考虑非饱和区的复合土工膜防渗坝渗流分析

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1、考虑非饱和区的复合土工膜防渗坝渗流分析李秀文周宜红彭云枫袁玉琳摘要：针对传统的渗流分析主要考虑饱和区的渗流而不考虑非饱和区的渗流存在一定的安全隐患问题，基于饱和—非饱和渗流理论，结合复合土工膜防渗坝设计了四种不同的水位组合，分别计算了饱和渗流量及饱和—非饱和渗流量，并分析了正常蓄水位下考虑与不考虑非饱和区的渗流速度场等变化规律。结果表明，考虑非饱和区后单宽渗流量有了明显下降，出溢点的渗流溢出坡降变小，且渗流路径变的较为陡直，靠近上游部分区域的渗透坡降相对较大，水压力在土工膜中的降低相对减小。关键词：复合土

2、工膜；饱和渗流；饱和—非饱和渗流；土石坝中图分类号：TU43；TV641文献标志码：ASeepageAnalysisofCompositeGeomembraneEarth-rockDamConsideringUnsaturatedZoneLIXiuwen，ZHOUYihong，PENGYunfeng，YUANYulinAbstract：Somecertainsecurityissuesmayexistfortraditionalseepageanalysismainlyconsideringthesatu

3、ratedzoneseepageandnotconsideringtheunsaturatedzoneseepage．Basedonthesaturated-unsaturatedseepagetheory，thispaperdesignsfourdifferentcombinationofwaterlevelbyconsideringcompositegeomembraneimperviousdam．Andthen，thesaturatedseepageflowandsaturated-unsatura

4、tedseepageflowarecalculated，respectively．Finally，underthenormalwaterlevel，thevelocityfieldvariationisanalyzedwhethertheunsaturatedzoneseepageisconsideredornot．Theresultsshowthatafterconsideringunsaturatedzoneseepage，flowperunitwidthhasasignificantlydeclin

5、e；theseepageoverflowslopeofoverflowpointisdecreasedobviously；theseepagepathbecomesrelativelyabrupt；seepageslopeneartheupstreampartoftheareaisrelativelylarge；thefallofwaterpressureingeomembraneisrelativelyreduced．Keywords：compositegeomembrane；saturatedseep

6、age；saturated-unsaturatedseepage；earth-rockdam随着土工合成材料技术的快速发展，土工膜因具有优越的防渗和良好的适应变形性能而在土石坝工程中的新坝防渗和老坝渗漏加固等方面应用较多。渗流和渗流控制直接关系到土石坝工程的安全和费用。渗流控制存在不足和缺陷是造成溃坝的主要原因。土石坝渗流场包括饱和区与非饱和区，传统的渗流分析主要考虑饱和区的渗流，而较少考虑非饱和区的渗流。不考虑非饱和区的渗流得出的结果较为保守，且忽略了饱和区与非饱和区水流运动的互相联系，存在一定的安全隐

7、患［1］。鉴此，本文基于饱和—非饱和渗流理论，结合复合土工膜防渗坝设计了四种不同的水位组合，对饱和渗流量及饱和—非饱和渗流量分别进行了计算，并分析了正常蓄水位下考虑与不考虑非饱和区的渗流速度场等变化规律，为土工膜防渗土石坝饱和—非饱和渗流分析在实际工程中的应用提供了参考。1饱和—非饱和渗流理论1．1基本原理及控制方程饱和—非饱和渗流方程服从达西定律。由于非饱和区中材料的渗透系数一般为变数，因此由质量守恒定律及达西定律可得不考虑源汇项时的二维非饱和渗流的控制方程为［2］：式中，kx、ky分别为x、y方向的渗

8、透系数；h为总水头；θw为体积含水量。假设水体不可压缩，忽略土颗粒骨架的变形，并采用总水头作为控制方程的因变量，可得各向异性的二维Richards饱和—非饱和渗流控制方程［3］为：式中，ρw为水的密度；g为重力加速度；mw为比水容量；uw为孔隙水压力；ua为孔隙气压力，本文认为孔隙气压力为大气压力，取ua＝0，则mw＝。在饱和区mw为零，在非饱和区渗透系数和mw均为吸力的函数。1．2边界条件非饱和渗流计算中最常用的边界条件为［