吊江岩水电站重力坝段渗流稳定分析开题报告.doc

吊江岩水电站重力坝段渗流稳定分析学 生：谭 旭指导老师：陆美霞三峡大学科技学院1课题来源本课题吊江岩水电站重力坝段渗流分稳定析是由指导老师陆美霞指定的，云南硕多岗河是金沙江左岸的一级支流，吊江岩水电站是该河流规划九级中的第四个梯级电站，建设地点位于云南迪庆州香格里拉县虎跳镇。该电站为单一发电工程。吊江岩水电站主要由首部枢纽、引水系统和厂区建筑物组成，水库正常蓄水位2563.3m，相应库容100.2万m3，最大坝高28.0m，电站装机容量32mw。本电站为小（1）型等工程，永久性主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物按5级设计。吊江岩水电站首部枢纽设计洪水重现期为30年，校核洪水重现期为200年，厂房洪水标准按50年一遇设计，100年一遇校核。电站工程区的地震基本烈度为度。河谷覆盖层具有结构相对松散、渗透性强、岩性不均匀等特点，大坝建成挡水后，在上下游水位差的作用下闸基及两岸土体内将会产生渗流，渗透破坏将严重危害闸坝的安全，坝基防渗问题成为闸坝安危的关键问题，因此通过渗流计算，分析坝基稳定性及防渗措施的防渗效果是非常必要的。2目的和意义通过对吊江岩水电站重力坝段渗流分稳定析，使自己对坝体渗流的组成、特征、成因及安全监测方法等相关知识进行了系统的学习，明白了渗流破坏的作用机理和造成渗流不稳定的一些因素以及对软件的熟练运用，为以后工作打下了坚实的理论基础。3国内外现状和发展趋势3.1主要文献、资料名称主要参阅：杨伟光编辑的闸坝深厚覆盖层基础处理研究；王俊华编辑的锦屏二级水电站闸基深厚覆盖层渗流分析与控制研究；顾晓芳编辑的深厚覆盖层上水闸渗流分析与防渗结构优化设计研究；黄春娥编辑的考虑渗流作用的基坑稳定分析；陆丽等编辑深厚覆盖层闸坝坝基的三维有限元渗流分析；宋玉才，燕乔，赵献勇，焦家训等编辑的砂砾石地基垂直防渗；杜延龄，许国安编辑的渗流分析的有限元法和电网络法；顾慰慈编辑的渗流计算原理及应用；毛昶熙编辑的渗流计算分析与控制；东南大学、浙江大学、湖南大学、苏州科技学院合编的土力学、武汉大学、袁光裕、胡志根编辑的水利工程施工；水利水电工程初步设计报告编制规程（dl5021-93）；水利水电工程地质勘察规范（gb50287-99）；堤防工程设计规范(gb 50286-98)；水工建筑物荷载设计规范(dl 5077-1997)；水工混凝土结构设计规范(sl/t 191-1996)；水工建筑物水泥灌浆施工技术规范(dl/t 5148-2001)；水利水电工程施工组织设计规范(sl 303-2004)。3.2坝基渗漏3.2.1坝基渗漏的定义坝基渗漏（dam foundation leakage）又称坝下渗漏，是指水库蓄水后由于上、下游水头差，使水库中水沿坝基岩石的孔隙、裂隙、溶洞、断层等处向下游的渗漏。多发生在未进行防渗处理或防渗措施不当之处。坝基渗漏减低了水库的效益，增大对坝底的扬压力，还可能引起坝基岩土体潜蚀，导致坝基失稳。3.2.2坝基渗漏的原理在大坝上下游水位差作用下，库水通过坝基岩土中的孔隙、裂隙或溶洞等通道向下游渗漏的现象。沿大坝两侧岸坡岩土中的渗漏称为绕坝渗漏。当坝基渗漏或绕坝渗漏的水量很大时,不仅会造成库水的流失，而且对坝基产生渗透压力，或对岩土中的微细颗粒产生冲刷，或对岩土中的可溶部分产生化学溶解等不良作用。为此，修建大坝时要对坝基渗流进行控制，将其不利影响减少到规定的安全范围内。 根据岩土透水性质的不同，坝基渗漏可分为三种主要类型。孔隙性渗漏：通过砂砾石孔隙产生的渗漏，一般呈均匀流，渗漏量的大小主要取决于土的粒度成分及其渗透系数。裂隙性渗漏：通过岩石中节理裂隙产生的渗漏。当裂隙很多且互相切割时，渗流近似均匀流；当裂隙发育不均一或不规则时，渗流常呈脉状流。管道式渗漏：通过石灰岩、白云岩等可溶岩中的溶洞产生的渗漏，渗漏量的大小取决于溶洞的大小和多少。这三种类型在坝基中可以在不同部位同时存在，也可以单独出现，主要取决于坝基的岩土分布和地质结构条件。 