降水使得坑下地下水整体自下向上流时,不考虑土体分层和各向异性,考虑降水方案和降水过程的影响,利用FOR-TRAN编制程序,对基坑内外的非稳定渗流进行模拟,进而根据圆弧滑动法分析基坑不同降水时刻的整体稳定性,分析降水引起的非稳定渗流对基坑整体稳定性的影响,并据此探讨降水过程中基坑整体稳定性的变化规律。
1 基本理论
1.1 二维非稳定渗流理论
简便起见,不考虑开挖过程的影响,假定基坑无限长,并且沿长度方向土的各种参数不变,则基坑降水过程中的非稳定渗流可采用饱和-非饱和二维非稳定渗流数学模型进行模拟,其基本方程为:
式中:H为饱和-非饱和水流总水头;θ为土体体积含水率,用以表示非饱和土的饱和度;Q为汇源项;t为降水时间;x和y分别为水平向和竖向坐标;k为饱和-非饱和土的渗透系数,编制程序时非饱和土的渗透系数可根据文献建议的基于土-水特征曲线的方法进行估算。
1.2 边界条件
基坑计算模型见图1。边界条件取为:水泥土挡土墙底下一定深度处为不透水边界,水平方向无穷远处为给水边界。由于水泥挡土墙透水性与土相比可以忽略,定义其周边为不透水边界。假定基坑内外初始水位为天然水位。开始降水后,基坑内外水位均降低,建模时基坑外水位定义为自由边界,基坑内水位变化按不同降水方案进行,即假定基坑内水位在n d内降到设计水位,并保持水位不变。
1.3 方程的求解
本文编制FORTRAN程序时应用迦辽金法建立有限元渗流方程为:
式中:[B]为梯度矩阵;[k]为单元渗透系数矩阵;{H}为节点水头向量;{N}为插值函数向量;{Ν}T{N}=[m]为质量矩阵;q为边界流量;λ=mwγw,其中mw为土体体积含水率,θ孔隙压力u曲线的斜率,γw为水的重度。
其中浸润面根据饱和与非饱和法进行确定,土中水的各势之间存在下列关系:
式中:φ在饱和区为压力势,值为正;在非饱和区为基质势,值为负。所以,首先假定全域饱和,然后根据求得的φ调整渗透系数,重新进行计算,直到计算结果达到精度要求,即可确定渗流场,进而求出φ=0的等势线,即为浸润面。
1.4 基坑整体稳定性分析
基坑整体稳定性分析的方法与边坡稳定分析一致,一般采用条分法,作者选取Bishop、Janbu和Morgenstern-Price三种计算方法,对比分析安全系数随时间的变化,在后文分析降水方案、渗透系数对整体稳定安全系数的影响时,采用了工程中较常用的Bishop法计算结果对基坑稳定性进行分析。
Bishop法仍然是圆弧滑动条分法,它在建立土条力平衡方程时,考虑了侧向力的影响,其土条受力分析如图2所示,根据力的平衡条件可得边坡稳定系数:
式中:L为滑弧长度;Wi为土条自重;Ti、Ti-1为土条间水平作用力;μi为渗流作用下滑面上孔隙水压力;c′、φ′为土的有效应力系数。
编程时考虑了以下几点:(1)建立的模型与渗流模型一致,便于孔隙水压力的导入;(2)采用网格法来搜索危险滑移面,可以采用逐渐缩小搜索面的方法,即开始时可以在滑裂面可能出现的地方搜索,然后慢慢缩小搜索面积,尽量使最小安全系数出现在搜索网格的中间部位;(3)基坑丧失稳定性发生滑动时,滑动土体将沿滑动面整块滑动,滑动面通常为一曲面。为计算方便,Fellenius等人认为滑动面为一个圆弧,基于这样的假定一般都能够保证工程的安全。另外,在桩下没有软弱下卧层时,最危险滑动面通过坡脚或桩的最底端,大量的计算分析也证明了这一点。因此在选定可能的滑裂面时,一般只考虑通过桩底端的滑动面。因此本文分析时,假定基坑最危险滑裂面为一个通过墙踵的圆弧滑裂面。
2 算例分析
基坑深5 m,宽40 m,采用水泥土挡土墙,墙高10 m,宽4.2 m,场地影响范围内土层以粉土为主,孔隙率θ=n=43%,抗剪强度指标φ′=30°,水位以下平均重度为18.8 k Nm3,水位以上取18 kNm3。饱和渗透系数k=0.5 m/d,对非饱和区,定义渗透系数与基质吸力的变化关系及水土特征曲线见图2和图3。计算时假定降水前水位与地面相平,坑内水位N d内降低5 m,然后保持不变,为考虑降水速度对基坑稳定性的影响,N分别取1、5和10时,降水30 d内的基坑整体稳定性变化,模拟方案计算见图3。
