土石挡水建筑物防渗体布置形式对渗流计算结果的影响研究

摘要

渗流和渗流控制是土石挡水建筑物中一项极其重要的课题，直接关系到工程费用和安全。近年来，随着西部大开发战略的实施，人们也开始在强震、高寒、深厚覆盖层等复杂工程地质条件上筑坝，这对如何有效地进行渗流控制提出了新的挑战。采用哪些措施可以更有效地改善坝体的抗渗性能，减小坝体渗流量；坝区的渗流量对哪些因素敏感，会不会危及坝体的稳定性；不同坝型相接处如何连接才更加经济实用等等问题应运而生。
　　 本文在总结前人研究成果的基础上，对渗流控制原理和防渗体布置形式进行了进一步探讨，并应用Seep-3D软件，结合不同的工程实例对坝区的三维渗流场进行有限元计算，分析不同防渗布置形式下坝区的渗流场及渗透稳定性，提出最优的防渗方案，再分析覆盖层、两岸坡岩体渗透系数变化对优化方案渗流场和渗透稳定性的影响，论证方案的合理性。本文主要的研究成果如下：
　　 1、依据渗流控制原理，提出用防渗墙两侧和底部土体中单位面积的渗流量（或渗流速度）相等的原则来确定防渗墙深度和长度的比例关系。这样既可保证防渗效果达到最佳，又可保证经济投入达到最小。确定防渗墙深度和长度比例关系的公式如下：
　　 防渗墙两侧单位面积的渗流量=防渗墙底部单位面积的渗流量
　　 2、根据大渡河某水电站围堰工程坝址区覆盖层及两岸岩体的基本特征和分布特点，提出基础防渗布置形式应为50m悬挂式防渗墙与左右岸30m防渗帷幕联合防渗。分析结果表明，随着悬挂式防渗墙深度的不断增加，堰后流量及坡脚处水力坡降不断减小，可以较好地控制流量及稳定性，在一定程度上起到了防渗作用，一般还需与其他防渗措施联合使用。
　　 3、结合雅鲁藏布江某水电站围堰工程坝址区工程地质条件，推荐其采用全封闭的防渗墙布置形式，并应在两岸布置防渗帷幕。对比未布置防渗帷幕的计算结果表明，防渗墙下增加帷幕灌浆后，整个工程区的总体渗流量有明显下降，防渗墙前后的水头差成倍增大，堰后堆石体和覆盖层中的浸润面明显降低，水力坡降也大幅度减小。间接说明防渗墙侧的绕渗量是基坑流量偏大、防渗墙后浸润面偏高的原因，防渗墙下增加帷幕灌浆是解决这一问题的有效手段。
　　 4、分析林芝巴河某水电站采用水平防渗布置时，随着左岸贴坡高度降低，虽然总渗流量增幅很小，但是左岸裂隙内部坡降增幅较大，从安全角度考虑，建议不降低贴坡高度。而对坝区各部位渗流量结果的分析表明，水平防渗布置能起到减少库水渗流的作用，但是因为其仅仅延长了渗透路径，并没有阻断水流，未做防渗处理的远方河床仍会有较大的渗透流量。
　　 5、说明力丘河某水电站拦河坝工程经济合理的防渗布置为在坝下采用垂直防渗墙，并指出水平防渗布置形式在本工程中具有防渗体承受的水力坡降大，对防渗体质量要求高，防渗面积大，工程造价高等缺憾，建议不采用。同时还给出粘土心墙与泄洪闸、粘土心墙与防渗墙的合理连接方式及参数敏感性分析结果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 土石挡水建筑物简介及其特点

1.1.1 土石坝发展及特点

1.1.2 土石围堰的发展及特点

1.1.3 影响土石挡水建筑物安全的主要因素

1.2 防渗体布置形式概述

1.2.1 垂直防渗布置的特点及适用条件

1.2.2 水平防渗布置的特点及适用条件

1.3 本文的研究内容

1.3.1 研究的必要性

1.3.2 研究的内容

2 三维渗流有限元分析理论

2.1 渗流的连续性方程

2.2 渗流的基本微分方程

2.3 基本微分方程的定解条件

2.4 稳定与非稳定渗流的有限元解法

3 悬挂式防渗墙防渗效果研究

3.1 大渡河某水电站上下游围堰工程概况

3.1.1 上游围堰工程地质条件

3.1.2 下游围堰工程地质条件

3.2 计算模型及计算方案

3.3 计算成果分析与结论

3.3.1 渗流量变化规律分析

3.3.2 水力坡降线分布规律分析

3.3.3 渗流速度变化规律分析

3.3.4 浸润面与等水头线的变化规律

3.4 本章小结

4 防渗帷幕防渗效果研究

4.1 雅鲁藏布江某水电站上下游围堰工程概况

4.2 计算模型及计算方案

4.3 计算成果分析与结论

4.3.1 渗流量变化规律分析

4.3.2 水力坡降线分布规律分析

4.3.3 渗流速度变化规律分析

4.3.4 基坑内最大水位高程分析

4.4 本章小结

5 水平防渗效果研究

5.1 林芝巴河某水电站枢纽区工程概况

5.2 计算模型及计算方案

5.3 计算成果分析与结论

5.3.1 渗流量变化规律分析

5.3.2 水力坡降线分布规律分析

5.3.3 渗流速度变化规律分析

5.3.4 等势线变化规律分析

5.4 本章小结

6 不同坝型及复杂地质条件下防渗效果研究

6.1 力丘河某水电站拦河坝工程概况

6.1.1 坝址水文地质条件

6.1.2 首部枢纽布置

6.2 计算模型及计算方案

6.3 计算成果分析与结论

6.3.1 防渗墙深度方案的比选

6.3.2 粘土心墙与泄洪闸、防渗墙连接方案的比选

6.3.3 大坝优化防渗方案参数敏感性分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要研究结论

7.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录