四川某土石坝稳定渗流分析

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1、四川某土石坝稳定渗流分析案例说明土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。因具有就地取材、造价低、结构简单、对自然条件的适应性强、抗震性好、工作可靠、工作寿命长以及施工管理简便等优点，在各类大型水利枢纽工程中被广泛采用。由于土石坝存在渗流现象，而渗流问题轻则减少水库流量，重则可能导致溃坝及水库失事，影响大坝安全。因此，土石坝渗流特性分析对防止发生渗透破坏、减少渗漏损失具有重要意义。本文将以四川某土石坝为分析案例，介绍如何使用GEO5岩土工程有限元分析模块对土石坝渗流进

2、行有限元分析。工程概况本工程案例为碎石土心墙堆石坝，坝高136m，坝顶高程2544m，坝顶宽12m，坝顶长309.4m。上游坝坡1:2，下游坝坡1:1.8，坡脚与下游围堰相结合。心墙顶高程2542m，顶宽4m，上下游坡度均为1:0.25。大坝底高程为2408m，底宽71m。整个堆石坝坐落在强风化基岩上，坝心部位的地基中设置有混凝土防渗墙。图1为坝体剖面图。堆石体过滤层反滤层混凝土防渗墙心墙强风化地基弱风化地基图1坝体剖面图土石坝各组成部分材料的物理力学参数如下。表1坝体材料参数表X向渗透系数kx,

3、satZ向渗透系数kz,sat初始孔隙比坝体材料(m/d)(m/d)e0堆石体4.320E+014.320E+010.25过滤层2.250E+012.250E+010.40反滤层8.640E+008.640E+000.30心墙4.320E-034.320E-030.25强风化基岩8.000E-018.000E-010.20弱风化基岩2.000E-022.000E-020.20计算流程本案例采用GEO5岩土工程有限元分析模块进行分析，共分为以下三个工况阶段：1)工况阶段[建模]：分析设置、添加岩土材

4、料、导入几何模型及划分网格等。2)工况阶段[1]：上游水位为62.0m，下游水位为0.0m时大坝渗流特征分析。3)工况阶段[2]：上游水位为90.0m，下游水位为50.0m时大坝渗流特征分析。工况阶段[建模]GEO5为用户提供了便捷的建模方法，用户可以使用软件自带的建模工具进行大坝建模，也可以直接导入在CAD等软件中已经建好的模型文件。这里事先我们已经建好了DXF大坝模型文件，所以在这里我们选择直接导入。点击【文件】菜单，选择【导入】>【将DXF文件以多段线导入】，在Windows资源管理器中选择

5、并打开DXF目标文件，在弹出的窗口中根据要求进行设置，在“项目单位”选择“m”，在“偏移”选项中选择输入，并将Y坐标设置为-2388m，其它选项保持默认即可。成功将坝体模型导入到软件以后，在【多线段】设置界面中点击按钮，在弹出的设置窗口中将深度设置为10m。图2导入坝体模型在【分析设置】中选择分析类型为“稳定流”，在弹出的警告窗口中选择确定切换分析类型，勾选“详细结果”复选框。图3分析设置接着在【岩土材料】界面中，根据表1《坝体材料参数表》添加坝体材料，所有材料的非饱和区模型均选择为“vanGen

6、uchten”。图4添加岩土材料所有的坝体材料都添加完成以后，在【指定材料】界面中将材料指定给各自对应的部位。图5指定坝体材料现在通过创建自由线来确定混凝土防渗墙在地基中的位置。首先通过【自由点】命令添加防渗墙的起点与终点，两点的坐标分别为(372,0)、(372,-20)，接着通过【自由线】命令两个自由点连接起来，这样防渗墙所处位置的自由线就添加完成了。最后对模型进行网格划分操作，点击【网格生成】命令，在【网格生成】设置界面中设置网格边长为10.0m，勾选网格平滑，最后点击【启动网格生成】按钮，

7、稍等片刻便可完成网格划分操作。图6生成网格工况阶段[1]点击进入工况阶段[1]，在本工况中计算分析上游水位为62.0m，下游无水位时坝体的渗流特征。在【梁】命令设置界面中，将“位置”选项设置为“自由线”，点击左侧的添加按钮，在图形窗口中选择防渗墙所在的自由线，在弹出的设置窗口中将“渗透性”设置为“不渗透”，点击确定即完成防渗墙的添加操作。图7添加防渗墙在【线渗流边界】界面中设置渗流边界条件，软件默认将所有的边界均设置为不透水边界类型。通过在图形窗口中或设置面板中双击网格线均可以打开渗流条件参数修改

8、窗口，在这里可以更改相应网格线的边界条件类型。这里将编号6、7、8、35、36、38网格线的边界条件类型均设置为“孔隙水压力边界”，“孔隙水压力”选择为“定义水位高程”，水位高程设置为62.0m。图8孔隙水压力边界设置将编号21、33、34网格线的边界类型设置为“溢出边界”。图9溢出边界设置图10边界条件设置设置好边界条件以后，在【分析】界面中点击【开始分析按钮】，通过短暂的求解即可得到坝体的渗流特征计算结果。图11孔隙水压力分布云图图12总水头分布云图图13渗流矢量图工况阶段[2