控制坝基渗漏的方法很多。为减少坝基渗漏量，可以采用上游水平铺盖、垂直混凝土防渗墙、帷幕灌浆及堵塞溶洞等措施；为减小扬压力或渗流梯度，通常采用排水孔、排水廊道、减压井等工程措施。根据坝基地质条件和渗漏量情况选取上述方法中的一种或几种，上堵下排，就会获得良好的防渗效果。3.2.3坝基渗漏的处理方式由于水库库区渗漏，水库无法正常蓄水，不仅无法完成原设计任务，而坝体存在漏水通道，同样危及坝体的安全。因此，在对新建水利工程进行设计时，必须结合地形地质条件，进行库区的防渗设计；对既有水利工程，当库区存在渗漏问题时，必须采取相应的措施进行整治。目前，工程上采用的防渗处理措施主要有以下几种：（1）柔毡铺盖防渗。对大面积渗漏而无集中渗漏通道的库坝区，且坡度在24以下的大坝和左、右坝肩，或有集中渗水通道又有面上渗漏的库坝区，只要对集中渗漏通道先作处理（如开挖回填混凝土塞或自流灌水泥浆、水泥砂浆等封堵），均适宜用柔毡铺盖防渗，但使用柔毡铺盖防渗的关键是接头一定要搭接好，周边固埋措施要得当，并且最好是用混凝土截水墙截到隔水岩层或不透水部位上。（2）混凝土铺盖防渗。这种措施适宜覆土较薄、坡度在24 45之间的岩石基面的岸坡渗漏区，其关键是要根据所受水头选好混凝土标号、铺盖的厚度和确定水灰比。施工时，应打掉基岩面的尖角，清除面上的泥垢、油污等杂质和强风化的破碎岩石，用水清洗后（最好使用高压水冲洗）垫上23cm厚的水泥砂浆，然后浇筑混凝土。混凝土浇筑要振捣密实，养护21d。对大面积的混凝土防渗铺盖要作分块处理，每块尺寸以1m5m为宜。块间分缝处作好止水处理。防渗铺盖的范围应处理至不渗水岩层或与其它防渗措施联合处理至不透水部位，共同组成防渗体。（3）水泥砂浆砌块石沟缝防渗。这种方法适宜库岸坡度较陡（45以上）、基面为岩面目-覆土不厚的库岸坡和水头较低的坝体迎水坡面防渗。这种方法的关键是控制施工质量。施工时，先将岩基面的泥垢、油污等清除干净，排除积水，然后先在岩面垫上一层35cm的水泥砂浆才砌筑。防渗砌体厚度根据水头选定，不低于1/20水头且不小于30cm厚。砌体要求平整、稳定、密实，座浆及竖缝砂浆填塞要饱满密实，竖缝填塞砂浆应插捣至表面泛浆为止，勾缝水泥砂浆采用42.5号以上的水泥。灰砂比为1/11/2，勾缝前必须浆缝槽冲洗干净，不得残留灰碴和积水，勾缝完成后养护21天。（4）对溶洞要进行水泥灌浆和水泥冲砂灌。对于有集中通道和溶洞的库坝区渗漏，应先对集中漏水通道水泥灌浆和水泥浆冲灌，其关键是确定水灰比、灌浆压力、灌浆间歇时间和冲砂的数量，灌浆压力应为水头的1.5倍左右，水灰比应选择几种不同的比例交替灌。间歇时间根据气候和水泥的初凝时间确定，如长期不能灌满则应加砂灌。（5）混凝土截水墙。对未设坝前防渗铺盖的坝体及左右岸坡，由于清除现有淤泥工程量多，投资大，有的因库水不能放干而无法清除，故只有设置混凝土截水墙或其它防渗帷幕。混凝土截水墙应截到不透水岩层上，或截到不透水部位，与其它防渗体连接起来。（6）防渗帷幕灌浆。这种措施适肩坝基和坝肩的深部漏水防渗。其技术主要是确定孔深、孔距、布孔方式、布孔排数和选好浆液的配合比，确定灌浆压力。3.3渗流稳定分析在国内外的现状和发展趋势3.3.1国内外渗流计算研究的发展现状法国工程师达西（h.dracy），在1986年通过试验研究提出了线性渗透定律，为渗流理论的发展莫定了基础。达西的试验是通过液体在均质沙土中作匀速流动的情况下进行的。这个研究结果已被后来的学者逐渐推广至整个渗流计算领域中去，达西定律成为渗流分析计算中最基本、最重要的公式，它解决了土体的基本渗透计算理论。达西定律研究得出的公式是对均匀渗流平面上计算平均流速以及渗流区域内任意一点的渗流流速。1857年，法国学者杜比推导出杜比公式来研究非均匀渐变渗流分析的规律。1889年，h.e茹可夫斯基研究发现土体中渗流规律分析计算过程符合拉普拉斯方程，首次推导出了渗流的微分方程。但是，相对于许多数学模型和解析解的研究只能适用于均匀的渗透介质和边界比较简单的条件基础上，因此在实际工程的运用中就要受到一定限制。