面板堆石坝渗流二维有限元分析

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摘要：本文采用Autobank软件，对某电站的面板堆石坝的渗流场进行二维有限元数值计算，分析大坝渗流场分布规律，确定各工况下坝体内浸润线，分析面板、堆石体及基础的渗透坡降，并计算相应典型剖面的单宽渗流量。

关键词： 面板堆石坝；Autobank；渗流场；渗透坡降

Abstract: in this paper Autobank software, a power of the rockfill dam seepage field of 2 d finite element numerical calculation, analysis the dam seepage field distribution rule, determine the conditions in the dam infiltrating line, analysis of the panel, stone body and basic seepage slope, and calculating the corresponding profile of the typical single wide seepage flow.

Keywords: face rockfill dam; Autobank; Seepage field; Seepage slope

中图分类号： TV641.4 文献标识码：A文章编号：

1引言

大多数岩土工程中发生的事故和地质灾害都与土中水有关。土中水的增加使非饱和土的基质吸力锐减；部分岩土软化，土的结构破坏；由于超静水压使土体的有效应力较小；当发生渗流时还可能由于渗透力的作用而增加许多不利因素。渗流与水工建筑物的安全与正常工作有着密切的关系。根据我国对241座大型水库曾发生的1000件工程安全问题的统计，其中31%是由渗流引起的。因此，对大坝的渗流场进行分析是非常有必要和有意义的。

2计算工况

计算工况见表2-1。

表2-1计算工况表

3计算参数及基本资料

坝址处岩性主要为含炭质条带板岩夹透镜状砂岩（C1～2nt），板岩为钙质粉砂质板岩及绢云母板岩，坝址下游3km处有丰富的灰岩，大坝拟采用溢洪道开挖料作为次堆石料，其余采用灰岩料。本次计算参数详见表3-1。采用横0+000.00典型剖面图进行渗流计算分析，详见图3-1。

表3-1面板堆石坝渗流计算参数表

图3-1大坝典型横剖面图

4数值计算模型

数值计算模型及单元划分详见图4-1：

图4-1大坝模型及单元划分

5渗流计算结果

5.1工况一（正常蓄水位稳定渗流）

计算可得单宽渗透流量为2.97×10-3m3/s。计算剖面等势线、孔隙水压力等值线见图5.1-1～5.1-2。

图5.1-1等势线分布图

图5.1-2 孔隙水压力等值线

表5.1渗流计算结果表

项目 面板最大渗透坡降 堆石体最大出逸坡降 单宽渗流量（m3/s）

数值 159.09 0.8 2.97×10-3

5.2工况二（设计工况）

计算可得单宽渗透流量为6.27×10-6m3/s。计算剖面孔隙水压力等值线见图5.2-1。

图5.2-1 孔隙水压力等值线

表5.2 渗流计算结果表

项目 面板最大渗透坡降 堆石体最大出逸坡降 单宽渗流量（m3/s）

数值 177.84 0.05 6.27×10-6

5.3工况三（校核工况）

计算可得单宽渗透流量为7.01×10-6m3/s。计算剖面孔隙水压力等值线见图5.3-1。

图5.3-1 孔隙水压力等值线

表5.3渗流计算结果表

项目 面板最大渗透坡降 堆石体最大出逸坡降 单宽渗流量（m3/s）

数值 170.4 0.13 7.01×10-6

5.4工况四（水位骤降）

库水位由正常蓄水位475m开始下降，骤降速度为5m/d，直至死水位465m高程，历时48h。由于面板的作用，削减的水头基本全部由面板承担，面板的给水度相当小，坝内堆石体渗透性较面板大很多，所以水位的变化对面板和堆石体的渗透坡降影响很小，坝体内部浸润线随库水位的下降逐渐降低，但变化很小，当库水位下降到死水位时，浸润线下降0.12m。所以水位骤降对面板和堆石体的稳定不会造成不利影响。

6结论

通过大坝及坝基渗流场数值计算结果分析可知：

（1）面板堆石坝的上、下游水头差基本靠面板来削减，坝体内部浸润线较低，基本与下游水位齐平。

（2）面板承担的渗透坡降值较大，目前工程上一般要求面板渗透水力坡降值不超过200，本工程各工况下面板承担的渗透坡降值均小于200，所以本工程面板厚度满足渗透要求。

（3）各工况计算结果表明本工程坝体内部渗透坡降值很小，所以坝体堆石料和内部分区满足渗透稳定要求。

（4）由于基础渗透系数相对于堆石体渗透系数要小很多，所以在坝脚及岸坡处基础渗透坡降值偏大，最大值0.8，但范围不大，可能存在局部渗透破坏。

（5）由于面板渗透系数很小，库区水位骤降对坝体内渗流场影响很小。

7参考文献

[1]李广信，周晓杰.土的渗透破坏及其工程问题[J].工程勘察，2004，（5）：10~13

[2]《碾压式土石坝设计规范》DL/T 5395-2007

[3]《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T5016-99

[4]《混凝土面板堆石坝设计规范》SL/228-98

作者简介：

魏汝锋（1987.9―），男，山东聊城人，贵州大学土木建筑工程学院2010级水工结构工程研究生。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。