2.1 基坑整体稳定性计算分析
作者选取Bishop、Janbu、Morgenstern-Price三种计算方法,对降水过程中各个时刻、各种可能的滑裂面进行计算。表1给出了考虑按照降水方案b降水过程的非稳定渗流、考虑稳定渗流和不考虑渗流时按三种计算方法计算的整体稳定安全系数值。
可以看出:考虑非稳定渗流的安全系数随时间而不断增大,最后趋于某一稳定值。这可归结为在降水过程中,由于坑外水位不断下降,水力梯度也逐渐减小。另外考虑非稳定渗流的安全系数基本上都大于稳定渗流的结果,仅在刚降到预定水位时略小于后者。但由于渗流作用,安全系数始终比不考虑渗流时小很多,因此对于有地下水渗流的基坑,其整体稳定性计算时,如果不考虑渗流将使得计算结果是偏于危险的。
另外,从表1中也可以看出,按照Bishop法和按照完全考虑土条间作用力的Morgenstern-Price法的计算结果相差不多,且Bishop法比较简单,在工程中采用该法进行计算是适宜的。但要注意条块底部不能出现拉力,否则Bishop法也会产生很大的误差,甚至不能适用。
2.2 降水方案、渗透系数对安全系数的影响
以Bishop法的计算结果为据,分析降水速度和渗透系数对基坑整体稳定安全系数γs的影响。
采用自编程序,分别模拟土体渗透系数为0.5m/d、2.16 m/d、5 m/d、8.64 m/d的基坑,每种基坑均选取上述三种降水方案进行模拟,计算结果见图3。通过分析,可以得到以下结论:
(1)考虑渗流的计算结果均比不考虑渗流要小的多,渗流对支护结构整体稳定性不利,这与渗流对挡土墙的抗倾覆和抗滑移稳定性产生有利影响正好相反。
(2)随降水的进行,不同的降水方案,安全系数有不同程度的增大,但对同一土体在坑内水位降到预定水位后,安全系数很快就趋于稳定,并且三种降水方案下的安全系数趋于一致。
(3)渗透系数对不考虑渗流和考虑稳定渗流时的安全系数无影响,而对于非稳定渗流则是渗透系数越大,安全系数越大。
(4)除渗透系数为的土体外,考虑稳定渗流的计算结果比降水到预定水位时刻的安全系数稍小,偏于安全。因而,对于渗透系数较大的土体,在设计时,可以按照稳定渗流计算挡土墙整体稳定安全系数。
3 结论
本文通过应用自编程序,探讨了降水过程中基坑整体稳定性的变化规律。通过对不同渗透系数的土体在不同降水速度下的基坑的模拟,详细分析了降水速度和渗透系数对整体稳定安全系数的影响,并与考虑稳定渗流和不考虑渗流的计算结果进行比较。结果表明:渗流对基坑整体稳定性是不利的,因而在设计时只有充分考虑地下水渗流的影响,才能保证设计的安全性;渗透系数对非稳定渗流的影响较大,对于渗透系数较大的土体,在设计时,可以按照稳定渗流计算基坑整体稳定安全系数,但要充分考虑降水速度的影响。
摘要：通过模拟降水过程中基坑的非稳定渗流,分析了降水过程中基坑整体稳定性的变化规律,探讨了非稳定渗流、基坑降水方案和渗透系数对整体稳定安全系数的影响。分析结果表明,渗流对基坑整体稳定性不利。在设计时只有充分考虑地下水渗流的影响,才能保证设计的安全性;渗透系数对整体稳定性的影响较大,对于渗透系数较大的土体,设计时可以按照稳定渗流计算基坑整体稳定安全系数,但要充分考虑降水速度的影响。
关键词：非稳定渗流,基坑,稳定性
参考文献
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土石坝渗流稳定分析浅议 篇6
土石坝渗流分析的任务有如下几个方面: (1) 确定坝体浸润线和下游逸出点的位置, 为坝体稳定计算和排水体选择提供依据; (2) 计算坝体坝基的渗流量, 以估算水库渗漏损失和确定排水体尺寸; (3) 计算坝体与坝基渗流逸出处的渗透坡降, 以验算其渗透稳定性.
