“等效窄缝”排水孔幕有限元数值模拟研究.doc

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1、“等效窄缝”排水孔幕有限元数值模拟研究　　【摘要】应用SEEP3D软件对某重力坝段进行准三维渗流场模拟，采用具有各向异性渗透性能的等效窄缝模拟排水孔幕；通过是否考虑排水孔两个工况的比较分析，可知本文采用的方法模拟排水孔幕得到良好的效果。　　【关键词】排水孔幕；等效窄缝；渗流分析；数值模拟　　渗流对岩土体及工程结构的稳定性有着重大影响。为了对渗流进行排水降压和控制，排水孔、排水井、排水洞、排水廊道、防渗帷幕等渗控结构已成为大坝、坝基、边坡及地下厂房等工程设计必不可少的组成部分。同时，有限元等数值分析方法也在渗控结

2、构优化设计及安全性评价中起到了重要作用。然而，对于含复杂渗控结构的渗流问题，其数值模拟的难度依然很大。尤其当工程布设孔径小、数量多、间距密的排水孔幕时，渗流分析的难度进一步增大，主要表现在：排水孔数量众多，有限元建模难度较大，网格尺寸和计算量之间的协调较为困难；排水孔在本质上属于潜在渗流溢出边界，排水孔的数值模拟方法必须正确表征其边界条件。　　鉴于此，本文采用等效窄缝[1]模拟排水孔幕，这样有效的克服了排水孔数量众多，有限元建模难度大的问题，运用有限元软件SEEP3D对某含有排水廊道、排水孔以及防身帷幕的重力坝

3、段进行了渗流场的数值模拟，得到了良好的效果。　　1、等效窄缝模拟排水孔的基本原理　　排水孔正是由于自身的“空心”结构才成为岩体中具有强渗透性能的导水结构，而排水井列则是由这些“空心”结构体在岩体中按一定间距排列所形成的一道强导水的孔幕，周围的地下水在水力梯度的驱动下流入排水幕并沿着孔壁排出，在岩体中形成一道呈条带状分布的渗流降压区，从宏观上看就如同岩体中的一条窄缝或窄沟作用一样[5][7][8]。虽然排水孔与窄缝在渗透特性上各有异同，但在一定条件下两者的渗流场特征又极为相似。　　从渗透结构上看，可以忽略排水孔及

4、其间岩体的个性，在满足渗流量和水头等价的条件下，视某一段排水孔为一相对整体，赋予各向异性的渗透系数来表征这一局域的渗透性能，这样既考虑了排水孔间岩体的渗透作用，排水孔的排水降压作用也得到了发挥，相当于一条强渗透性的导水带存在于岩体中，其作用完全等同于一条导水窄缝[1]或结构面。　　按渗流理论的宏观方法，从渗透介质结构和渗流场特征上，可以将排水孔作为一条等效的窄缝[7]或等效结构面，即“以缝代井列”。　　2、等效渗透系数：　　将岩体中的排水孔按等效窄缝处理时，根据排水孔布置的主倾向和主倾角，将一道排水孔等效为一个

5、平面缝或几个折平面缝[3]。由于沿排水孔轴线方向上的渗透性能主要取决于排水孔本身，而沿井列延伸方向上的渗透性能则主要取决于岩体，且前者远大于后者，因而用各向异性渗透系数来表征等效窄缝的这种渗透特性[1]。在计算时，沿井列延伸方向的渗透系数Kh取岩体在该方向的渗透系数，而顺排水孔轴线方向的渗透系数Kv远大于岩体的渗透系数，该值可参照下式计算[4]。　　　　式中：r为排水孔半径，d为排水孔间距，Krv为岩体顺在排水孔轴线方向上的渗透系数，Kdv为排水孔轴线方向上的渗透系数。　　由不变形岩体单一管道的水力学特性研究可

6、以得出，排水孔轴线方向上的渗透系数为：　　　　式中，―水的质量密度；　　g―重力加速度；　　―水的运动粘滞系数；　　―大于1的修正系数，需根据管道的形态和堵塞情况确定。　　因此，等效窄缝在排水孔延伸方向的渗透系数Kh取岩体在该方向的渗透系数，在排水孔纵轴线方向的渗透系数Kv取为式计算出的Kdv，。在整体坐标系下，将Kh和Kv转换到整体坐标系下的各方向的渗透系数进行渗流场的计算。　　通过改变等效渗透系数值，既考虑了不同排水孔距和孔径的排水特征，也可以描述不同工况下的排水效果，采用该方法不仅有利于有限元计算软件对有

7、排水孔的渗流场的计算，还便于实际工程应用。　　3、工程算例[2]：　　考�]一混凝土重力坝典型坝段，坝高170m，底宽123m，顶宽12m，坝段长30m，坝基从建基面向下取180m，从坝踵和坝趾向上下游各取200m，如图所示。坝体上游侧设计有一层厚0.8m的混凝土防渗层。同时，在大坝上游面及建基面附近坝体内布置有7条水平排水廊道，廊道截面尺寸为2m×2m。上游面附近坝体及防渗帷幕下游侧坝基内布设一排垂直排水孔，这些排水孔与排水廊道相连，形成排水系统。排水孔的间距为5m，孔径为12.73cm，坝基排水孔的深度为4

8、0m。防渗帷幕的宽度为2.5m，深度为60m。　　3.1计算模型：　　原点位于坝锺左侧位置，坐标系及材料分区，从上游到下游为x正方向，垂直方向为y轴，向上为正，与河道水平垂直的为z轴，左岸指向右岸为正；模型在x轴方向的计算范围为，y轴方向的计算范围为，z轴方向的计算范围为。　　3.2单元划分与材料参数：　　计算模型的单元划分采用六面体单元，共划分59080个单元，67210个节点，网格