三间房水电站灯泡贯流式机组厂房设计.docxVIP

设计施工水利规划与设计2014年第11期

·80·

挡渣坝坝体渗流分析与施工设计

白阳

(新疆自治区水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐830000)

【摘要】坝体渗流是影响挡渣坝稳定性的关键因素之一，因此计算渗流量具有十分重要的意义。本文着力于大坝渗流分析，简要介绍了有限单元法的渗流计算方法，并结合实际工程得出的计算结果，针对性的提出改善防渗施工设计的措施。

【关键词】挡渣坝渗流有限单元法施工设计【DOI编码】10.3969/j.issn.1672-2469.2014.11.027

【中图分类号】TV223.4【文献标识码】B【文章编号】1672-2469(2014)11-0000-00

1工程概况

渣场库址选择在洛河右岸河滩阶地上，渣场总长2313.20m,挡渣坝库容为161.1万m3,挡渣坝结合场址区周围的黄土坎，共同形成库容满足堆存总厂区约5年排放的渣量(年排放量为30万m3)。待渣面接近挡渣坝坝顶时，在挡渣坝坝前碾压渣面上逐渐加高，与库区碾压渣一样形成碾压渣的整体型坝体，直至形成工程所需的最终库容。渣场最终库容为609.3万m3。工程区地层岩性从上至下主要为粉质壤土层、粉土层、砂卵石层、粘土层。

2坝体渗流分析

渗流的概念，就是液体在土壤、岩石等介质中孔隙的流动，由于渣的物理力学特性，挡渣坝的安全与渗流分布会受其直接影响，因此必须对渣场进行详细分析渗流情况。一般对于渗流场的渗流理论分析通常有三种方法，即模型模拟、理论求解和有限单元分析法。近年随着计算机技术的快速发展，有限单元法得到了快速的发展，能更好地适应给定边界条件的情况，本文主要探讨的是有限单元法的渗流分析方法。

2.1渗流计算模型

流体在土壤、岩石中沿着孔隙的流动是个十分复杂的过程，在实际工程应用中没必要准确计算出各点的真实运动速度，只要得出某一工程范围内的宏观平均效果就能解决工程问题。渗流模

型的建立有助于渗流情况的研究，它理想化地把整个工程范围内的液体流动看成连续介质的水流运动，并充满了渗流区域的全部空间。因此根据渗流模型的定义，某一断面的渗流速率为：

(1)

其中△Q为过段面△A的渗流量；

2.2饱和—非饱和三维瞬态渗流理论基本方程

把液体在孔隙中的流动看成是各向同性渗

流的话，液体的运动方程符合达西定律，为

(2)

(3)

其中ui是液体沿x方向的流速；K是液体在介质中的渗透系数；H为x?沿铅直方向的高度；r是液体的容重；p是流体的压强；h是压强水头。

地下水的运动具有连续性，从质量守恒原理可以推出可压缩饱和土体中渗流的连续性方程：

(4)

式中：p为流体的密度；

n为土体的孔隙率；Cs为饱和度。

作者简介：白阳(1983年一),女，工程师。

设计施工2014年第11期

·81·

对于刚性骨架，n=const,且

(5)

故上式可改写为饱和一非饱和渗流的一般微分方程式：

(6)

其中β代表贮水率，表达式为：

(7)

饱和渗流情况，公式(6)右端直接就等于零。对于非饱和渗流，非饱和土渗透系数K与饱和度c,及原有吸湿结合水的饱和度Csw有关。

2.2.1定解条件

求解公式(6)应给定适当的初始条件及相应的边界条件：

已知水头值的边界H=Hb,不透水边界条件为

其中b是给定边界水头，n代表的是沿边界的外法线方向。

2.3有限单元法求解

本文主要介绍时空有限元法求解中的半离散的逐步积分法，计算的第一步骤是将被研究区域剖解成有限个单元体，后得出代数方程组，通过计算机得出结果。求解渗流场中水头函数的方程一般形式为

[K]·IH|={f(8)

式中[K]为所建立的渗透矩阵；{H}是要求的水头列向量；{f}是自由项的列向量；

2.3.1自由面的确定

对于稳定渗流来说，该面上任一点水头应等于该点的位置高程对于非稳定渗流来说，还应满足第二类边界条件的流量补给关系。

(9)

2.3.2渗流量的计算

渗流量的计算要选取适当的断面作为计算单元的中断面，一般为过水断面，计算通过某一过水断面的渗流量计算公式为：

(10)

渗流量Q就是这些单元渗流量的代数和。

2.4