1914年，p. forehheiness提出利用绘制流网的方法进行图解渗流试算。流网针对分析整个渗流场这个二维平面问题给出了比较可靠全面的图案。绘制出了流网，整个渗流场问题就会得到解决。直到1922年，为解决边界条件和渗流条件比较复杂的渗流问题，h巴甫洛夫斯基研究出了一个有效的求解渗流场的工具电拟法。所谓电拟法，就是采用电导液模型进行渗流模拟试验，但仍有一些弊端就是无法对非均质各向异性渗透介质的渗流进行模拟实验，当遇到一些比较复杂的地质和复杂的边界条件时就是去了适用性。后来为了对渗流有进一步的研究和提高，针对电拟法改进而形成了电网络法。近年来，在计算机电子技术日新月异发展的基础上，很多渗流计算方法也随之出现。其中典型的数值模拟方法有边界元法、有限差分法、有限单元法三种，而且以围绕这三种方法为主的研究大坝坝体渗流分析计算在国内得到了迅速发展。边界元法是在贝蒂互换定理经典力学理论及弗雷德霍姆积分方程基础上建立起来的，该方法提出于20世纪九十年代末、21世纪初。边界元法的基础理论形成的相对较晚大约在六十年代末。边界元法在最初被称为边界积分仪法。边界元法这个名词直到1978年才得到渗流研究领域的认可。有限差分法是1910年理查德森提出来的，该方法由于在渗流分析研究中的长期应用已具有一定的研究基础。目前，有限差分法的理论和和研究经验已在渗流研究领域有了广泛的推广。1960年，克劳夫为了区别有限差分法，而最早提出并采用“有限单元法”这个名词。而在1965年，由于研究后发现有限单元法具有可以适用很多以变分进行的的渗流场计算的研究分析问题使该种方法在渗流领域的发展有向前迈进了一步，而且其成果也十分的显著有效。随着水能源的大力开发，为了使水利工程更好的服务于人类，在相关坝体渗流的研究和应用在国内外对都引起了高度重视，特别是在土石坝的渗流研究领域，各国学者和专家一直在致力于对坝体渗流机理的探索。达西定律作为渗流理论最基本的理论基础以及渗透系数的提出就为在水头作用下会产生渗流水量的函数关系提供了强大的应用基础。在对水工模型进行数值模拟的基础上利用有限单元法对坝体非饱和区域的渗流状况进行了实验。研究表明数值模拟能够对一些复杂的边界条件计算并具有较高的精度。随着渗流理论的逐步发展自适应理论在渗流分析计算中也得到了较为广泛的推广，并将在二维非线性的渗流分析中吸收了线性误差估计的方法。这种自适应理论在无压渗流分析方面也进行了验证分析。通过划分单元网格的方法，在渗流分析过程中让单元自己根据渗流场的变化去适应，这样就会大大提高其计算进度和效率。随着现代计算机技术的高度发展和应用，有限元法也得到了迅速发展。近几年来，国内外众多水利研究专家和水利水电工程技术人员在从事水利枢纽工程研究和建设过程中，从渗流的基本理论出发，充分利用现代计算机技术的基础上结合实践都深入的就渗流方面做了探究。在解决渗流场的研究计算方面对有限元法的应用有了相对较大的进展，有限单元可以对一些简单的坝体渗流状况作出合理的分析。但是水工建筑物作为一种实际的工程结构以及所处环境条件十分复杂，要寻找一种简单、可靠、适用以及能对多种复杂边界条件的渗流问题以上研究方法还有待实践的验证。本文在研究堆石面板坝的坝体渗流曲线方面做了简单的尝试。3.3.2目前国内外渗流计算方法的发展现状常用的渗流计算方法:(一)理论分析法。（1）解析法中水力学法和流体力学法是理论分析法的两大类。水力学法，它是一种比较简单的渗流分析方法，主要针对一些渗流条件比较简单的分析计算，由于计算分析过程简练，因此在一些坝体材料和结构较为单一的渗流问题普遍运用水力学法。众所周知，坝体的渗流计算需要求解许多的渗流要素，而水力学法不能满足这一要求只能求解坝体某一界面渗流要素的平均值，但当细化到每一个具体的点时就会出现制约，再加上水力学法求解的前提是对在渗流场假定的基础上的，可能会与现实的情况有一定的差距，而正是各种误差的累积导致我们得出的结果精度不高。为了解决水力学法中的不足，通常会用流体力学的方法加上一些实验取得的结果对采用水力学法所得值进行修正，这种方法在一定程度上会提高计算精度。