强弱透水相间深厚覆盖层坝基的渗流分析 Seepage analysis of a dam foundation with deep deposit composed of strong and weak permeable layers alternately.pdfVIP

水 利 学 报 2013年12月 SHUILI XUEBAO 第44卷 第12期 文章编号：0559-9350（2013）12-1439-09 强弱透水相间深厚覆盖层坝基的渗流分析 吴梦喜 ，杨连枝 ，王 锋1 1 2 （1. 中国科学院 力学研究所，北京 100190；2. 中水顾问集团 成都勘测设计研究院，四川 成都 610072） 摘要：覆盖层深厚且为强弱透水互层的闸坝基础在我国西南部河流中很常见，防渗墙通常作为坝基渗流控制设 施。渗流有限元计算中，该种坝基上下游覆盖层截断边界面位置及其边界条件的设置往往是影响结果的重要因 素，对其确定方法的研究具有重要的实用意义。提出了渗流计算中采用缩尺单元方法分析坝基覆盖层截断面边界 合理位置的方法。该方法只需要一个计算网格就可实现合理截断面边界位置的确定和正式的渗流计算分析。硬梁 包水电站坝基为典型的强弱透水互层，其渗透系数差异达到了3个数量级。初步设计方案稳定渗流计算工况对渗 流量基本不影响的上下游不透水截断边界面的位置离坝轴线远达40~80km。尽管河谷宽度与水位差之比高达16， 该坝基相对不透水土层的局部缺失使渗流场有显著的三维特征。计算结果中防渗墙毗邻区域弱透水土层内的渗透 坡降数倍于允许坡降，然而这些部位在防渗墙完整的前提下渗透破坏的风险却很小。渗透坡降的方向特征及渗透 变形发生后的演化特征对渗透稳定风险评价是很重要的。 关键词：覆盖层；防渗墙；渗流；渗透变形 中图分类号：TV698.2 文献标识码：A 1 研究背景 采用防渗墙对覆盖层闸坝地基进行渗流控制已成为深厚覆盖层上筑坝的一个通用技术。有限元 渗流分析也已普遍应用于闸坝地基防渗设计方案论证和优化之中。渗流通常在半无限域内发生，而 有限元计算则必须在确定的范围内进行，因此确定模型边界位置和边界条件是计算建模的首要问 题。然而，大多数渗流计算的模型范围和边界条件仅依据地质资料和工程经验确定，对边界位置和 ［1］ 边界条件缺乏充分论证，可能对渗流计算结果的准确性造成较大影响 。对于覆盖层闸坝基础，上下 ［1］ 游覆盖层截断边界位置及其边界条件往往是影响渗流计算结果的最重要因素，张延忠等 已指出这类 边界位置对渗流场计算结果的重要影响，然而，对于这类边界的合理位置和合适的边界条件却鲜有 深入探讨。中等或弱透水的粉细砂层与强透水的砂卵砾石层同时存在于覆盖层闸坝基础之中是常见 ［2-3］ 的，如四川的吉牛水电站、太平驿水电站、福堂水电站和映秀湾水电站 。这种土层渗透系数相差 1~3个数量级的带有防渗墙的闸坝基础，其渗流性状有其特殊的规律性，虽然这类坝基的渗流分析文 献很多，但对其中的渗流规律性探讨却很少。另外，对于深厚覆盖层坝基的渗透稳定性评价，一般 也仅依据土层的最大渗透坡降与土层发生管涌等渗透变形的临界坡降和破坏坡降的比较来判别［2，4-6］， 而很少探讨渗流方向对渗透稳定性的影响。本文针对硬梁包闸坝基础的渗流分析，提出一种缩尺单 元方法来研究闸坝覆盖层截断面边界的合理位置及其选取方法；采用中国科学院力学研究所LinkFEA［7］ 软件进行渗流有限元计算，分析了该坝基的三维渗流场的特征，并探讨了渗流方向对渗透稳定性的 影响。 收稿日期：2013-02-04 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助 作者简介：吴梦喜（1967-），男，湖南涟源人，博士，高级工程师，主要从事岩土力学与岩土工程研究。 E-mail：wumx@imech.ac.cn. — 1439 — 2 工程概况与计算模型 2.1 工程概况 硬梁包水电站位于四川省泸定县境内，是大渡河干流水电规划22