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渗流场反演计算及在水库渗漏控制中的应用研究

李欣  
【摘要】:水利工程是一种投资及效益巨大,但失事后会造成严重性灾难的特殊工程。其结构、边界条件及运行环境的复杂性,设计、施工、运行维护的经验性、不确定性和涉及内容的广泛性,都会影响大坝的安全,因此,监测与检测工作普遍受到重视。监测项目主要有:变形、应力应变、渗压渗流、水利学原型、动力检测等。检测方法有地质雷达、面波、高密度电阻率等方法。本文采用电法与由监测所得数据进行反演结果对比,最后用同位素法予以验证,来完成对大坝性态的了解。 本文从渗流场形成的机理出发,阐述了渗流场反演计算中不同的算法对物探检测结果的影响,总结出符合实际的计算模型。并先由物探手段查出地下水赋存空间的地质模型,然后由渗流参数反演出渗流的动态模型,动静结合综合全面的了解库区渗漏情况,提出合理的控渗措施。讨论了位移应力场与渗流场的关系,得出渗流达到稳定的标志之一便是渗流场与位移应力场达到耦合的结论,总结出符合实际的计算模型。针对水库查 WP=120 漏中物探方法的有效应用,较准确地找到具体渗漏部位。从而对堵漏工程提供了可靠的设计依据,以确保水库的安全运营。 以小山电站为分析实例,应用上述理论进行了反演计算,主要依据同位素示踪测试结果和大坝量水堰、渗压计和测压管两年多的原观资料,利用e06menu正反演计算软件包,应用饱和——非饱和区有限差分积分法数值计算方法,对小山电站四种不同工况进行三维渗流场反演计算,从而获得反演计算的优化解。反演计算结果表明小山水电站坝后量水堰渗流水主要来自玄武岩和玄武岩与安山岩的不整合交界面,计算结果给大坝处理与否提供了定量的依据。 反演结果归纳以下几条结论: 1、坝后量水堰的渗流水主要来自玄武岩层,玄武岩层的反演透水性均在10-3~10-4cm/s以上,甚至达到10-1cm/s,特别是650m,670m以上玄武岩区,透水性均在10-1~10-2cm/s范围内。 2、坝后量水堰的渗流水主要来自两岸山坡,从一系列的反演计算结果来看,两岸山坡渗水量占坝后一水堰渗流量最小也有55%(第2组),多达82.9%(第4组)。 3、坝后量水堰的渗流水主要来自右岸山坡,从一系列的反演计算结果来看,坝中右山坡的渗流水量至少是坝中左山坡渗水量的一倍,最大达4倍左右。从渗流水占坝后量水堰渗流流量的比例来看,最少为40.8%(第3组),多达66.9%(第4组)。 WP=121 4、从反演结果可知,河床部位的灌浆帷幕质量尚可,其透水量均在103cm3/s以下,但左、右坝下的灌浆帷幕透水性较大,特别是右坝段透水性更大,其透水量可达105cm3/s,说明右坝坝基透水性大,质量不够好。 5、这次反演计算中尚有几个问题没有处理完善,其一是两岸山区地下水位,虽然考虑了,但考虑较粗糙,应该说两岸山区地下水位是动态的,应象库水位一样考虑,就比较确切。其二这次反演没有按非稳定流状考虑,按稳定状态进行反演,特别是第2组反演,因库水位在短短30多天时间里上升近50m,应该说是典型的非稳定流状态,用稳定流进行反演,势必误差会大一些,这也就是第2组反演精度不及第3、4两组的原因。其三,四个不同时期的渗流反演应乾地一再一次统一反演,这样可以获得既符和一种工况的结果,又能照顾到另一组反演结要,虽然在这四组反演结果中,其规律比较一致,也就是说,四组反演是较可靠的,但也有个别矛盾的地方,如经3组反演分区11的渗透性比第4组反演的小,而分区12透水生第3组反演结果大于第4组,从650m以上整个区域来讲,这样差异影响不大,但总是因为优化的多介性而使结果有点暇疵。 对反演结果进行分析研究得到如下结论: WP=122 1蟀用姘逵猩┑悖来挝猄h1(高程651.60m)、Sh2(高程652.00m)、Sh3(高程640.50)、Sh4(高程630.50m)、Sh5(高程599.10m)、Sh6(高程641.20m)、Sh7(高程659.80m)、Sh8(高程663.40m)。 2趾板和面板接缝及周边缝无渗漏。 3导流洞与坝体之间的岩石,从37#和38#测线的2号测点到10号测点,深部安山岩电阻率逐渐降低,推断岩石的裂隙、节理发育且内部充水。 4坝后左坝端地下水活动强于右坝端。 研究水库渗漏问题要由渗流场体现的,间接观测绘出的渗流场是由地下水文地质条件得到的,它只是一种近似的评估。有必要寻求一种直观的研究认识手段,本次我们采用现场渗流计观测、同位素现场观测所获得的现场实际数据,建立渗流场的数学模型。对渗流场进行反演。在选定合适的数学模型及适当的算法时,应注重现场实际情况定下边界条件,并与物探查漏试验相结合。 利用渗流场反演与物探检测相符的原则,可以提高渗流场的预测精度,在此基础上较好地预测渗流参数,以便对渗流进行控制。以往有限单元法进行计算的点是在单元内,而该方法进 WP=123 行计算的点是在节点上,而这正是水力比降所要求的节点。不单纯考虑某些参数,提出在一定的边界条件下渗流场参数的分布才是影响测点渗流的唯一因素的新观点。先由电法和面波反演出地下水赋存空间的地质模型,然后由渗流参数反演出渗流的动态模型,动静结合综合全面的了解库区渗漏情况,提出合理的控渗措施。 本课题研究成功,首先可以提高渗流场的预测精度,然后可以在此


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