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亭口反调节水库土石坝渗流与稳定数值分析研究

孟明  
【摘要】:土石坝具有结构简单、施工运行管理方便、对自然条件的适应性较强等突出优势,已经成为世界坝工建设的优选坝型。由于土石坝存在渗流现象,而渗流问题轻则减少水库流量,重则可能导致坝体溃决及水库失事,对国家的经济发展和人民的生命财产造成严重影响。因此,随着我国各种大型土石坝的建设与发展,对于土石坝渗流稳定的研究已经受到了学术界和工程界的高度重视。亭口反调节水库的建设,目的是在亭口水库排沙期不能供水时,对亭口水库的供水过程进行反调节,以满足供水区工业及生活供水需求,对于咸阳市的经济生活起着举足轻重的作用。由于该反调节水库在供水期水位降落较快,极易造成其土石坝上游坝坡渗透破坏或坝坡失稳,因此对反调蓄工程进行渗流与稳定数值分析研究,对于保证反调蓄水库安全运行和提高工程效益具有重要的现实意义,同时对于推进土石坝渗流与稳定数值分析的发展具有重要的理论意义,为工程上类似土石坝的渗流与稳定数值分析提供一定的参考。基于亭口水库土石坝建立了二维渗流稳定有限元分析模型,针对土石坝渗流与稳定数值模拟进行了细致的分析研究,并与水利工程行业工程设计常用软件进行对比分析。论文的主要结论如下:(1)在稳定渗流期,采用高级仿真有限元COMSOL Multiphysics计算所得浸润线溢出点是在下游水位以上4m排水棱体的坡面上;理正渗流计算所得浸润线溢出点是在下游水位与排水棱体坡面的交点上。通过混合边界条件的设置能够模拟出下游水流溢出的真实过程,为工程上此类土石坝的渗流计算提供参考。(2)在非稳定渗流期,围绕不同方案:利用COMSOL和理正这两款软件进行渗流分析研究时,两者所得的上游坝坡逆向渗流出逸点处的最大渗透比降相差很大,理正所得值比COMSOL所得值小50%之多。故在工程设计上,用理正进行渗流计算时,算出的渗透比降偏小,结果偏于危险;用COMSOL进行渗流计算时,计算结果更符合实际情况,仅以此为工程上此类土石坝的渗流计算提供参考。利用COMSOL和AutoBank这两款软件进行抗滑稳定分析研究时,AutoBank的计算结果要比COMSOL的计算结果小近12%,由此也说明坝坡稳定性随降速的增大而减小。故在工程设计上,如果用AutoBank进行边坡稳定计算时,算出的安全系数偏小,结果偏于安全;如果用COMSOL进行边坡稳定计算时,计算结果更符合实际情况,仅以此为工程上此类土石坝的边坡稳定计算提供参考。(3)非稳定渗流计算分析表明,降落速度是决定非稳定渗流场特征的最关键因素,上游边坡中的渗透比降随着水位的降落逐渐增大,降落速度越大,渗透比降也越大,上游坝坡稳定性也越差;水位降落时的等势线与边坡趋于平行,渗流方向指向坡面,而非传统认为平行于坡面出流,且形成指向上游坝坡面方向的渗透力,这种渗透力是不利于边坡稳定的。(4)将上游坝坡坡比由1:3.0放缓到1:4.0分析研究表明,坝坡坡比的改变对坝体的渗透稳定无影响,而只可提高坝体的抗滑稳定性;通过均质坝方案和砂砾石压坡方案的对比分析研究,前者对坝体的稳定性最不利,后者的稳定安全系数最高。(5)土石坝初始设计方案的渗透稳定和抗滑稳定不满足规范要求;改变上游坝坡后,渗透稳定不满足规范要求,抗滑稳定满足要求;基于初始方案在上游坝坡铺设土工膜作为防渗体后,渗流稳定及抗滑稳定均能满足规范要求;将大坝上游部分区域在初始坝型的基础之上改成砂砾石压坡,经过优化确定上游土料坡坡比为1:2.15,在此基础上进行渗流分析研究,结果表明,渗流稳定能满足规范要求,后期可将复合土工膜铺设在砂砾石区和上游土料坡之间作为双保险的安全储备措施。


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