裂隙岩体排水孔和排水盲沟渗流模拟方法与其应用.研究

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1、第l章绪论1．1研究目的和意义随着我困经济建设的迅速发展，西部大开发的深入进行，我圈的水利水电事业蓬勃发展，高坝水利枢纽的建设速度同新月异，如三峡、龙滩、溪洛渡、小湾、锦屏、拉西瓦等这样的高坝大库也越来越多，而在这些高坝高水头大库水利工程的建设中，地下水的渗流及其产生的荷载是不可忽视的，它常常是影响工程安全建设与运行的重要因素之一。根据我国对24l座大型水库曾发生的1000件工程安全问题的统计，其中31．7％是由于渗流引起的。根据其他国家有关资料及我国1981年调查资料表明，失事的土坝中由于渗流引起的达到40％，与渗流有关的滑坡破坏也有25％IlJ。这些都表明渗流研究对水利工程的重

2、要性。因此必须进行地下水的渗流控制研究【2J，采取相应的渗流控制措旌以保证工程建设和运行的安全。目前，在水利工程中与渗流有关的主要问题包括水库的渗流、坝基岩体裂隙渗流、坝肩的绕坝渗流、闸基渗流、土石坝与堤防的管涌、流土现象等等。而在许多高坝大库的水利工程中，由于上下游水头差很大，坝基、坝后及其两岸边坡的地下水渗流作用很强烈，若不采取适当的渗流控制措施，坝基会产生过大的扬压力，两岸边坡则可能出现滑坡现象，工程的安全性受到严重的威胁。通常，在地下水的渗流中，地下水荷载常以渗透压力或扬压力的形式作用于大坝坝基、坝体内部、边坡、隧洞衬砌、坝后水垫塘底板等部位，其作用主要表现在以下几个方面：

3、(1)消减自重的作用，影响结构的稳定和应力；例如，当高拱坝坝后水垫塘混凝土基础面排水不畅时，扬压力将大幅度上升，大大消减水垫塘底板自重，使基础面有效应力降低，这对水垫塘底板的稳定是十分不利的。(2)动水压力沿临空面产生的分力增大了坡体滑动力；例如，若边坡滑塌体后缘及其以上岩土排水不畅，或者边坡顶部岩土体发育有张裂隙时，由于地表水的入渗使地下水位急剧上升，坡体滑动力将快速增加，抗滑能力下降。(3)孔隙水压力产生的“水楔作用”推动了裂隙扩展，破坏岩体或土体的完整性，使边坡发生渐进性破坏。(4)软化材料，减小摩阻力；例如，当边坡岩体中存在倾向临空面的软弱泥化夹层时，该泥化夹层即为控制边坡

4、稳定的控制结构面，若排水不畅，降雨入渗或施工用水侵入，夹层遇水软化，凝聚力和摩擦系数降低，将大大增加滑坡危险。(5)增加结构面总应力；如隧洞衬砌或地下厂房边墙，当过大的渗透压力直接作用于衬砌或边墙时，有可能导致结构失稳pJ。为解决上述地下水荷载可能所产生的问题，在工程当中常采用帷幕灌浆、固河海大学顾I：学位论文结灌浆、排水孔(排水孔幕)、排水宜沟等渗控措施。帷幕灌浆用以拦阻渗水、延长渗径、消减水头；而排水孔(排水孑L幕)，一方面可使渗流水通过排水孔自由逸出，降低渗透压力，改善应力状态，提高工程的稳定性，另一方面，相对于扩大灌浆帷幕规模来说可以节省工程量，所以它是工程上减小扬压力比较

5、有效实用的措施。对于排水孔的布置问题，既不能过于保守而造成工程投资的增加，也不能过于节省而导致排水能力不够，造成滑坡、结构失稳等灾难，因此要做好排水孔的设计和布置工作，而这在很大程度上又取决于排水孔附近渗流场的分析，所以，为了对排水孔(排水孔幕)的排水降压作用进行准确模拟计算，首先必须准确求解相应区域的渗流场。1．2渗流分析方法渗流分析是在已知模型参数和定解条件下求解渗流控制微分方程，以获得渗流场水头分布和渗流量等渗流要素。1．2．1渗流场模拟方法求解渗流场的方法很多，但归纳起来主要可分为理论分析方法和实验分析方法【4】【51。理论分析法又可分为流体力学法和水力学法两类。流体力学法

6、是一种严格的解析解法，它在定解条件下求解渗流基本方程，从而得到求解变量的解析表达式，其计算结果比较精确，可以计算渗流场中任意一点处的渗流要素(如渗透水头、渗透压力、渗透坡降、渗透流速和通过任意截面的渗流量)，但是这种方法计算比较复杂，目前只能对几种比较简单的渗透边界有解答。水力学法本质上是一种近似的解析解法，是建立在对渗流条件作某种简化假定基础上的一种方法，计算比较简单，能用于计算各种实际渗流问题，但这种方法只能得出渗流场中某一截面上的平均渗流要素，而不能计算出渗流场中任意一点的渗流要素，同时该法由于做了过多的简化和假定，与实际情况有一定出入，所以计算结果存在一定误差。为了弥补这一

7、缺陷，目前采取的方法是用流体力学法和实验方法的成果对水力学法进行局部的修正，以提高其计算精度。从计算分析上来看，理论分析法又可分为解析法、数值方法和图解法。其中解析法又可分为直接解析法、复变函数法、组合法和水力学法；数值方法主要包括有限元法【引、边界元法【71、差分法、有限解析法【引、有限积分法、无限元分析法【9】以及新近发展的数值流形法【10】等。直接解析法是采用直接解渗流基本微风方程的方法来计算渗流要素的一种方法；复变函数法是利用复变函数保角变换理论，将实际的渗流