止水失效后面板坝集中渗流特性及库区三维渗流研究

摘要

20世纪90年代以后混凝土面板堆石坝在我国就有了迅速的发展,随着技术水平的发展及人类对面板堆石坝的深入探索与研究,面板坝坝址区渗流特性、渗透稳定性问题及接缝止水失效后产生的集中渗流问题越来越突出。但是现阶段关于面板坝止水失效时发生集中渗流的建模计算、定量计算及试验研究比较少;面板坝发生集中渗流时会使垫层及过渡层发生渗透破坏,造成大坝存在溃坝隐患;且目前对裂缝区下侧垫层料一般只是从宏观上得出其主要渗流要素的变化,很少从细观角度进行研究。鉴于此,本文结合玉树某水电站面板堆石坝工程,主要开展的研究内容及得出的相应成果如下:
　　(1)面板坝止水失效后垫层料渗透特性细观研究。根据某面板坝垫层料的颗粒级配曲线采用PFC-2D软件生成细观模型,得出了不同压力差作用下垫层颗粒流失量、孔隙率、流速及渗透系数等参数随时间的变化过程,并根据所记录的曲线形态分析了面板坝止水失效后垫层区的渗流特性及渗透稳定性。
　　(2)面板坝止水失效后的集中渗流研究。在三维渗流有限元分析软件SEEP-3D中采用具有较大渗透系数的实体单元模拟面板止水的失效过程。研究不同水头边界条件下垂直缝在不同失效长度、失效部位、失效宽度的集中渗流规律及对坝体渗透特性的影响;研究周边缝失效宽度变化对面板坝的集中渗流规律及对坝体渗透特性的影响;研究垫层区及特殊垫层区渗透系数变化对面板坝的集中渗流规律及对坝体渗透特性的影响。并得出一定缝长及缝宽的失效缝对裂缝区附近渗流场的影响半径均在5m左右,失效缝位置及缝宽对渗流场影响较小,而缝长、垫层及特殊垫层料的渗透系数对渗流场影响较显著,最后给出垫层及特殊垫层的合理渗透系数值。
　　(3)面板坝止水失效后大坝安全性态及坝区三维渗流研究。在前两部分对面板止水失效后集中渗流研究的基础上,采用SEEP-3D建立考虑库区断层等地质构造、帷幕及各主要水工建筑物在内的整体三维有限元模型,从渗流量角度深入研究了该工程不同的止水失效形式对大坝安全的影响,并得出可以接受发生一定范围缝宽及缝长的单缝失效工况及在特殊垫层料质量良好时的周边缝失效工况,警惕五缝同时失效工况,杜绝缝长增加较大,垫层级配未达到要求的工况;其次分析了库区三维渗流场及渗透稳定性,判断该大坝设计的合理性,为水库大坝的后期运行提出合理化建议,进而对防渗帷幕深度、帷幕渗透系数、基岩及断层的渗透系数等要素进行敏感性研究,得出推荐方案即为优化方案。
　　论文研究取得的相关成果,不仅为玉树某水电站的防渗设计及安全运行奠定基础,而且对于其他类似工程具有一定的参考价值与应用前景。

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1 绪论

1.1 面板堆石坝的发展史

1.2 面板堆石坝国内外研究方向

1.3 研究问题的提出与研究内容

1.4 技术路线

2 渗流计算理论

2.1 渗流有限元理论

2.2 颗粒流理论

3 面板坝止水失效后垫层料渗透特性的细观研究

3.1 计算模型

3.2 计算成果分析

3.3 本章小结

4 面板坝止水失效后的集中渗流研究

4.1 计算目的及任务

4.2 数值模型及方案

4.3 集中渗流计算结果

4.4 本章小结

5 面板坝止水失效后安全性态及坝区三维渗流研究

5.1 工程概况

5.2 计算目的及任务

5.3 数值模型及方案

5.4 推荐方案在各特征水位下计算结果

5.5 止水失效后大坝安全性态研究

5.6 推荐方案优化设计研究

5.7 小结

6 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录