土石坝渗流分析的方法有公式计算法 (流体力学法﹑水力学法﹑有限元法) 流网法和电模拟法。其中水力学法在建立在一些基本假定之上, 为一种近似解法。但其计算简单且精度并能满足工程要求, 为一种常用的方法。故本设计采用水力学法计算, 其基本假定如下:
(1) 坝体土料为匀质, 坝内任意一点的各个方向上的渗透系数相同且为常数;
(2) 渗流为二元稳定层流, 渗流运动符合达西定律V=K×J (V为渗透流速, K为渗透系数, J为渗透坡降) ;
(3) 渗流为渐变流, 任意过水断面上各点的坡降的流速相同。
二、渗流计算
1. 工程信息
某水库水位为200 m, 库容积15.28亿m3, 保护农田面积1 160万亩, 灌溉面积247万亩。由水利水电枢纽工程的分等指标工程级别为一级, 工厂规模大 (1) 型。相应的水工建筑物的级别:主要建筑物1级;次要建筑物3级;临时建筑物4级。
洪水标准按永久建筑物洪水标准确定, 正常运用的洪水重现期为500年, 非正常运用的洪水重现期为10 000年。
(1) 主坝坝址区河谷为不对称河谷, 右岸比左岸切割深, 两岸有一、二、三级阶地存在, 两岸阶地边缘较平缓, 呈狭长带状。右岸基岩裸露, 左岸基岩上的各级阶地表层均有壤土 (黄土状) 分布, 厚度2~8 m, 局部壤土以下有薄层砂质粘土透镜体存在。河床冲积层厚度一般10 m左右, 最深处16 m, 岩性为砾卵石层。
(2) 主坝坝址区地基岩体主要为太古界片麻岩系, 河床左侧及左岸以正变质花岗片麻岩为主 (gn-M1) , 河床右侧及右岸分布有花岗片麻岩、大理岩及各类片麻岩 (mb-M1~gn-M8) 地层。
河床部分为一两翼坡度较缓的背斜构造, 以25°~35°的倾角向下游倾伏, 背斜左翼岩层走向NE37°、右翼岩层走向NE72°, 倾角35°~45°, 岩体节理发育。有宽几十厘米到1m多的辉绿岩脉、中性岩脉和伟晶岩脉侵入, 多呈走向NW5°~25°倾向NE, 倾角740~85°或近于直立方向, 岩脉的活动影响了地基岩体的完整性。
2. 渗流分析的工况
渗流计算时, 应考虑水库运行中出现的不利条件, 一般需要计算上游正常蓄水位191.8 m与下游相应最低水位147.9 m。此时坝内渗流的坡降最大, 易产生渗透变形。
3. 总渗流量计算公式
根据地形和地基透水层分布情况, 将坝体沿坝轴线分成12个曲边坝段。先计算各坝段交界处的坝体单宽深流量, 然后按下式计算全坝段的总渗流量。
-各坝段长度, m.
-各坝段交界处的坝体单宽渗流量.
三、渗流计算成果
现在以正常蓄水位191.8与下游相应最低水位147.9时的计算工况为例进行计算。
1. 单宽流量计算
2. 总渗流量计算
四、结语
1. 无粘性土管涌货流土的判别
土坝渗流稳定计算可以鉴别土的渗透变形形式, 判别坝体和地基土的渗流稳定性, 进行坝下游渗流逸出段的渗流稳定计算。
根据基本资料, 该坝区的砂砾史料蕴藏丰富。因此筑坝材料以砂砾石为主, 间夹卵石及砾砂, 薄层粗砂。现用简单易行的伊斯托敏娜方法来判断以土体的不均匀系数作为依据, 有筑坝材料筛分试验成果汇总表不均匀系数最大133.5, 最小值33.96, 平均值61.29>20故可能发生管涌。
根据无粘性土的抗渗破坏比降及允许比降参考值改土发生管涌的临界坡降J=0.30, 允许坡降[J]=0.20, 安全系数K=1.5。
2. 渗稳定计算
正常蓄水位与下游相应最低水位时断面渗流区域内的任意一点和逸出点处的抗渗稳定条件:
3. 正常蓄水位的渗流分析
浸润线:取最大剖面得浸润线为
允许坡降可参考下列数字:
摘要：土石坝剖面尺寸初步拟定后, 必须进行渗流分析和稳定分析, 可为确定经济、可靠的坝体剖面提供依据。本文通过对土石坝坝体渗流稳定计算的详细论述, 明确渗流计算的目的和过程, 对类似工程的计算具有指导和借鉴意义。
关键词：土石坝渗流稳定计算,工况
参考文献
钟陵水库渗流及稳定性分析 篇7
在水利水电工程中, 土石坝是被采用的最普遍的一种坝型。据国内外大量统计资料表明:由于渗流问题直接造成土石坝失事的比例约占30%~40%.土石坝是挡水建筑物, 渗流和土坝并存, 有土石坝就必然有渗流。因此, 对土石坝进行渗流及其稳定分析具有重要的作用。
1 计算模型和方法
1.1 计算模型
