面板堆石坝面板出现裂缝工况下渗流研究

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1、面板堆石坝面板出现裂缝工况下渗流研究　　摘要：本文基于统一的饱和一非饱和土渗流控制方程，采用固定网格有限元分析方法，选用向量化的共轭梯度法求解方程组，以提高计算效率。探讨不同裂缝方位和宽度对于大坝渗流场的实际影响，并从这初步的评价某大坝的渗透稳定性。关键词：面板堆石坝；面板裂缝；渗流分析中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：1.面板裂缝特征以及渗流形态7通过一些研究表明，混凝土的面板出现裂缝尤其是贯穿性的裂缝出现的原因主要是由于温度应力以及干缩应力引起的。这样的面板贯穿性的裂缝主要出现在面板的中下部，横穿整个板块，方向基本上是沿着水平的方向。我们根据裂缝是否贯穿面板的厚度，面板裂

2、缝分布的特征以及其渗流的形态可以把它分为两种类型。第一种裂缝是浅表性裂缝，没有贯穿面板的厚度，浅表性的裂缝一般出现在施工期间之内，只要是因为干缩应力导致的，裂缝的缝宽很小，在整个温度应力的作用下，部分浅表性的裂缝会逐渐发展为贯穿性的裂缝，同时还有一部分浅表性的裂缝在水库蓄水之后经过自身的应力调整出现了复合的情况。第二种是深层裂缝。主要是由于在施工中受到温度应力影响和后期的养护和保护不够到位，导致面板出现深层次的裂缝。对于这些裂缝的处理需要根据实际的情况进行分析和使用适当的方式。2.概述这些年对于土石坝的防渗结构的渗透性已近渗透的稳定性方面的研究增多，在材料的实验、模型的设计以及原型的观

3、测以及对于数值模拟等诸多方面都取得了很大的进展。现今已近发展了多种防渗结构导致裂缝等非常工况下土石坝渗流场的分析方法。一般采取的是有限元方法并把裂缝作为一个或者若干结点单独赋以边界条件，这是一种比较常用的方法。但是这样的方法不能很好的反映出裂缝的尺寸相应，这就可能导致很大的计算误差，为了了解这一问题，研究出了一种有限元边界耦合分析方法还有一种特殊的单元格式，但是这样的方法在编程方面较为复杂，在通用性方面也受到限制，除此之外，另一种比较常用的方法就是把裂缝和周围的介质概化为各向异性机制进行渗流分析，但是这样的方法只是适合裂缝很多的情况下，并且很难精确的得带裂缝附近的渗流场。7实际需要处理

4、的工程概况。某水电站，总库容量在6.5亿立方米，总装机的电容量在1500MW，整个电站是以发电为主，兼有灌溉和供水的一等大型的水利枢纽工程。整个大坝是混凝土面板堆石坝，最大的吧高是135米。这个坝具有以下的一些特点，首先是面板坝处在极为不对称的河谷之中，在右岸的1985米高程以上的是阶地砂壤土以及砂砾石层，这就导致面板受到拉区的范围增大，在两岸都设有高趾墙，这个坝址处在高震区，整个坝体的填筑材料岩性变化很复杂，在气候方面具有寒冷、干燥和日温差大，面板的防裂问题较为突出。这就需要研究当面板因为受拉出现了裂缝以及竖缝和周边缝止水出现破坏等非常工况条件下大坝的渗流场，并分析其实际的渗透稳定性

5、。3.计算模型3.1计算方法对于服从达西定律的饱和-非饱和土，这里面的三维稳定渗流问题的基本控制方程为：这个公式之中，H是水头函数，kx、ky、kz分别表示的是x、y、z主方向的渗透系数，可以表示为ki=(ko)ikr,i=x、y、z,(ko)i表示的是主方向上土体的饱和状态下的渗透系数，这个系数只和土体本身的特性相关，和空隙水压力以及水头没有关系；kr表示的是相对渗透系数，这是空隙水压力和含水率的函数。采用一种固定网格有限元进行渗流的分析，这样的方法在网格的剖分和计算的时候需要考虑到侵润面，对于侵润面由零空压曲线条件进行确定，这就使得计算得到了很大的简化。至于通过迭代求值渗出面的具体

6、方法，实际应用的效果表明这样的方法具有很好的收敛性。73.2裂缝位置对于面板出现的裂缝位置和尺寸方面都很难进行预先的确定。处于对安全的考量，我们结合大坝特点和应力位移有限元分析的结果，我们对下面的非常工况进行计算和分析，整个坝体的中部断面地方的面板下部区域发生了一定宽度的竖向裂缝，这在面板出现较大的纵向拉应力或者面板的竖缝止水实效时可能发生，设其实际高度是三十五米，在坝体的中部。一个断面和另一个断面之间的面板底部发生沿坝轴线方向的水平裂缝，这在面板拉应力较大出现裂缝或者面板的周围边缝的止水出现失效的情况下可能发生，设其长度是三十五米。（图1：计算所采用面板裂缝位置）（图2：某石坝面板标

7、准剖面）3.3数值模型7为了实现在非常工况条件下大坝出现的渗流场以及渗透稳定性这样的目标，需要适当的减小计算量，我们把图2中所显示的材料分区做了适当的简化，把垫层区和过渡料去作为一个材料的分区，整体叫做垫层过渡区，这个厚度是6米。除此之外，我们从安全角度考虑，不考虑面板下方的压坡体，基石概化为弱透水层和微透水层，微透水在弱透水层的下部，整个弱透水层的深度是六十米，因为坝基和坝肩一定范围内的基岩和防渗材料相比渗透性很强，因此在计算中坝基和坝肩都需