深厚覆盖地基防渗排水设备对渗流场影响之数值探讨

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1、深厚覆盖地基防渗排水设备对渗流场影响之数值探讨1绪论1.1研究的背景及意义河谷深厚覆盖层一般指堆积于河谷之中，厚度大于30m的第四纪松散沉积物。我国的河谷深厚覆盖层多分布于西南高山峡谷、华北华东丘陵、平原地区河流中(国内部分河流坝址河床深覆盖层深度统计。这些地区的河谷深厚覆盖层主要由漂卵砾石、块碎石、粉细砂等组成，一般具有成因类型复杂、结构比较松散、岩层不连续的性质，岩性在水平和垂直两个方向上均有较大变化，物理力学性质呈现较大的不均匀性。因此，河谷深厚覆盖层是一种地质条件差且复杂的地基。深厚覆盖层这种不良地基条件给水利水电工程的建设带来一定

2、的困难，在河谷深厚覆盖层上修建水工建筑物时，渗漏量控制、渗透稳定性、不均匀沉陷及砂土液化等问题较为突出。对工程整体安全构成威胁的诸因素中，渗流破坏是首要原因之一。对国内241座大型水库发生的1000宗工程事故的分析发现，因渗漏管涌破坏占31.7%;美国对206座土石坝的病例统计显示，因渗漏管涌破坏占25%;西班牙对177座土石坝破坏原因分析发现，地基破坏所占比重为40%。国内外在深厚覆盖层上修建坝(闸)有不少成功的经验，也有失败的教训可寻。例如，巴基斯坦的塔贝拉斜墙坝，最大坝高145m，河床覆盖层最大厚度达230m，设计方案比选中考虑到混凝

3、土截水墙很难实现，几种灌浆方案的可靠性难以保证，最终实施中采用了水平铺盖方案。铺盖原长1740m，端部厚1.5m，心墙处增至12.8m;1974年开始蓄水铺盖出现裂缝和多处沉陷坑，修复时将铺盖加长至2347m，最小厚度4.5m;1975年再次蓄水时又出现沉陷坑429个，用抛土船抛土67万立方米后铺盖运行20余年基本处于安全状态。目前，建在浅透水地基上的坝(闸)渗流控制原理和渗流控制措施的研究已日趋完善，但对无限深透水地基或较深厚的覆盖层地基渗流控制问题，仍有待进一步研究。显然，研究河谷深厚覆盖层地基上的坝(闸)渗流控制问题，对确保水利水电工

4、程安全，加快西部水力水电建设步伐必将产生重大影响。2深厚覆盖层地基上建坝渗流控制渗流控制包括控制理论和控制技术两个方面。控制理论是指基本原理和各种方法，如防渗、排渗和反滤层相结合的基本原理以及反滤层的设计方法等;控制技术是指控制原理的实施措施，在坝体方面，如心墙、斜墙、混凝土面板等防渗措施，在地基方面，如水平铺盖、硅防渗墙、帷幕灌浆等防渗措施。渗流控制的主要目的是减少水工建筑物及地基的渗漏量和保证建筑物及地基的渗透稳定，其中保证建筑物及地基的渗透稳定是首要问题，就大多数工程而言，安全控制比渗流量控制更重要。2.1渗流控制理论1856年达西提

5、出了土中渗流的基本理论后，渗流控制理论得以大力发展，其发展进程可以分为以下三个阶段，即以防为主阶段、防排结合阶段及明确反滤层保护渗流出口。2.1.2防排结合阶段以防为主的渗流控制理念广泛贯彻后，人们又发现单纯的依靠延长防渗体的渗径长度并不能完全杜绝闸坝及其地基的渗透破坏甚至失事。究其原因，主要是因为被防渗体拦截的渗流始终都在寻找渗透出口并企图释放能量，一旦发现薄弱的渗流出口即造成建筑物及其地基的渗透破坏。另外，防渗体渗径越长，作用于建筑物及其地基的总的水压力也就越大，建筑物的静力稳定性也越差。经过实践的不断体验和总结，人们发现排渗措施可以主

6、动地把通过建筑物及地基的渗透水流导向下游，并且在疏导的过程中有意地释放了防渗体中的能量，从而避免了渗透水流任意地寻找薄弱渗透出口，同时起到了降低建筑物地基的扬压力和坝体浸润线位置的作用。但排水措施不利的一方面是缩短了渗径也加大了水力比降，反而会加剧渗透破坏，这使得排渗措施在初期阶段不能得到广泛使用。1992年太沙基提出用反滤层保护排水的方法来弥补排水措施的不足之处，并提出了第一个无粘性土反滤层设计，从此水工建筑物的渗流控制理念逐渐由单纯防渗阶段进入了防渗与排渗相结合的阶段。3深厚覆盖层地基二维渗流场有限元..........24-453.1

7、基本方程及定解条件..........24-253.2采用三角形单元计算渗流场..........25-353.3等参四边形单元计算渗流场..........35-413.4工程算例..........41-443.5本章小结..........44-454深厚覆盖层地基三维渗流场..........45-574.1基本方程及定解条件..........454.2单元剖分及插值函数..........45-464.3建立单元渗透矩阵..........46-494.4组合总体渗透矩阵..........494.5计算渗流要素........

8、..49-534.6程序验证及算例分析..........53-564.7本章小结..........56-575工程应用..........57-755.1工程概况......