这种方法的原理是基于流体力学在应对边界条件复杂基础上对反渗流分析研究的能够较大提高计算结果精度建立起来的。在渗流问题的计算中对任意一点的各个渗流要素和任一截面处的渗流要素如水头、压力、流速等等。由于要利用实验所得结果和流体力学法同时对水力学所得结果修正，这就会使问题求解变的比较复杂，而且其对渗流边界的研究还不能满足坝体渗流区域复杂的情况。 (2)数值方法。边界元法、有限单元法和差分法是目前最常用的三种数值方法。边界元法：首先将渗流区域复杂边界通过单元划分的方法离散为能适应复杂边界的子域，然后通过区域积分形成积分方程，最后再化为线性求解方程进行计算。边界元法相对于有限元法而言具有以下优点：便于对半无限或无限渗透介质的处理、渗流奇异和自由面等问题。一般说其计算精度也高于有限单元法。边界元法的缺点：当面对三维非均质各向异性的渗透介质问题时，在应用方面尚存在相当大的困难。有限单元法：它归纳总结了对古典近似计算方法，既吸收了变分计算中选择试探函数的内核，又继承了有限差分法中离散处理的精髓，并对分析区域进行积分，这一过程是对每个子单元对整个区域影响的直接表达。相对于边界元法该法在面对复杂的渗流边界时更好的模拟渗流曲线以及对非均质的坝体渗流方面都体现出了一定的优越性。差分法：在渗流研究中差分法的基本思想是进行区域离散，离散的各个子域会形成渗流的微分方程。再通过控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点水头值为未知量的方程组。将微分问题转化为函数运算问题。但是常常由于差分网格的规则受到一定的局限；其次，在对各向异性的曲线边界进行模拟分析时会有一定的困难。(3)图解法：在一定理论分析和实验结果的基础上对所研究渗流区域进行流网绘制，利用中线法可求得断面处的渗流流速，也可以根据绘制的单元网格绘制坝体内的各个节点的渗流等水头线。（二）试验分析方法。由于大多数渗流基本理论是在试验基础上总结出的结果，所以采用试验分析的方法也是渗流计算研究得一种途径。缝隙水槽法、砂槽模型法、水力积分仪法、粘滞流模型法、电阻网模型法和电拟试验法。现只对以下三种实验分析方法进行简单介绍。(1)缝隙水槽模型试验：是指利用两块玻璃板或者有机玻璃板做成的水槽模型、然后将其平行地安装在试验水槽内，并在两块模型的板之间保持一定的缝隙宽度。试验的观测方法：一般是在玻璃板上顶先画上方格，然后将不同颜色的液体注入上游的不同高程。这样能使模型中的渗流线能明显地显示出来，便于观侧。通常在槽中注入的是纯甘油。(2)砂槽试验：砂槽试验利用砂或者砂性土做模型，将模型的上下游水位保持与实际建筑物上下游水位相对应的时，在上下游水位水头差的作用下产生与实际相当的渗流，并且形成自由渗流的水面曲线。通过量测设备量测出水面线高度。(3)电拟法：是在渗流和电场的控制方程符合同一种形式的基础上而进行求解的。电网络和导电液模型是目前电拟法所具有的两种模型。由于在模型中其材料是各向同性的均匀介质，只能对求解一些急变的渗流区域。目前，在研究渗流问题分析应用中对坝体材料为非均质各向异性渗透介质的研究较为苦难，尤其在地质条件比较复杂的坝址条件下电网络法也不尽适用，电网络法在一定程度上优化了其它渗流研究的缺陷，其所得结果由于没有误差累积，又有一定的稳定性，一直以来也视作是一种应用性较强的求解渗流场复杂问题的计算工具。电网络法的特点：在求解渗流问题的过程中不产生累积误差以及具有容量、稳定性基本不受限制在渗流分析中沿用已久，在求解大型复杂渗流场问题时任是有效的工具。4 设计的主要内容及成果形式4.1 主要内容（1）回顾覆盖层上建造闸坝的情况，系统认识覆盖层上闸坝建设的问题。全面深入了解水闸渗流计算的发展过程、渗流控制理论及技术措施等。（2）介绍水闸渗流计算的基本理论、方法，着重介绍水闸渗流计算的解析法和有限单元法，为渗流计算提供理论及方法上的依据。（3）依托吊江岩水电站首部拦河闸坝，应用geo-seep/w程序开展吊江岩水电站重力坝段覆盖层天然地基二维渗流数值计算。（4）依托吊江岩水电站首部拦河闸坝，应用geo-seep/w程序开展吊江岩水电站重力坝段覆