钟陵水库位于进贤县钟陵乡, 距进贤县城约40km, 座落于信江水系润溪支流。该主坝现状为为均质土坝, 主坝填筑自1958年开始, 至1960年基本建成, 经历年加高加固达到现有规模, 根据本阶段测量成果, 主坝现状坝顶高程35.1m~35.59m (黄海高程, 下同) , 坝顶宽4.8m~5.3m, 坝顶长577m, 上游坝坡为砼预制块护坡, 坡率1:3.22~1:3.52, 下游坡为草皮护坡, 坡率1:2.73~1:2.83, 坝脚贴坡排水体顶高程25.0m~26.47m。
1.2 渗流计算原理与稳定分析方法
1.2.1 渗流计算原理[1]
石坝稳定渗流问题可以归结为求解S1, S2, S3, S4边界上的定解问题:
式中:ω为汇源流量;q为渗流区域边界上单位面积流入 (出) 流量;S1, S2, S3, S4分别为已知水头、已知流量、自由面、溢出面边界。
1.2.2 稳定计算方法[2,3,4,5]
考虑在各种设计计算工况下, 根据毕肖普法计算最小安全系数。
2 渗流计算成果分析
2.1 计算工况
渗流计算应考虑水库运行中出现的各种不利条件, 一般需计算下列水位组合情况:
1) 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位;
2) 上游设计洪水位与下游相应的水位;
3) 上游校核洪水位与下游相应的水位。
2.2 渗流计算成果分析[6]
1) 根据现状坝体断面渗流计算, 坝体在校核洪水位 (33.88m) 情况下坝体浸润线出逸点高程30.81m, 在下游坝坡出逸, 位置较高 (贴坡排水体顶高程25.0m~26.47m) 不利于下游坝坡的抗滑稳定。
2) 各层计算渗透坡降值均较大, 下游坝坡土的最大坡降值为0.49, 大于其允许值0.38, 易产生渗透破坏, 坝基土的最大坡降值为0.33, 接近允许值0.4, 基岩的最大坡降值为0.062, 小于允许值0.52。容易产生渗透破坏, 综上所述, 大坝坝身、坝基需进行防渗处理。
2.3 加固及防渗措施[7,8,9]
1) 本工程选用塑性砼防渗墙方案, 按规范要求, 防渗墙顶高程应高于校核洪水位0.5m, 设计墙顶高程取为34.50m, 底高程伸入相对不透水层 (q<10Lu) 0.5m, 最大墙深约25m, 考虑帷幕灌浆可灌性较差, 结合坝身防渗处理措施, 左坝肩采用砼防渗墙防渗。
2) 为防止大坝浸润线出逸处产生渗透破坏而危及大坝安全, 本次加固设计对大坝原贴坡排水体拆除重建, 贴坡排水体顶高程28.0m, 坡度1:3, 厚0.4m, 顶部水平宽3 m, 排水体趾部设置齿槽, 排水体下设三级反滤层。
3) 大坝坝脚约2m有一条平行坝脚的灌溉渠, 渠底高程约26.0m, 渠水外渗, 影响主坝坝脚局部稳定和渗漏观测, 不利于工程管理, 本次加固设计将原灌溉渠向下游迁移100m, 原有灌溉渠拆除并采用透水风化料回填。
2.4 加固后渗流分析
处理后结果分析:
1) 加固后的主坝0+150设计断面坝体浸润线在下游排水体中出逸, 位置较低。
2) 相比现状断面, 设计断面各土层渗透坡降明显降低, 最大渗透坡降值均小于其允许值。
3) 经防渗处理后设计断面计算渗流量Q=0.538m3/d·m, 其中坝体0.19m3/d·m, 坝基覆盖层0.008m3/d·m, 基岩0.34m3/d·m, 渗流量明显降低。同时浸润线明显降低, 对坝坡稳定有利。
3 加固后稳定计算成果分析
3.1 计算工况
1) 上游水位校核洪水位33.88m时形成稳定渗流期的下游坡;
2) 上游水位为设计洪水位33.61m时形成稳定渗流期的下游坡;
3) 上游水位为正常蓄水位32.95m时形成稳定渗流期的下游坡;
4) 上游水位由校核洪水位33.88 m非常降落至正常蓄水位32.95m时的上游坡;
5) 上游水位由正常蓄水位32.95 m非常降落至死水位25.51m时的上游坡;
6) 上游水位由校核洪水位33.88m非常降落至死水位25.51m时的上游坡。
以上计算成果可知, 大坝设计断面上、下游边坡均能满足抗滑稳定要求, 设计坝坡满足稳定要求[10]。
4 结论
通过渗流和稳定分析可以看出:
1) 未进行加固处理的坝体浸润线逸出点位置太高, 不利于下游坝体的抗滑稳定, 加固处理后, 坝体浸润线在下游排水体中出逸, 位置较低, 同时浸润线明显降低, 对坝坡稳定有利。
2) 加固处理后, 设计断面各土层渗透坡降明显降低, 且最大渗透坡降值均小于其允许值。
3) 根据规范要求, 加固后大坝上、下边坡所有工况计算的安全系数均能满足抗滑稳定要求。
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